07. Nauka PTSz z Moldflow.

Transkrypt

1 "TOP-TECH" Działalność naukowo badawcza Sp. z o. o. NIP Bydgoszcz, ul. Garbary 2 (Pałac zabytkowy) tel./fax: (052) tel. kom.: , Nauka PTSz z Moldflow. Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością z siedzibą w Bydgoszczy Sąd Rejonowy w Bydgoszczy; XIII Wydział Gospodarczy Krajowego Rejestru Sądowego; Numer KRS: Zarząd: Halina Ferens-Budzyńska, Adam Budzyński Kapitał zakładowy: zł

2 Nauka PTSz z oprogramowaniem Moldflow. 1. Wstęp Wielokrotnie powtarza się, Ŝe błędy popełniane przez konstruktorów wyprasek i form wtryskowych wynikają najczęściej z bezgranicznego zaufania własnemu doświadczeniu i wyczuciu. Prowadzone prace konstruktorskie powinny być weryfikowane w oprogramowaniu do symulacji procesu wtrysku. Jednak bez doświadczenia projektowanie formy wtryskowej jest praktycznie niemoŝliwe. Dlatego teŝ oprogramowanie Moldflow jest bardzo często wykorzystywane do edukacji młodych pracowników. Otrzymują oni ogromną wiedzę, której zdobycie odbywa się praktycznie bez dodatkowych wydatków z punktu widzenia pracodawcy. Bez stosowania specjalistycznych programów komputerowych, porównywalne zasoby wiedzy zdobywa się latami i to z zastosowaniem najdroŝszej z moŝliwych metod: własnych prób i błędów popełnianych na kosztownych obiektach rzeczywistych. Edukacja powinna odbywać się na prostych, wyidealizowanych geometrycznie przykładach, aby obliczenia trwały względnie krótko, a otrzymane wyniki były moŝliwie czytelne, a wyciągnięte wnioski słuszne. Dla przykładu na rys. 1 przedstawiono dwie podobne wypraski. Wypraska z rys. 1a charakteryzuje się m.in. tym, Ŝe wartość grubości Ŝebra usztywniającego naleŝy do zakresu 60 80% grubości podstawy. Natomiast na rys. 1b przedstawiono model wypraski, której wszystkie ścianki (w tym Ŝebro) mają identyczną grubość. Zadanie młodego konstruktora polega na udzieleniu poprawnej odpowiedzi na następujące pytania: Czy obecność Ŝeber wpływa na deformacje wypraski?. Która wypraska jest zaprojektowana zgodnie z ogólnie panującymi zasadami przetwórstwa tworzy polimerowych (grubość Ŝebra powinna wynosić 60-80% ścianki podstawowej)?. Odpowiedź na pierwsze pytanie jest oczywista. Niestety na drugie pytanie błędnie odpowiadają nawet doświadczeni konstruktorzy. Symulując proces wtryskiwania wypraski o poprawnie dobranej grubości Ŝebra (patrz powyŝej) pojawiają się znaczące deformacje (rys. 1a). Jest to szczególnie waŝne dla wyprasek wykonanych z tworzyw częściowo-krystalicznych, a wynika ze zróŝnicowania czasu zestalania. W przypadku modelu wypraski o jednorodnej grubości wszystkich ścianek (rys. 1b) deformacje moŝna z pewnym przybliŝeniem uznać za pomijalnie małe. NaleŜy jednakŝe podkreślić, iŝ wypraska o takiej geometrii cechować się będzie nieestetycznymi zatonięciami (wciągami) wzdłuŝ Ŝebra - na licu przeciwległym do niego. Deformacje zostały przeskalowane poprzez powiększenie 20x.

3 a) b) Rys. 1 Deformacje dwóch podobnych wyprasek z róŝnie zaprojektowanymi Ŝebrami usztywniającymi. Z powyŝszego zadania wyciągnąć moŝna m.in. następujące wnioski: BranŜa przetwórcza cechuje się bogactwem zagadnień fizykochemicznych, wzajemnie ze sobą powiązanych. Wiele spośród tzw. zasad poprawnego konstruowania wyprasek opracowano wiele lat temu, często w czasach gdy symulacje procesu wtryskiwania były nieosiągalne dla przeciętnych firm z branŝy narzędziowo przetwórczej. Wobec powyŝszego, brak dystansu projektanta do tzw. typowych rozwiązań konstrukcyjnych (bez uwzględnienia indywidualnego kształtu wypraski) w połączeniu ze świadomą rezygnacją ze stosowania specjalistycznych narzędzi numerycznych - moŝe skutkować wieloma wysoce kosztownymi poprawkami form wtryskowych. Dzięki wykorzystaniu oprogramowania Moldflow kaŝdy inŝynier zaangaŝowany w proces projektowania wypraski oraz formy wtryskowej moŝe elastycznie kształtować zapis konstrukcji ww. obiektów (np. optymalizować geometrię układu chłodzenia), aby jakość wytwarzanego detalu była jak najwyŝsza. Ze względu na fakt, Ŝe dokładność geometrii wyprasek jest częstą przyczyną poprawek form wtryskowych - temat deformacji będzie kontynuowany w niniejszym opracowaniu. 2. Od czego zaleŝą deformacje wyprasek??? a) Budowa wewnętrzna tworzywa polimerowego. Jednym z najwaŝniejszych czynników wpływającym na deformacje wyprasek jest budowa wewnętrzna zastosowanego tworzywa polimerowego. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe wypraski z tworzyw częściowo-krystalicznych cechują się znacznie większymi tendencjami do powstawania deformacji, niŝ wypraski wykonane z tworzyw amorficznych. Na rys. 2 przedstawiono porównanie deformacji wypraski wykonanej z tworzywa częściowo-krystalicznego (PP) i amorficznego (PS). Deformacje zostały przeskalowane poprzez powiększenie 20x. Dodatkowo na wielkość oraz charakter zaistniałych deformacji w istotny sposób wpływa fakt stosowania wypełniaczy, ich rodzaju i procentowego udziału w granulacie. Dla przykładu, dodatek włókna szklanego powoduje zwiększenie ukierunkowania budowy wewnętrznej wypraski i charakteru skurczu anizotropowego.

4 a) b) Rys. 2. Porównanie deformacji wyprasek wykonanych z: a) tworzywa częściowokrystalicznego (PP), b) tworzywa amorficznego (PS). b) Grubość ścianki wypraski. Kolejnym czynnikiem wpływającym na deformacje jest grubość ścianki wypraski. Ma to szczególne znaczenie dla tworzyw częściowo-krystalicznych. Od grubości ścianki wypraski zaleŝy przebieg procesu zestalania. W przypadku niewielkich grubości ścianek tworzywo pokonuje wysokie opory przepływu. Struktura wewnętrzna łańcuchów polimerowych jest wysoce ukierunkowana. Powoduje to nasilanie się anizotropowego charakteru skurczu. Ze względu na krótki czas zestalania średnia wartość skurczu lokalnego dla całej wypraski posiada względnie niską wartość, ale napręŝenia pozostałe po procesie są wysokie, powodując znaczący skurcz wtórny. Mała grubość płynnego rdzenia wypraski uniemoŝliwia skuteczny docisk. Na rys. 3 przedstawiono porównanie deformacji wyprasek o róŝnych grubościach ścianek: 1mm (rys. 3a) i 3mm (rys. 3b). Wypraska o mniejszej grubości ścianki wykazuje znacznie większe tendencje do deformacji. Deformacje zostały przeskalowane poprzez powiększenie 20x. a) b) Rys. 3. Porównanie deformacji wyprasek o róŝnych grubościach ścianek: a) grubość ścianki 1mm, b) grubość ścianki 3mm. c) Kształt wypraski. Kolejnym czynnikiem wpływającym na dokładność wypraski jest jej kształt. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe nawet przy obecnej złoŝoności kształtu wyprasek, ich geometrię moŝna podzielić na odpowiednie składowe, np. dno wypraski, korpus, Ŝebra usztywniające, rowki montaŝowe. Cechy te w charakterystyczny dla siebie sposób wpływają na przebieg procesu wypełnienia i zestalania, przez co w efekcie końcowym decydują o wartości deformacji.

5 MoŜna stwierdzić, Ŝe ostateczny kształt wypraski jest sumą geometrii jej cech składowych. Wobec tego, działania zmierzające do zminimalizowania deformacji naleŝy rozpocząć od badań tendencji wypaczeń korpusu, a następnie stopniowo rozbudowywać geometrię analizowanego wyrobu o jej kolejne cechy. Na rys. 4 przedstawiono przykład rozbudowywania prostej geometrii o kolejne cechy. Efektem powyŝszego jest stopniowe zbliŝanie się uzyskanego kształtu modelu do kształtu rzeczywistego wyrobu. Działania te mają na celu minimalizację deformacji wypraski, poprzez badanie deformacji modelu na kaŝdym etapie jego rozbudowy o kolejne cechy. Kolejność prowadzenia ww. badań wpływu określonych cech na deformację modelu jest następująca: Badanie wpływu geometrii denka (rys. 4a). Badanie wpływu obecności ścianek bocznych (rys. 4b). Badanie wpływu obecności Ŝebra usztywniającego (rys. 4c obszar I). Badanie wpływu obecności rowka montaŝowego (rys. 4d obszar II). Zastosowanym tworzywem jest polipropylen (częściowo-krystaliczny). a) b) c) d) I II Rys. 4. Poszczególne etapy rozbudowy badanej geometrii, celem jej zbliŝenia do kształtu wypraski: a) denko, b) dodano: ścianki boczne cylindryczne, c) dodano: pochylenie ścianek, wycięcie, Ŝebro, d) dodano: rowek montaŝowy. W pierwszym kroku przeprowadzono dyskusję na temat wpływu kształtu dna wypraski na wielkość i rodzaj deformacji. W celu usunięcia równowagi sił powodujących deformacje wprowadzono wycięcie kątowe, które w Ŝaden sposób nie zakłóca procesu wypełnienia i znacznie pomaga w interpretacji otrzymanych wyników.

6 Denko cienkościenne (rys. 5a) o stałej grubości ścianki (1mm) wykazuje względnie duŝą wartość deformacji o charakterze anizotropowym. Uwagę zwraca przyrost wartości kąta rozchylenia wprowadzonego wycięcia. Wartość skurczu narasta wraz z promieniem krąŝka (rys. 5b). Deformacje denka w zauwaŝalny sposób wpływają na deformacje kompletnej wypraski. Następnie przeprowadzono symulację wtryskiwania denka w kształcie wypukłej soczewki (rys. 5c). Wprowadzone zmiany geometryczne są praktycznie niezauwaŝalne dla ludzkiego oka, lecz istotnie wpływają na przebieg procesu zestalania wypraski i minimalizują wartość deformacji. Rozkład skurczu lokalnego całej wypraski jest równomierny (rys. 5d). a) c) b) Rys. 5. Dyskusja na temat wpływu kształtu denka na jego deformacje: a) deformacje denka cienkościennego o stałej grubości ścianki 1mm, b) rozkład skurczu lokalnego wypraski o grubości ścianki 1mm, c) deformacje denka soczewkowego, d) rozkład skurczu lokalnego denka soczewkowego. MoŜna załoŝyć, iŝ omawiane zagadnienie nie występują w przypadku większości wyprasek grubościennych. W kroku kolejnym przeanalizowano tendencje deformacji korpusu walcowego. Deformacje korpusów mają największy udział w całkowitym wypaczeniu wyprasek. Na rys. 6 przedstawiono skrajnie róŝne tendencje deformacji trzech podobnych konstrukcyjnie korpusów walcowych (φ=100mm, wysokość 50mm). RóŜnice polegają na grubościach poszczególnych ścianek. Wyniki przeskalowano poprzez powiększenie 20x. Na rys. 6a przedstawiono wypraskę o małej wartości grubości ścianki (1mm), która jest stała dla całej wypraski. Wypraska wykazuje wysokie tendencje do deformacji, które polegają na wybrzuszaniu dna (I) i obciskaniu ścianek pionowych na stemplu (II).

7 Wypraska z rys. 6b charakteryzuje się względnie wysoką wartością grubości ścianki (3mm). Stwierdzono, iŝ deformacje praktycznie nie występują. Skurcz jest równomierny. Na rys. 6c przedstawiono wypraskę walcową o zróŝnicowanej grubości. Ścianki pionowe mają 1mm grubości, denko 2mm. Ścianki pionowe podobnie jak w przypadku 6a będą powodowały obciskanie się na stemplu, jednak denko nie ulega deformacjom (III). II a) b) c) I III Rys. 6. Porównanie skrajnie róŝnych tendencji deformacji trzech podobnych konstrukcyjnie korpusów walcowych: a) wypraska cienkościenna o stałej grubości ścianki 1mm, b) wypraska grubościenna o stałej grubości ścianki 3mm), c) wypraska o zróŝnicowanej grubości ścianek: denko 2mm, ścianka pionowe: 1mm. NaleŜy zwrócić szczególną uwagę na fakt, iŝ niewielkie zmiany w budowie wypraski (tj. takie, które trudno wykryć okiem nieuzbrojonym, a takŝe takie, które nie wpływają na funkcjonalność wyrobu) mogą prowadzić do skrajnie róŝnych deformacji. Sytuację taką moŝna zauwaŝyć równieŝ w przypadku innych typów korpusów wyprasek. Na rys. 7, 8, 9 przedstawiono skrajnie róŝne tendencje deformacji wizualnie podobnych par korpusów, róŝniących się jednak pod względem konstrukcyjnym. Przedstawione wyniki symulacji przeskalowano poprzez powiększenie 20x. Są to korpusy o następujących kształtach: Prostopadłościenne (rys. 7), Ceowe (rys. 8), Rynnowe (rys. 9). a) b) Rys. 7. Skrajnie róŝne tendencje deformacji dwóch wizualnie podobnych korpusów prostopadłościennych.

8 a) b) Rys. 8. Skrajnie róŝne tendencje deformacji dwóch wizualnie podobnych korpusów ceowych. b) a) Rys. 9. Skrajnie róŝne tendencje deformacji dwóch wizualnie podobnych korpusów rynnowych. Dzięki zastosowaniu oprogramowania Moldflow uŝytkownik moŝe dokładniej poznać zjawiska, które rządzą deformacjami wyprasek i skutecznie je usuwać. W kroku kolejnym przeprowadzono dyskusję na temat wpływu Ŝeber usztywniających na deformacje wyprasek. śebra usztywniające projektowane zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami przetwórstwa tworzyw polimerowych (60 80% grubości ścianki rodzimej) są pocienieniami grubości ścianki wypraski. Ze względu na róŝnice w czasie zestalania, powodują wyginanie wypraski. Będzie to szczególnie zauwaŝalne w przypadku wyprasek z tworzyw częściowo-krystalicznych. śebra usztywniające posiadające identyczne grubości, co ścianka podstawowa powodują jednakŝe powstawanie nieestetycznych zatonięć. Rozwiązaniem powyŝszego problemu (dylematu) jest odpowiednie zaprojektowanie układu chłodzącego dla wypraski, w przypadku której grubość Ŝeber naleŝy do przedziału 60 80% grubości ścianki rodzimej. Cel ten moŝna szybko osiągnąć z zastosowaniem specjalistycznego narzędzia CAE, jakim jest system Moldflow. Na rys. 10 przedstawiono tendencje deformacji dwóch wyprasek. W przypadku a Ŝebro zostało zaprojektowane zgodnie z zasadami przetwórstwa tworzyw polimerowych. W przypadku b grubości Ŝebra jest identyczna z grubością ścianki rodzimej. Poprawnie zaprojektowane Ŝebro powoduje wyginanie wypraski wypukłością ku sobie. Wyniki symulacji przeskalowano poprzez powiększenie 20x.

9 a) b) Rys. 10 Porównanie tendencji deformacji dwóch podobnych wyprasek, z róŝnie zaprojektowanymi Ŝebrami usztywniającymi. Na rys. 11 przedstawiono badaną wypraskę w dwóch wariantach: z Ŝebrami usztywniającymi (rys. 11a) oraz bez nich (rys. 11b). Analogicznie do powyŝszego przykładu Ŝebro powoduje powstawanie dodatkowych deformacji, co przedstawiono na rys. 11b obszar I. Wyniki symulacji przeskalowano poprzez powiększenie 20x. a) b) I Rys. 11 Porównanie tendencji deformacji dwóch podobnych wyprasek: a) bez Ŝeber usztywniających, b) z Ŝebrami usztywniającymi. W kroku ostatnim przeprowadzono dyskusję na temat wpływu rowków montaŝowych na deformacje wyprasek. Z punktu widzenia funkcjonalności wyrobu, rowki montaŝowe i Ŝebra usztywniające są niezbędne. Mimo to, ich obecność w strukturze wyrobu wpływa negatywnie na przebieg procesu zestalania: powoduje zróŝnicowanie czasu zastygania, a co za tym idzie skurczu lokalnego i w konsekwencji deformacje wypraski. Na rys. 12 przedstawiono deformacje podobnych wyprasek: z rowkiem montaŝowymi (rys. 12a) i bez niego (rys. 12b). Wypraska z rowkiem montaŝowym wykazuje silne deformacje w rejonach jego występowania (rys. 12b - obszar I). Wyniki symulacji przeskalowano poprzez powiększenie 20x.

10 a) b) I Rys. 12 Porównanie tendencji deformacji dwóch podobnych wyprasek: a) bez rowka montaŝowego, b) z rowkiem montaŝowym. Na rys. 13 przedstawiono deformacje i rozkład skurczu lokalnego wypraski o nieskomplikowanym kształcie, z rowkiem montaŝowym. Skurcz lokalny ścianki o większej grubości (I) posiada duŝo większa wartość od skurczu obszarów wypraski tworzących rowek (II). Ze względu na opisane powyŝej zróŝnicowanie skurczu, wypraska wygina się w kierunku rowka. a) b) I II Rys. 13. Porównanie wpływu równomierności rozkładu skurczu lokalnego na deformacje wypraski: a) zdeformowany model wypraski, b) rozkład skurczu lokalnego.

11 d) Budowa układu chłodzącego. Kolejnym czynnikiem wpływającym na deformacje wypraski jest budowa układu chłodzącego, który powinien zapewniać równomierny odbiór ciepła. Na rys. 14 przedstawiono deformacje wypraski w kształcie płytki kwadratowej z chłodzeniem równomiernym (rys. 14a) i chłodzeniem umieszczonym tylko w części stemplowej formy (rys. 14b). Uzyskane wyniki przeskalowano poprzez powiększenie 20x. a ) b ) Rys. 14. Deformacje wypraski o nieskomplikowanym kształcie uzaleŝnione od budowy układu chłodzącego: a) chłodzenie równomierne po stronie matrycowej i stemplowej, b) chłodzenie wyłącznie w części stemplowej. e) Lokalizacja punktu wtrysku. Ostatnim opisywanym czynnikiem wpływającym na deformacje wypraski jest lokalizacja punktu wtrysku. Od niego to zaleŝy przebieg procesu wypełniania i zestalania. Na rys. 15 przestawiono porównanie deformacji płytki prostokątnej z punktem wtrysku umieszczonym na krawędzi wypraski (rys. 15a) oraz w środku rozpatrywanej ścianki.

12 a) b) Rys. 15 Deformacje wypraski uzaleŝnione od lokalizacji punktu wtrysku a) punkt wtrysku na krawędzi wypraski, b) punkt wtrysku w środku wypraski. Michał Bachan Kierownik Działu Mold Design & Analysis mobile: (+48) michal.bachan@top-tech.us tel./fax: (+4852) ul. Garbary 2, Bydgoszcz NIP PL Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością z siedzibą w Bydgoszczy Sąd Rejonowy w Bydgoszczy XIII Wydział Gospodarczy Krajowego Rejestru Sądowego, Numer KRS: Kapitał zakładowy: zł