guide to authors preparing camera ready papers for the

POČÍTAČOVÁ SIMULACE PLNĚNÍ DUTINY VSTŘIKOVACÍ FORMY
SVOČ – FST 2015
Ing. Eduard Müller,
Západočeská univerzita v Plzni,
Univerzitní 22/FST/KKS, 306 14 Plzeň
Česká republika
ABSTRAKT
Tato práce pojednává o vstřikování plastu do dutiny formy. Forma slouží pro výrobu plastového víka popelnice. Práce
se soustředí na vstřikování plastu z polypropylenu ve dvou variantách. První varianta obsahuje polypropylen bez přidání
skelných vláken. Druhá varianta počítá s obsahem 30% skelných vláken v polypropylenu. Tyto dvě varianty jsou vůči
sobě porovnány a zhodnoceny.
KLÍČOVÁ SLOVA
Plastová forma, simulace, vstřikování.
ÚVOD
Cílem této výpočtové zprávy je ukázat hlavní kroky nastavení simulace vstřikování plastového dílu a tomu odpovídající
výstupy analýzy kompletního procesu vstřikování. Hlavním úkolem simulace vstřikování je zejména posouzení
vyrobitelnosti navrženého vstřikovaného dílu, doporučení vhodného umístění vtoků a predikce výsledného smrštění,
deformací a zbytkových napětí dílu pro navržené technologické parametry výrobního procesu. Ve zprávě budou
porovnány výsledky analýz pro různé způsoby reprezentace dutiny vstřikovací formy pomocí 3D sítě při stejném
nastavení parametrů simulovaného výrobního procesu. Pozornost bude věnována v nemalé míře i materiálové databázi a
možnostem simulace vstřikování materiálů s plnivy, zejména pak skelných vláken. Jako vzorový model posloužilo víko
popelnice, které je vyráběno nejčastěji z polypropylenu (PP), ať již samotného či vyztuženého skelnými vlákny.
Výpočet vznikl ve výpočtovém prostředí softwaru Solidworks Plastics.
Obrázek 1: Vstřikovaný díl
DEFINOVÁNÍ PARAMETRŮ PRO VÝPOČET
Pro správnou analýzu je vždy nutné určit parametry, které výpočet posunou nejblíže k realitě. Ještě než přejdeme
k prezentaci výsledků jednotlivých variant, je namístě uvést, že Solidworks Plastics disponuje velmi obsáhlou
materiálovou databází. Po volbě materiálu jsou v systému automaticky přednastaveny všechny materiálové a
technologické parametry na doporučené hodnoty. Uživatel tak není odkázán na volně dostupné materiálové listy, které
obsahují více či méně omezený počet materiálových a procesních parametrů. Pro náš výpočet byly zvoleny materiály
HOSTACOM CR1171G bez přidaných skelných vláken a materiál CELSTRAN PP GF30 s hmotnostním podílem
skelných vláken ve výši 30%. Oba materiály jsou na bázi polypropylenu.
Pokud nemáme k dispozici výrobní list podobného výrobku, spouštíme první analýzy s nastavením na základě
automaticky nastavených doporučených procesních hodnot, které můžeme podle potřeby upravit (viz obr. 1).
Obrázek 2: Nastavení parametrů
Konkrétně pro polypropylen je doporučováno držet hodnotu dotlaku na úrovni blížící se maximální hodnotě
vstřikovacího tlaku a jen pozvolna tuto hodnotu snižovat, abychom kompenzovali objemové smrštění materiálu při
postupném chladnutí až do okamžiku, než zatuhnou přístupové cesty ke vzdáleným oblastem dutiny či vtokové ústí.
Příklad časového profilu dotlaku pro polypropylen je uveden na obr. 2 vlevo.
Systém nabízí možnost odhadu doporučené polohy vtoku nebo více vtoků na základě velmi rychlé (řádově sekundy
trvající) analýzy geometrie dutiny metodou minimalizace délek tokových drah. Pro náš analyzovaný díl je toto
doporučené umístění vtoku zobrazeno na obr. 2 vpravo.
Obrázek 3: Nastavení dotlaku (vlevo) a umístění vtoku (vpravo)
Materiálové charakteristiky pro zvolený materiál HOSTACOM CR1171 G bez vláken a materiál CELSTRAN PP GF30
s 30% podílem skelných vláken jsou uvedeny v obr. 3 a v obr. 4.
Obrázek 4: Nastavení parametrů pro výpočet s
materiálem HOSTACOM
Obrázek 5: Nastavení parametrů pro výpočet s materiálem
CELSTRAN
Při takto nastavených parametrech je nutné importovaný model opatřit výpočtovou sítí. Tato výpočtová síť je složená
z mnoha elementů, slouží pro vytvoření výpočtového 3D modelu. Výpočtové elementy byly zvoleny tetraedry obr č. 5.
Obrázek 6: Výpočtová síť
VÝPOČTOVÁ ANALÝZA JEDNOTLIVÝCH VÝSLEDKŮ
Čas plnění
Po ukončení výpočtu dostáváme výsledky z jednotlivých analýz. První porovnání provádíme u plnění dutiny formy.
Konečný čas plnění pro materiál HOSTACOM je 3,2s a materiál CELSTRAN GF30 je 2,9s. Rozdíl mezi časy je 0,3s.
Pozoruhodný je čas plenění u materiálu CELSTRAN GF30. Jeho čas plenění je o 0,3s rychlejší, než materiál bez
skelných vláken. Tento jev je ovlivněn diagramem smykové rychlosti a viskozity z obrázku 3 a 4. Z diagramu můžeme
vyčíst hodnotu viskozity materiálu HOSTACOM při 190 ºC je lehce nad 1000 Pa.s u materiálu CELSTRAN je hodnota
v polovině rozmezí 1000[Pa.s] až 3162[Pa.s]. Tyto hodnoty jsou závislé na teplotě viz. diagramy na obr. 3 a 4. Na
základě toho můžeme usoudit, že materiál CELSTRAM GF30 bude mít kratší čas plnění. Analýza toto tvrzení
prokázala.
Obrázek 7: Čas plnění materiálu HOSTACOM
Obrázek 8: Čas plnění materiálu CELSTRAN GF30
Tlak na konci plnění a změna polohy vtoku
Při této simulaci byly zjištěny hodnoty rozložení plnícího tlaku. Obě analýzy vykazují nerovnoměrné rozložení tlaku
vstřiknutého plastu do dutiny formy na konci fáze plnění. Největší hodnota tlaku je soustředěná u vtokové části.
Materiál HOSTACOM má maximální hodnotu tlaku 26,3MPaviz obr. 8 a materiál CELSTRAN GF30 viz obr. 9 je na
hodnotě 17,8MPa. Rozdíl mezi oběma výsledky je 8,5Mpa. Pro zlepšení rozložení tlaku byla provedena změna pozice
vtoku směrem blíže k pantům. Tento způsob změny polohy pozice vtoku byl aplikován pouze na Materiál CELSTRAN
GF30.
Obrázek 10: Hodnota tlaku na konci plnění HOSTACOM
Obrázek 9: Hodnota tlaku na konci plnění CELSTRAN GF30
Při posunutí blíže k pantům se díky přítomnosti značky recyklace vyskytuje lokální zesílení tloušťky stěny. Takovéto
umístění by bylo vhodné i z hlediska přispění k zamezení předčasného zamrznutí vtokového ústí. Díky změně polohy
jsem dosálhly rovnoměrnějšího rozložení tlaku, jak je patrné z obrázku č. 10 a zároveň snížení hodnoty tlaku o 1MPa.
Obrázek 11: Změna polohy vtokového ústí
Smrštění plastu
Při chladnutí dochází ke smrštění plastu. Finální výrobek se deformuje do finálního tvaru. Díky této analýze jsme
schopni vytvořit dutinu formy v potřebném měřítku tak, aby výsledná deformace neovlivnila finální tvar požadovaného
produktu. Smrštění u materiálu HOSTACOM je 2,3mm s maximálním posunutím vůči výchozímu stavu. Materiál
CELSTRANN s 30% skelným vláken má maximální smrštění 1,5mm. Menší smrštění u materiálu CELSTRANN GF30
je dán skelnými vlákny, které zesílí celou strukturu materiálu.
Obrázek 13: Smrštění materiálu HOSTACOM
Obrázek 12: Smrštění materiálu CELSTRANN GF30
Orientace skelných vláken
Díky analýze směru toku vektorových rychlostí můžeme predikovat orientaci skelných vláken v dané materiálové
struktuře. Tato analýza napomáhá k určování rizikových oblastí, které by mohli z hlediska mechanického namáhání
zapříčinit poškození výrobku. Špatná orientací vláken ovlivní celou materiálovou struktůru a má za následek degradaci
mechanických vlastností výrobku. Z obrázku 13 je oblast okolo pantů rizikovým místem na nahodilou orientaci
skelných vláken. Díky tomu může být tato oblast náchylnější k poškození. Doporučení pro změnu orientaci směru
vláken je změna polohy vtokového ústí, vložení případných retardérů nebo změna tvaru produktu. Změna tvaru výrobku
je vždy nutné konzultovat s designérem výrobku.
Obrázek 14: Orientace skelných vláken
ZÁVĚR
Tato práce pojednává o analýze vstřikování plastů do dutiny formy. Pro počítačovou simulaci byly zvoleny dva typy
materiálů na bázi Polypropylenu. První materiál je HOSTACOM CR1171G bez přidaných skelných vláken a druhý je
materiál CELSTRAN PP GF30 V práci jsou komentovány výsledky analýz času plnění, tlaku ve fázi konci plnění,
smrštění plastu a orientaci skelných vláken. Takovéto numerické simulace jsou velice nápomocné konstruktérům forem.
Na základě zjištěných výsledků z různých analýz se konstruktér formy může vyhnout případným konstrukčním
problémům. Při návrhu vstřikovacích forem je nutná spolupráce konstruktéra formy s výpočtářem vstřikovacího
procesu. Jejich spolupráce ovlivní celkové náklady na vyráběný produkt.
LITERATURA
[1] Shen, J.: Design and Molding Simulation of a Plastic Part. Rensselaer Polytechnic Institute Hartford,
Connecticut.2010.
[2] Solidworks Plastics material data warehouse