Improving production efficiency of injection molding process by utilization of laser melted tool inserts with conformal cooling

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-06-13
Department
Major/Subject
Koneensuunnittelu
Mcode
K3001
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
109+3
Series
Abstract
The purpose of this master thesis is to study the application potential of laser melting in context of improving the production efficiency of injection molding. The solution behind such improvement is implementing the mold tool with conformal cooling channels, which in comparison to conventional, straight channel lines, provide significantly improved cooling performance in the process. This results in shortened cycle times and thus, has a remarkably improving impact on production efficiency followed by cost savings of the components. As the injection molding is the most common manufacturing method for mass production of plastic and elastomer components, every cent for cost cut for a single component price provides great saving potential with higher production volumes. Laser melting, an additive manufacturing method for metals, is the most feasible and common methods for manufacturing the tool insert with conformal cooling channels. While conservative attitude is still presented at large, the application has been already successfully implemented in the field of related industry and its positive reputation is constantly increasing, as does the utilization potential of laser melting in general. This study was carried out by having implemented an actual injection molding tool, equipped with conformal cooled tool inserts. For studying the behavior of channel design, totally six tools inserts with various channel profiles were designed and evaluated comparatively. Production efficiency evaluation was carried out by performing test runs with the tool equipped with these inserts. In addition to practical study, investment aspects in the context were studied by supplier study, providing information about global availability and price levels of laser melting services. Background theory of the study was based on literature, scientific articles, journals and case studies in the industry. The results show that conformal cooling has significant impact on reduction of cycle times resulting in improved production efficiency. The availability and prices of the laser melting services are already at the adequate level compared to conventional tooling, making the investment for such tool a realistic option, especially when considering all the achieved benefits.

Tämän diplomityön tarkoitus on perehtyä lasersulatuksen sovellusmahdollisuuksiin ruiskuvaluprosessin tuotannon tehostamisen näkökulmasta. Tehokkuuden lisääminen ruiskuvaluprosessissa onnistuu toteuttamalla ruiskuvalumuotin jäähdytys pintaa myötäilevän jäähdytyskanaviston avulla, joka perinteiseen, suoriin linjoihin perustuvaan kanavistototeutukseen verrattuna, mahdollistaa merkittävästi tehokkaamman jäähdytyksen. Tästä seuraa jaksonaikojen lyheneminen, joka puolestaan parantaa merkittävästi prosessin tehokkuutta ja alentaa siten yksittäisten komponenttien valmistuskustannuksia. Koska ruiskuvalu on yleisin valmistusmenetelmä muovi- ja elastomeeriosien valmistuksessa, jokainen säästetty sentti yksittäistä komponenttia kohden tuo merkittävää säästöpotentiaalia suuremmilla tuotantovolyymeilla. Lasersulatus, materiaalia lisäävä valmistusmenetelmä metalleille, on yleisin ja käyttökelpoisin menetelmä myötäilevällä kanavistolla olevien työkaluinserttien valmistuksessa. Vaikka konservatiivinen ajattelu on edelleen laajalti läsnä, menetelmää on hyödynnetty laajalti vastaavalla teollisuuden alalla ja sen positiivinen maine kasvaa jatkuvasti, kuten myös lasersulatuksen soveltaminen yleisesti. Tämä tutkimus toteutettiin valmistamalla ruiskuvalutyökalu, johon asennettiin pintaa myötäilevällä jäähdytyksellä toteutetut työkaluinsertit. Erilaisten kanavistoratkaisujen toimintaa tutkittiin suunnittelemalla, valmistamalla ja vertailevasti arvioimalla kuudella erilaisella kanavistoprofiililla suunniteltua inserttiä. Tuotannontehokkuutta arvioitiin koeajamalla myötäilevää jäähdytystä hyödyntävää työkalua ruiskuvalutilanteessa. Käytännön toteutuksen lisäksi työssä tutkittiin työkaluhankintaan liittyviä aspekteja tekemällä toimittajaselvitys, jonka avulla kerättiin tietoa lasersulatuksen globaaliin tarjontaan sekä hintatasoon liittyen. Työssä käytettävä taustateoria koostui alan kirjallisuudesta, tieteellisistä artikkeleista, lehdistä sekä teollisuuden alan esimerkkitapauksista. Tulokset osoittavat että myötäilevän jäähdytyksen vaikutus jaksonajan lyhentämiseen on merkittävä, parantaen tuotannon tehokkuutta. Lasersulatuspalveluiden tarjonta sekä hinnat ovat jo sellaisella tasolla, että tällaiseen työkaluun investoiminen on varsin perusteltua, erityisesti sen tuomat edut huomioiden.
Description
Supervisor
Partanen, Jouni
Thesis advisor
Palojoki, Vesa
Keywords
additive manufacturing, conformal cooling, injection molding, laser melting, rapid tooling
Other note
Citation