Thermische Analyse der elektromagnetischen Induktionserwärmungsform unter Verwendung von EMS

Einführung

Der weit verbreitete Einsatz der elektromagnetischen Induktionsheizung in Formen beruht auf den Vorteilen der schnellen Erwärmung und der hohen Effizienz. In Kombination mit dem Abkühlungsprozess wird eine Induktionserwärmung eingesetzt, um eine dynamische Steuerung der Werkzeugtemperatur zu erreichen. Diese Studie befasst sich mit 3D- und 2D-Spulenkonstruktionen, um die Auswirkung jeder Konstruktion auf die Temperaturregelung einer Formplatte zu analysieren. Abbildung 2 zeigt das CAD-Modell jedes Entwurfs.

Abbildung 1 - Induktionserwärmung für Spritzgussformplatte [1]

Abbildung 2 - 3D-Modell der Formplatte mit 3D-Spule a) und 2D-Spule b)

Problembeschreibung und Design

Die untersuchten Modelle bestehen aus einer quadratischen Formplatte mit 3 Kühlkanälen in einem Abstand von 10 mm von der Oberseite und zwei Induktionsspulen aus Kupfer mit einem Durchmesser von 8 mm. Bei beiden Ausführungen beträgt der Abstand von der Spule zur Formoberfläche 3 mm. Tabelle 1 enthält die detaillierten Abmessungen der einzelnen Komponenten.

Das Hauptziel dieser Analyse ist es, die Temperaturverteilung über die Formplatte für beide Konstruktionen zu berechnen, um eine bessere Temperatursteuerung während des Erwärmungsformprozesses zu erreichen.

Tabelle 1 - Abmessungen der Komponenten

3D-Spule
2D-Spule
Formplatte

Simulations-Setup

Der Induktionserwärmungsprozess wird im EMS mithilfe eines Wechselstrommagnetmoduls in Verbindung mit einer transienten Wärme simuliert. Es wird verwendet, um die Temperaturverteilung über der Zeit über die untersuchte Formplatte zu berechnen und zu visualisieren.
Der Simulationsaufbau besteht aus folgenden Schritten:

1. Wählen Sie die entsprechenden Materialien aus:

Tabelle 2 - Materialeigenschaften

Teil	Material	Dichte ( Kg/ )	Magnetische Permeabilität	Elektrischer Widerstand ( m )	Wärmeleitfähigkeit (W/mK)	Spezifische Wärmekapazität (J/Kg.K)
Spule	Kupfer (Cu)	8940	0,99	1.71 E-07	400	392
Schimmel	Rostfreier Stahl 420 (ISO 683/134)	7700	200	5.5 E-07	14	448

2. Elektromagnetische Eingänge:

Die Induktorspulen sind definierte Vollspulen (3D-Spule: 9 Windungen, 2D-Spule: 4 Windungen), die einen maximalen Strom von 1500 A eff und eine Frequenz von 75 kHz unterstützen.

3. Thermische Eingänge:

Die Formplatte wird mit einer Anfangstemperatur von 40 ° C vorgewärmt. Der Luftkörper wird bei einer Umgebungstemperatur von 25 ° C mit einem auf 10 W/m²K eingestellten Koeffizienten einer thermischen Konvektion ausgesetzt.

Ineinander greifen

Da sich die Wirbelströme meist in der Hauttiefe der Oberseite der Formplatte befinden, ist für genaue Ergebnisse eine kleine Maschenweite erforderlich. EMS ermöglicht die Verwendung einer Netzkontrollfunktion für Kanten, Flächen und Körper.
Abbildung 3 zeigt die Maschenmodelle mit zwei verschiedenen Maschensteuerelementen, die auf die Formplattenfläche angewendet wurden.

Ergebnisse

Für jedes Spulendesign ermöglichte EMS die Vorhersage und Visualisierung der Temperaturverteilung über die Oberseite der Formplatte nach zwei Sekunden Erhitzen. Höhere Temperaturzonen befinden sich bei Verwendung der 3D-Spule in der Mitte des Werkzeugs, was die experimentellen Ergebnisse bestätigt [1].
Im Gegensatz dazu werden im mittleren Bereich der Formplatte die niedrigsten Temperaturwerte für das zweite 2D-Spulendesign angezeigt. Folglich ist diese Temperaturverteilung für den Aufheizvorgang im Spritzgussbereich nicht ausreichend.

Abbildung 4 - Temperaturverteilung über die Formplatte für die 3D-Spule a). und 2D-Spule b) Design nach 2s Erhitzen.

Die folgende Abbildung zeigt die drei Messpositionen T1, T2 und T3 auf der Oberseite der Formplatte.

Die erhaltenen Simulationsergebnisse aus den drei Messpunkten zeigen, dass der Temperaturunterschied zwischen ihnen im 2D-Spulendesign höher ist als im 3D-Spulendesign. Es wird dann bestätigt, dass letzteres für die Steuerung der Formtemperatur durch Induktionserwärmung besser geeignet ist.
Von EMS erhaltene Simulationsergebnisse wurden in der Nähe der durch die Referenz angegebenen experimentellen Ergebnisse gefunden. Tabelle 3 zeigt einen Vergleich der EMS-Ergebnisse mit der Referenz [1].

Fazit

Die Auswahl des richtigen Spulendesigns zur einfachen Steuerung der Temperatur beim Spritzgießen wurde durch einen visuellen Vergleich der Temperaturverteilung mithilfe des EMS-Simulationstools erreicht. Letztere ermöglichten die genaue Modellierung, Analyse und Auswahl von verschiedenen Ausführungen von Induktionsheizspulen.

Verweise

[1]. Minh, Pham Son. "EFFECT OF 2D AND 3D COIL ON THE DYNAMIC MOLD TEMPERATURE CONTROL BY INDUCTION HEATING." Vietnam Journal of Science and Technology 52.4 (2014): 409.