ASPEKTY SYMULACJI WTRYSKU ELASTOMERÓW mgr inŝ. Jan Ziobro Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa w Sanoku Streszczenie Artykuł ma charakter przeglądowy, w którym dokonano przybliŝenia stosowania nowoczesnych narzędzi przeznaczonych do symulacji wtrysku elastomerów. W artykule podano modele reologiczne, jakie stosowane są w wymienionych oprogramowaniach oraz dokonano porównania jakościowego symulacji wypełnienia z modelem rzeczywistym. W pracy zawarto symulacje wypełnień, prezentując rozkłady czasu i temperatury wypełnienia tworzywem. W przeprowadzonym eksperymencie pokazano wpływ parametrów tulejki wtryskowej na ciśnienie wtrysku i siłę zwarcia formy. Summary The article has a review character, in which the introduction of applying modern tolls used to simulation of injection elastomers was made. In the article models of the rheology models were given. They are being used in exchange programs as well as to make comparison of qualitatively simulation of filling with real model. The paper contains simulation of filling, while presenting schedules of time and temperature of filling materials. In carried out experiment the influence of sprue bushing parameters on the injection pressure and mold clamping force was shown.
1. Wstęp Przed właściwym procesem projektowania formy naleŝy wykonać symulację numeryczną sprawdzającą stopień wypełnienia gniazda formy. W tym celu niezbędne są dane materiałowe, które naleŝy pozyskać, najlepiej z laboratorium dla konkretnego tworzywa lub baz materiałowych, np Campus [22,23,27]. W ostatnich latach powstało wiele narzędzi przeznaczonych do symulacji procesów wtryskowych. Zdecydowana większość z nich przeznaczona jest do symulacji tworzyw sztucznych. Na duŝo większą złoŝoność symulacji wtrysku elastomerów składają się, między innymi, takie zjawiska jak: sieciowanie, podwulkanizacja, utrata własności spręŝystych itp. Dlatego teŝ nie zawsze programy do symulacji tworzyw sztucznych nadają się do symulowania materiałów elastomerowych. Celem przeprowadzania symulacji wtryskowych są aspekty [11]: ekonomiczne (oszczędność materiału i czasu do 50[%], zmniejszenie liczby prototypów, minimalizacja siły docisku, zmniejszenie modyfikacji ustawczych), jakościowe (analiza skurczu i wypaczeń, odpowiedni system kanałków, określenie linii łączeń stopu, powstanie pęcherzy gazowych, wpływ wyboru miejsca wtrysku, itp.) 2. Przegląd wybranych programów stosowanych do symulacji procesu wtrysku 2.1. CADGUM, FILLCALC Pełną symulację zagadnień związanych z procesem wtrysku i wulkanizacji elastomerów sieciujących (gumy) moŝna przeprowadzić za pomocą takich programów jak: CADGUM, FILL- CALC [16]. Rozpatrują one przebieg i stopień sieciowania w dowolnym przekroju, podając jego rozkład na tzw. wykresach warstwicowych. Narzędzia te stosowane są w specjalistycznych ośrodkach badawczych zajmujących się zagadnieniami wulkanizacji elastomerów (gumy). 2.2. 3D-SIGMA Przykładem nowoczesnego podejścia do zagadnień symulacji wtrysku jest program 3D- SIGMA, który jest przeznaczony do trójwymiarowej symulacji wtrysku [15]. Program ten oparty jest na siatce trójwymiarowych elementów prostopadłościennych z wykorzystaniem metody róŝnic skończonych. Działanie tego narzędzia polega na rozwiązywaniu równania Navier a-stokes a. UmoŜliwia on symulacje tworzyw: termoplastycznych, termoutwardzalnych, elastomerów i gumy oraz metali i proszków metali. Uwzględnia, między innymi, efekty zawirowań płynięcia w formieoraz proces wulkanizacji gumy. Przykładem praktycznego wykorzystania tego programu jest analiza wypełnień komponentu termoutwardzalnego przy uŝyciu modelu Cross-Arrhenius [9]. Zastosowane parametry to: temp. formy 170[ o C], temp. masy 110[ o C], krzywa sieciowania. Krzywa ta jest wyznaczana na podstawie modelu Deng a-isayev a, głównie w zaleŝności od czasu i temperatury. W wyniku tego eksperymentu podano 95[%] wypełnienie oraz porównano efekty symulacji z modelem rzeczywistym, co przedstawiono poniŝej.
2.3. CADMOULD Program Cadmould jest równieŝ przeznaczony do symulacji i analizy wtrysku tworzyw sztucznych oraz gumy. Narzędzie to wykorzystuje modele geometryczne: objętościowe, powierzchniowe i typu midplane. Z pomocą tego programu moŝna symulować wpływ wyboru miejsca wtrysku na poziom zniekształceń wyprasek, co dotyczy głównie tworzyw sztucznych. UmoŜliwia on równieŝ symulację wypełnienia ciekłych elastomerów. Modele materiałowe zawarte w module Cadmould Rubber, wykorzystują reakcyjne modele materiałowe typu: Deng-Isayev, DIN 53529, Kamal. Modele te uwzględniają wpływ energii sieciowania, czasu reakcji, ciśnienia i temperatury. Podają one w formie wykresów wpływ czasu na stopień usieciowania wulkanizatu, co zaprezentowano poniŝej [3,4]. 1 NBR kauczuk nitrylowy Rozkład wypełnienia wulkanizatu NBR 1
Program ten jest stosowany w większych biurach konstrukcyjnych zajmujących się problematyką form wtryskowych. 2.4. MOLDEX3D Moldex3D, to nowy produkt do symulacji wtrysku, głównie tworzyw sztucznych. Ciekawą moŝliwością tego programu jest symulowanie napełnienia w dowolnej fazie. Działanie jego jest oparte na metodzie obliczania objętości skończonych FVM. Moldex3D pozwala na obliczanie i symulację wszelkich procesów zachodzących podczas wypełniania gniazda formy (czas cyklu, czas i punkt przełączania, temperatura i ciśnienie, odkształcenia, skurcz, czas i ciśnienie docisku, efekty chłodzenia itp.). UmoŜliwia symulację wtrysku: wieloskładnikowego, reakcyjnego, wspomaganego gazem. W odróŝnieniu od innych tego typu narzędzi, program ten pozwala na dostosowanie parametrów do wybranej uprzednio wtryskarki, co stanowi o jego większej dokładności obliczeniowej. Podstawowa baza zawiera ok. 1000 rodzajów wtryskarek i ponad 5500 rodzajów tworzyw [13]. MoŜe być stosowany do symulacji wypełnień części o bardzo złoŝonej geometrii. Program ten moŝe symulować geometrię przeniesioną z dowolnego systemu CAD. Liczba generowanych elementów analizy przekracza 1,5 [mln]. 2.5. POLYFLOW Jednym z bardziej skomplikowanych systemów, które moŝna wykorzystać do symulacji wtrysku tworzyw sztucznych oraz elastomerów jest pakiet POLYFLOW [25]. Dzięki niemu moŝna modelować przepływy 2D i 3D o dowolnej geometrii i stopniu złoŝoności (mieszanie, powlekanie, formowanie, rozszerzanie itp.) Stosowane modele obliczeniowe [18], to: newtonowskie (Newtona, Power-law, Birrda-Carreau, Binhama, Herschleya, Crossa, Doi a- Edwardsa, K.B.K.Z), róŝniczkowe lepkospręŝyste (Maxwella, Oldroyda-B, White a-metznera, Phan Thiena- Tannera,Giesekusa), całkowe lepkospręŝyste (Lodge a-maxwella, Doi a-edwardsa, K.B.K.Z). Narzędzie to uwzględnia równieŝ wpływ warunków zewnętrznych na efekty płynięcia oraz wypełnienia połączone ze złoŝonym procesem sieciowania. Ze względu na duŝy stopień złoŝoności tego programu jest on stosowany głównie w ośrodkach i instytutach badawczych. 2.6. MOLDFLOW PLASTIK ADVISERS (MPA) Program Moldflow Plastik Advisers jest równieŝ przeznaczony do symulacji procesów wtryskowych tworzyw sztucznych oraz zaawansowanych elastomerów. Zawiera wskazówki właściwego doboru punktów wtrysku, sposobu wyboru materiału do symulacji wypełnień oraz jego modyfikacji przez uŝytkownika. W wyniku symulacji otrzymuje się takie parametry jak: rozkład temperatury wypełnienia, spadki ciśnień, rozkłady jakości wypełnienia i orientacji włókien, miejsca powstawania pęcherzy powierza oraz linii łączenia stopu, deformacje i miejsca odkształceń, czas wypełnienia i czas cyklu, siłę zwarcia, efektywność chłodzenia i jego wpływ na wypraskę, obliczania kosztów. Plik pomocy programu Moldflow zawiera równieŝ informacje o budowie i rodzajach kanałków, reologii stopów, wykorzystywanych w modelach obliczeniowych (Cross-WLF, Tait, Carreau, Matrix), na podstawie których budowane są wykresy i przebiegi symulacji. Jest narzędziem bardzo popularnym i często wykorzystywanym w praktyce inŝynierskiej, między innymi dzięki duŝej funkcjonalności i prostocie jego uŝytkowania oraz moŝliwości automatycznego aktualizowania bazy materiałowej [14].
3. Eksperyment Podstawowe równania wykorzystywane w Moldflow [14]: domenowe Tait-a Współczynniki: b1m, b2m, b3m, b4m: Gdy T > Ttrans: V 0 = b 1m + b 2m (T - b 5 ) B(T) = b 3m exp[-b 4m (T-b 5 )] Współczynniki: b1s, b2s, b3s, b4s: Gdy T < Ttrans: V 0 = b 1s + b 2s (T - b 5 ) T rans (P) = b 5 + b 6 P B(T) = b 3s exp[-b 4s (T-b 5 )] Dla materiałów krystalicznych: V t (T,P) = b 7 exp((b 8 (T-b 5 )) -(b 9 P)) Model reologiczny Cross-WLF T * = D 2 + D 3 P Gdzie: V 0 -objętość właściwa przy ciśnieniu zero T -temperatura P -ciśnienie C -stała, 0.0894 B -współczynnik wraŝliwości materiału na ciśnienie b 5 -temp. przejścia, Ttrans, dla P=0 b 6 -liniowy wzrost w Ttrans przez ciśnienie -lepkość [Pa.s] -szybkość ścinania [1/s] T -temperatura [deg.k] P -ciśnienie [Pa] Nieznane: D 1,D 2,D 3,A 1,A 2,,N Model do badań został przygotowany w programie Inventor. Następnie dokonano konwersji modelu bryłowego na model powierzchniowy STL, akceptowany przez Moldflow. Ograniczeniem programu jest liczba węzłów -100 [tyś.] elementów typu triangles. Dokładność odwzorowania modelu powierzchniowego precyzuje poniŝsza zaleŝność [14], będąca kluczem redukcji modelu stl: c = m / (1000q) Gdzie: m - rozmiar modelu q - jakość części (0.1 1.0) rekomendowana 0.3 W obiekcie, jak na poniŝszym rysunku, badanymi wielkościami są: zmienna średnica stoŝka wlewowego oraz zmienny kat tego stoŝka.
d α PoniewaŜ średnice końcówek dysz wtryskowych są określone przez normę EUROMAP [24], rozwaŝania ograniczono do dwóch najczęściej uŝywanych średnic 6 i 8 [mm]. Celem tych poszukiwań jest uzyskanie takich parametrów układu wlewowego, które zapewnią otrzymanie najmniejszej siły zwarcia oraz najmniejszej wartości ciśnienia wtrysku, przy zachowaniu 100% wypełnienia. Te poszukiwane najmniejsze wartości rzutują w sposób bezpośredni na zmniejszenie poziomu obciąŝeń formy, a tym samym zmniejszają efekty deformacji. Parametrem wyjściowym jest temp. wtrysku 70 [ o C], temp. formy 170 [ o C] oraz uprzednio przygotowany model reologiczny wulkanizatu NBR o 60 [ o ShA]. Program Moldflow nie posiada w swej bazie takiego materiału, toteŝ zaistniała konieczność utworzenia takiego modelu reologicznego, za pomocą którego dokonano poniŝszych badań. Opis uzyskania wspomnianego modelu wykracza poza ramy tego artykułu, toteŝ ten krok został pominięty. Proces sieciowania tego wulkanizatu zachodzi w zakresie temp. 150 180 [ o C], poŝądanym jest uzyskanie 100% wypełnienia w tym zakresie, co pozwala na osiągnięcie jakościowego wyrobu. Praktyczne parametry płynięcia elastomeru (gumy) NBR stosowane w przemyśle dla tego typu obiektu są następujące: ciśnienie wtrysku p = 180 220 [MPa], temp. czoła płynięcia T = 150 210 [ o C], czas wypełnienia t = 12 16 [s] [1,2,6-9,20,23]. PoniŜsza tabela prezentuje wyniki tych badań Kąt stoŝka Średnica Ciśnienie wtrysku Siła zwarcia LP [deg] d [mm] [MPa] [ton] 1 3 8 193,85 182,83 2 4 8 192,81 165,75 3 5 8 188,29 155,01 4 6 8 232,61 209,49 5 7 8 356,93 483,21 6 8 8 237,23 189,16 7 3 6 208,05 206,07 8 4 6 200,83 159,59 9 5 6 232,87 178,91 10 6 6 203,13 182,96 11 7 6 201,89 181,89 12 8 6 191,93 157,07 Zakres temperatury: 110 170 [ o C] Czas wypełnienia: 14,14 14,50 [s]
PowyŜsze wyniki badań zaprezentowano za pomocą wykresów. Kąt stoŝka deg Średnica d mm Ciśnienie w trysku MPa Siła zw arcia ton Kąty [deg], Średnice d [mm] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 3 193,85 182,83 4 192,81 165,75 5 188,29 155,01 6 232,61 209,49 8 7 7 356,93 483,21 237,23 208,05 3 189,16 206,07 4 159,59 200,83 6 5 232,87 203,13 201,89 178,91 182,96 181,89 8 191,93 157,07 600 500 400 300 200 100 Siły [ton], Ciśnienia wtrysku [MPa] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Z powyŝszego wykresu wynika bardzo waŝna zaleŝność dla konstruktora formy. JeŜeli mamy do dyspozycji wtryskarkę z końcówką 8 [mm], to najmniejsze wartości obciąŝeń formy (ciśnienie wtrysku i siła zamknięcia) uzyskujemy stosując kąt stoŝka tulejki wtryskowej o wartości 5 [ o ]. Natomiast dla średnicy 6 [mm] otrzymujemy najmniejsze wartości obciąŝeń dla kąta stoŝka 8 [ o ]. Deformacje pochodzące od tych obciąŝeń mogą być przyczyną rozszczelnienia formy, co objawia się powstaniem wypływek oraz wad wyrobu [19]. Efekty symulacji numerycznych gałęzi mieszków wykonane w Moldflow dla mieszanki NBR przy zastosowaniu modeli Cross-WLF i domenowego Tait-a, zaprezentowano poniŝej. Symulacje te obejmują przypadek najbardziej korzystny, tzn. kąt stoŝka 5 [ o ], średnica tulejki wtryskowej 8 [mm]. 0 Czas wypełnienia w [s] Jakość wypełnienia, linie łączenia stopu (kolor czerwony) oraz pułapki powietrzne
Rozkład temperatury w [ o C] Spadek ciśnienia wtrysku w [MPa] 4. Podsumowanie Do wykonania powyŝszej analizy został wybrany program Moldflow, miedzy innymi ze względu na jego popularność oraz dostępność. Wykonana analiza symulacji wypełnienia wulkanizatu NBR, jak pokazują powyŝsze wykresy, mieści się w zakresach stosowanych w przemyśle. Podana analiza naleŝy do metod przybliŝonych. Dokładne dane co do warunków płynięcia i składu chemicznego mieszanek są niedostępne i stanową tajemnicę firm. Niejednokrotnie jest to objęte kilkuletnimi badaniami i testami. Podane rozwiązanie i zaleŝności dowiodły prawidłowości wypełnienia oraz umoŝliwią zmniejszenie kosztownych prób podczas testowania formy na wtryskarce. Zaprezentowane wyniki badań w postaci wykresów stanowią cenną informacje dla konstruktora. Na ich podstawie moŝe on wybrać prawidłowe rozwiązanie formy, zapewniając uzyskanie jakościowego wyrobu. 5. Bibliografia [1] B e l l a n d e r B. High Pressure Vulcanization. Crosslink of Diene Rubber Without Vulcanization Agents. Royal Institute of Technology Stockholm 1999. [2] B o t r o s. S. H. & K.B. Abdel-Nour. Preparation and characterization of butyl / NBR vulcanizates. Elsevier Polymer degradation and stability 62 (1998), s. 479-485. [3] Cadmould Rubber. User s Manuals. Simcon [4] Cadmould. User s Manuals. Simcon [5] D e K. Sadhan., J. R. White, 2001/2003, Rubber Technologist s Handbook Rapra Technology Limited, UK. Przekład: Poradnik technologa gumy. Instytut Przemysłu Gumowego STOMIL Piastów 2003. [6] G e o r g e J. et al. Dynamically vulcanized thermoplastic elastomers blends of polyethylene and nitrile rubber. Elsevier Polymer 41 (2000), s.1507 1517. [7] G h a e m i H. et al. On the development of compressible pseudo-strain energy density function for elastomers Part 1. Theory and experiment. Journal of Materials Processing Technology 178 (2006) s. 307 316. [8] J o h a n n a b e r F. Wtryskarki. Poradnik uŝytkownika. Plastech 2000. [9] K a l l i e n L. Optymalization of the Injection Moulding Process for Thermoplasts with 3D Simulation. Sigma Engineering GmbH, Aachen. [10] L a r s o n R.G. The Structure and Rheology of Complex Fluids. Oxford University Press. 1999
[11] Ł o k i eć A. Symulacje procesu wtrysku w oparciu o program Cadmould. www.mesco.com.pl. [12] M a l k i n A. Rheology Fundamentals. ChemTec Canada. 1994 [13] Moldex3D- nowy produkt do symulacji wtrysku tworzyw sztucznych. Mechanik nr 4/2006. [14] Moldflow Plastik Advisers v.6 Help. [15] S k o c z y l a s R. 3D-SIGMA program do trójwymiarowej symulacji wtrysku. Mechanik nr 4/2006. [16] S m o r a w ińsk i A. Wtrysk elastomerów. Plastech Warszawa 2001. [17] Ś l i w a W. i inni. Analiza numeryczna MES procesu wytwarzania wypraski z uwzględnieniem przetwórczych odkształceń skurczowych, jako przykład wymiany danych miedzy UGS Solid Edge v17, a wybraną aplikacją CAE. Mechanik nr 11/2005. [18] W i l c z yńsk i K. Reologia w przetwórstwie tworzyw sztucznych. WTN Warszwa 2001. [19] W i l k i n s o n R. i inni. Dziesięć podstawowych problemów występujących w technologii wtrysku. DuPont. [20] Y a n Hexian et al. Effect of nitrile rubber on properties of silica - filed natural rubber compounds. Elsevier Polymer testing 24 (2005) 32-38. [21] Z a w i s t o w s k i H., S. Zięba. Ustawianie procesu wtrysku. Plastech 2003. [22] www.campus.com [23] www.dwory.pl [24] www.euromap.org [25] www.fluent.com [26] www.hasco.com [27] www.matweb.com [28] www.narzędziownie.pl [29] www.plastech.pl [30] www.rapra.net