KA05_08_Simulace_plneni_dilu_Prihradka - KKS

KA05_08_Simulace_plneni_dilu_Prihradka - KKS

Katedra konstruování strojƽ
Fakulta strojní
KϬ5ͲPLASTOVÉ1>z
Ϭ8ͲVSTŘIKOVACÍ FORMA
PŘIHRÁDKA - Simulace plnění
doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. a kolektiv
verze - 1.0
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem
a státním rozpoētem eské republiky
KA05.08 - Simulace plnění strana 1
Hledáte kvalitní studium?
Nabízíme vám jej na KatedƎe konstruování strojƽ
Katedra konstruování strojƽ je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západoēeské univerzitĢ v
Plzni a patƎí na fakultĢ k nejvĢtším. Fakulta strojní je moderní otevƎenou vzdĢlávací institucí
uznávanou i v oblasti vĢdy a výzkumu uplatŸovaného v praxi.
Katedra konstruování strojƽ disponuje modernĢ vybavenými laboratoƎemi s poēítaēovou technikou,
na které jsou napƎ. studentƽm pro studijní úēely neomezenĢ k dispozici nové verze pƎedních CAD
(Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systémƽ. LaboratoƎe katedry jsou ve všední dny
studentƽm plnĢ k dispozici napƎ. pro práci na semestrálních, bakaláƎských ēi diplomových pracích, i
na dalších projektech v rámci univerzity apod.
Kvalita výuky na katedƎe je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na
kterém se prƽbĢžnĢ, zejména po absolvování jednotlivých semestrƽ, podílejí všichni studenti.
V souēasné dobĢ probíhá na katedƎe konstruování strojƽ významná komplexní inovace výuky, v rámci
které mj. vznikají i nové kvalitní uēební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro
podporu výuky. Jeden z výsledkƽ této snahy máte nyní ve svých rukou.
V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na katedƎe také do spolupráce s pƎedními
strojírenskými podniky v plzeŸském regionu i mimo nĢj. \ada studentƽ rovnĢž vyjíždí na studijní stáže
a praxe do zahraniēí.
Nabídka studia na katedƎe konstruování strojƽ:
BakaláƎské studium (3roky, titul Bc.)
Studijní program
B2301: strojní inženýrství
(„zamĢƎený univerzitnĢ“)
B2341: strojírenství
(zamĢƎený „profesnĢ“)
ZamĢƎení
Stavba výrobních strojƽ a zaƎízení
Dopravní a manipulaēní technika
Design prƽmyslové techniky
Diagnostika a servis silniēních vozidel
Servis zdravotnické techniky
Magisterské studium (2roky, titul Ing.)
Studijní program
ZamĢƎení
N2301: Strojní inženýrství
Stavba výrobních strojƽ a zaƎízení
Dopravní a manipulaēní technika
Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz
Západoþeská univerzita v Plzni, 2013
ISBN
© doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D.
Ing. Eduard Müller
Ing. Miroslav Grach
KA05.08 - Simulace plnění strana 2
SIMULACE PLNĚNÍ DÍLU KA05-08 - PŘIHRÁDKA
•
•
•
Simulace byla provedena v softwaru Autodesk Moldflow Insight 2015
Díl byl převeden z formátu *.CATPart (Catia V5) do formátu *.STEP
Trajektorie jednotlivých kanálů byla převedena do formátu *.IGES
Základní informace o počítaném dílu
•
•
•
•
•
•
Typ sítě: 3D elementy (Tetraedry)
Počet elementů v simulaci: 3 933 127
Sekvence simulace: chlazení + plnění + dotlak + deformace
Materiál dílu: C3322T-M12 (PP+EPDM-T20), Shanghai PRET Composites Co Ltd
Vtok: systém horkého rozvodu 2 trysek, Ø ústí vtoku = 3mm
Materiál nástroje: ocel DIN 1.2343 (Bohler W300)
Vstřikovací parametry:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Čas plnění
Bod přepnutí na dotlak
Velikost dotlaku
Čas dotlaku
Teplota taveniny / trysek
Teplota chladícího média
Tlak chladícího média
Typ chladícího média
Čas chlazení
Vedlejší časy*
2s
99% zaplnění dutiny
85% z dosaženého vstřikovacího tlaku
12s
215°C
40°C
8bar
voda
33s
5s
*vedlejšími časy se rozumí: otevírání/zavírání nástroje, vyjímání dílu, zakládání insertů, apod.
KA05.08 - Simulace plnění strana 3
CHLADÍCÍ SYSTÉM
•
•
•
Chladící systém byl kompletně převzat z formy KA.05.08.
Chladící kanály byly navrženy tak, aby rovnoměrně chladily celý díl.
Chladící kanály byly navrženy v průměrech 8mm, 10mm a 16mm.
Chladící kanály Ø8 a Ø10mm
Chladící věže Ø10 a Ø16mm
Vtokový systém (horké trysky)
KA05.08 - Simulace plnění strana 4
PLNĚNÍ A DOTLAK - PLNĚNÍ
•
•
Postupné zobrazení charakteru plnění dutiny vstřikovacího nástroje v čase.
Dutina naplněná z 50% objemu se naplní za 1 s.
•
Dutina naplněná z 75% objemu se naplní za 1,4s.
KA05.08 - Simulace plnění strana 5
•
Celkový čas plnění pro 100% objem dutiny je 2,2s.
•
Tato analýza je důležitá pro odhalení vad (studené spoje, uzavírání vzduchu, místa posledního plnění =>
odvzdušnění v nástroji) – viz. následující stránky.
PLNĚNÍ A DOTLAK – STUDENÉ SPOJE
•
Vznik studených
spojů je dán
charakterem plnění
(viz. předchozí list).
•
Studené spoje mají
podobný charakter
jako svary. Jejich
mechanické
vlastnosti jsou silně
ovlivněny teplotou
na čele taveniny v
okamžiku spojení
proudů taveniny.
•
Pokud je studený
spoj situován v
místě mechanického
namáhání je nutné
tento spoj přemístit
pomocí designové
změny – kombinace
zesílení a zeslabení
tloušťky stěny
(změna tokového
poměru).
Studené spoje
KA05.08 - Simulace plnění strana 6
PLNĚNÍ A DOTLAK – UZAVŘENÍ VZDUCHU
•
•
V koutech a slepých tvarech dochází během vstřiku taveniny k uzavírání vzduchu. To může mít za následek
nedoplnění tvaru nebo degradaci povrchu plastu vlivem tzv. Diesel efektu (vzduch se rychlým stlačováním zahřívá
a na teplotu několika set °C).
Pro tato místa je nutné připravit ve vstřikovacím nástroji účinné odvzdušnění viz. KA05 Odvzdušnění (v místě
dělení tvarových vložek, pomocí vyhazovačů, apod.)
Uzavřený vzduch
KA05.08 - Simulace plnění strana 7
PLNĚNÍ A DOTLAK – TLAK PŘI PŘEPNUTÍ NA DOTLAK
•
•
Zobrazení rozložení tlaku v dutině vstřikovacího nástroje v okamžiku přepnutí z plnící fáze na dotlak (99% dutiny
je zaplněno taveninou).
Max. hodnota potřebného tlaku určuje velikost vstřikovací jednotky stroje, resp. max. tlak, který je stroj schopen
vyvinout. Nutno porovnat s doporučením výrobce vstřikovacího lisu.
Nezaplněná místa
PLNĚNÍ A DOTLAK – TEPLOTA NA ČELE TAVENINY
•
Průběh teploty na
čele taveniny v
okamžiku plnění.
Rozdíl teplot by
neměl být větší jak
20 °C (od
nastavené teploty
taveniny).
•
Při větším rozdílu
teplot může dojít k
předčasnému
ochlazení čela
taveniny a tím k
nedoplnění tvaru.
Teplota na čele
taveniny výrazně
ovlivňuje kvalitu
studených spojů.
•
Uvedený příklad je vyhovující (max. rozdíl teplot je 10.8 °C)
KA05.08 - Simulace plnění strana 8
PLNĚNÍ A DOTLAK – PRŮBĚH TLAKU
•
Časový průběh tlaku v místě přechodu mezi tryskou vstřikovacího stroje a vtokovým systémem formy. Kontrola
velikosti dotlaku => startovní tlak dotlaku = 85% max. vstřikovacího tlaku.
Max.
vstřikovací
tlak = 76MPa
85% tlak
– fáze
dotlaku
Fáze plnění
Fáze dotlaku
Fáze
odformování
dílu
Fáze chlazení
PLNĚNÍ A DOTLAK – UZAVÍRACÍ SÍLA
•
výpočet potřebné uzavírací síly vstřikovacího nástroje (bez bezpečnostní rezervy!).
•
Hodnota určuje velikost vstřikovacího stroje, resp. velikost uzavírací jednotky. (v případě poddimenzování dojde
při vstřiku k pootevření formy a následnému zástřiku taveniny do dělících rovin)
•
Z grafu vyplívá že maximální síla je při přechodu mezi fází plnění a dotlaku.
•
Maximální hodnota uzavírací síly je přibližně 533 tun (5 330 kN).
Výpočet potřebné uzavírací síly lisu:
FP
– uzavírací síla
Aproj – plocha průmětu výstřiku
2
Kf
pA
do dělící roviny [cm ]
– faktor schopnosti tečení
taveniny plastu [bar/mm]
– max. vstřikovací tlak v
dutině [bar]
KA05.08 - Simulace plnění strana 9
PLNĚNÍ A DOTLAK – HUSTOTA TAVENINY
•
Hustota polymeru se během vstřikovacího procesu mění (vlivem chladnutí taveniny), její zvyšující se hodnota je
důležitým ukazatelem délky působení dotlaku (zatuhnutí vtokového nálitku).
hustota taveniny: 0.903 g/cm
hustota plastu: 1.077 g/cm
3
3
(hodnoty byly převzaty z
materiálového listu daného
plastu)
PLNĚNÍ A DOTLAK – ČAS ODFORMOVÁNÍ
•
•
Udává dobu potřebnou k vychlazení vstřikovaného dílce na odformovací teplotu (závisí na použitém polymeru –
pro uvedený příklad = 119°C). Maxima se vyskytují v oblastech kolem vtokového ústí a v místech zesílení tloušťky
stěn.
Čas potřebný pro odformávání dílu je 47s.
KA05.08 - Simulace plnění strana 10
PLNĚNÍ A DOTLAK – TLAK
•
Zobrazení rozložení tlaku v dutině formy v průběhu plnící, dotlakové a chladící fáze (tlaková potřeba pro naplnění
dutiny formy). Max. hodnota potřebného tlaku určuje velikost vstřikovací jednotky stroje. Viz. kapitola Tlak při
přepnutí na dotlak.
PLNĚNÍ A DOTLAK – TLAK NA KONCI PLNĚNÍ
•
Maximální tlak na konci doby plnění viz. kapitola Tlak při přepnutí na dotlak.
KA05.08 - Simulace plnění strana 11
PLNĚNÍ A DOTLAK – SMYKOVÁ RYCHLOST
•
Nejvyšších hodnot smykové rychlost i dosahuje vstřikovaná tavenina ve vtokovém ústí. Nesmí přesáhnout hraniční
mez, která je specifická pro každý polymer (v našem případě 100000/s), jinak dochází k degradaci polymeru
(snížení užitných vlastností).
PLNĚNÍ A DOTLAK – TEPLOTA
•
•
•
Průběh teploty přes tloušťku stěny v čase. Pomocí tohoto výsledku lze nalézt místa s kumulací teploty, která
negativně ovlivňují výsledný čas cyklu.
Jsou to zároveň oblasti s největší tloušťkou stěny. Z hlediska rovnoměrného chlazení je potřeba tyto místa
eliminovat změnou designu nebo intenzivním chlazením.
Na tomto dílci se vyskytují jen lokální místa s kumulací teploty – Viz. kapitola Lunkry. Řešením tohoto problému je
možná úprava designu dílu.
KA05.08 - Simulace plnění strana 12
PLNĚNÍ A DOTLAK – VISKOZITA
•
•
Při postupném ochlazování taveniny vzrůstá hodnota viskozity. Pokud se hustota plastu ve vtokovém nálitku zvýší
natolik, že tavenina přestává téct, není možné již doplnit objemový úbytek plastu po plnění a dotlaková fáze
končí.
Je nutné, aby vtokový nálitek zatuhnul jako poslední. V tomto případě je viskozita vyhovující.
Koncový čas dotlaku 12s
viz. kapitola průběh tlaku
PLNĚNÍ A DOTLAK – LUNKRY
•
•
Vznikají v místech s nahromaděným materiálem. Polymer, který má vysoké objemové smrštění při přechodu z
liquidu do solidu, je ochlazován na stěně formy a smršťuje se k této stěně.
Lunkry, dutiny vakua, se tvoří v okamžiku, kdy smršťující se polymer odebere ze svého středu nadlimitní množství
materiálu (odstranění těchto vad je možné pouze úpravou designu – sjednocení tloušťky stěn).
Lunkry
KA05.08 - Simulace plnění strana 13
PLNĚNÍ A DOTLAK – ZATUHNUTÉ VRSTVY V PRŮBĚHU VSŘIKOVACÍHO CYKLU
•
Výsledek udává poměr zatuhlého polymeru v daném místě přes tloušťku stěny v čase. Okamžik zatuhnutí vtoku
nebo oblasti kolem vtoku, je signálem pro konec dotlakové fáze. V tomto případě 12s – viz. kapitola Viskozita.
Procento zatuhnutí stěny
0 – volná tavenina
1 – zatuhlý polymer
PLNĚNÍ A DOTLAK – PRŮMĚRNÉ OBJEMOVÉ SMRŠTĚNÍ (NA KONCI VSŘIKOVACÍ FÁZE)
•
•
Polymer při přechodu z liquidu (taveniny) do solidu vykazuje vysoké objemové smrštění.
Tento úbytek (v dutině formy) je nutno doplnit působením dotlaku. Optimální design dílu vykazuje rovnoměrné
objemové smrštění (pouze u neplněných plastů). V místech s vyšším smrštěním je nutný větší přídavek pro
následné korekce rozměrů (Důležité pro konstruktéry formy).
KA05.08 - Simulace plnění strana 14
CHLAZENÍ – TEPLOTA CHLADÍCÍCH KANÁLŮ
•
•
•
Rozdíl teplot chladícího média v jednotlivých kanálech by neměl přesáhnout 2 – 3°C (min. a max. teplota na
vstupu a výstupu). U paralelně zapojených kanálů je nutné zkontrolovat celou trasu kanálu, aby nedocházelo k
lokálnímu přehřátí.
Při překročení doporučené odchylky dochází ke snížení efektivity chladícího systému a tím k prodloužení chladící
fáze.
Navržený chladící systém vyhovuje.
CHLAZENÍ – PRŮTOK V CHLADÍCÍCH KANÁLECH
•
Vypočtené hodnoty slouží jako startovní údaje pro pozdější rozčlenění chladících kanálů do okruhů se stejným
nebo podobným průtokem. Důležité pro technologii při zapojení formy na temperační přístroje u lisu.
KA05.08 - Simulace plnění strana 15
CHLAZENÍ – TLAK V CHLADÍCÍCH KANÁLECH
•
Tlak potřebný k protlačení příslušného množství média chladícím kanálem (8 bar). Jeho maximální hodnota musí
být nižší než pracovní tlak temperačního zařízení. V opačném případě je nutné snížit průtočné množství média
nebo zvětšit průměr chladícího kanálu.
CHLAZENÍ – TEPLOTA NA POVRCHU DUTINY VSTŘIKOVACÍHO NÁSTROJE
•
Je patrná oblast s méně účinným chlazením, kde dochází k přehřátí. Eliminací (sjednocením teploty se zbytkem
dutiny) tohoto místa můžeme zkrátit výrobní cyklus. Nutný přívod chladícího média pomocí chladícího kanálu do
takto postiženého místa. Pokud je teplota pod hranicí odformovací teploty plastu (119°C), není nutná úprava
chladícího rozvodu.
KA05.08 - Simulace plnění strana 16
CHLAZENÍ – ÚČINNOST CHLADÍCÍCH KANÁLŮ
•
•
Tlak potřebný k protlačení příslušného množství média chladícím kanálem (8 bar). Jeho maximální hodnota musí
být, nižší než pracovní tlak temperačního zařízení.
V opačném případě je nutné snížit průtočné množství média nebo zvětšit průměr chladícího kanálu.
SMRŠTĚNÍ A DEFORMACE – CELKOVÁ
•
•
•
•
•
Výsledek udává výslednou celkovou deformaci dílu včetně smrštění.
Pro lepší vizualizaci je zobrazení deformace 10x zvětšeno (číselné hodnoty jsou nezměněny).
Tzv. „Skleněný model“ znázorňuje původní model.
Hodnoty deformace slouží jako kontrola správného přídavku na smrštění a deformaci v průběhu konstrukce dutiny
formy.
Odchylky od nominální hodnoty je nutné porovnat s tolerancemi na výkrese dílu. (Pro správné vyhodnocení
odchylek je nutné provést simulaci s modelem, který je zvětšen o smrštění).
KA05.08 - Simulace plnění strana 17
SMRŠTĚNÍ A DEFORMACE – ROZLOŽENÍ PODLE SMĚRŮ SOUŘADNÉHO SYSTÉMU X,Y,Z
•
•
•
•
Výsledky smrštění a deformace je možno rozdělit do jednotlivých směrů souřadného systému.
Tyto výsledky pomáhají k lepší identifikaci příčiny deformace v daném směru (např. vliv orientace skleněných
vláken a pod.).
Vizualizace deformace je 10x zvětšena.
Daný díl nevykazuje značné deformace omezující jeho funkci.
Deformace ve směru X
Deformace ve směru Y
Deformace ve směru Z
KA05.08 - Simulace plnění strana 18
doc. Ing. Martin Hynek Ph.D.,
Ing. Eduard Müller
Ing. Miroslav Grach͕
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a
státním rozpočtem České republiky v rámci projektu
č. CZ.1.07/2.2.00/Ϯϴ.0Ϭϱϲ „hŬĄnjŬŽǀĠǀljǀŽũŽǀĠƉƌŽũĞŬƚLJnjƉƌĂdžĞ
ƉƌŽƉŽƐşůĞŶşƉƌĂŬƚŝĐŬljĐŚnjŶĂůŽƐƚşďƵĚŽƵкЌƐƚƌŽũŶşĐŚŝŶǎĞŶljƌƽ“.
KA05.08 - Simulace plnění strana 19