Сайт И.А. Барвинского
 

    Перейти в раздел:    
Все публикации

Предыдущая страница:
Расчет необогреваемых литниковых систем

Следующая страница:
Влияние разнотолщинности на качество литьевых изделий

  

Применение компьютерных технологий для оценки процесса литья пластмасс

Барвинский И.А., Барвинская И.Е.

Доклад на межд. науч.-практ. конф. «Полимерные материалы XXI века». 8-9 ноября. -М. 2006 г. Препринт.  

Скачать этот текст в pdf-формате (176 кБ) 

 

     Разработка методов моделирования процесса литья термопластов для реальных изделий является одним из актуальных направлений современной науки. Использование концепции сплошной среды /1/ и фундаментальных законов механики и термодинамики позволило получить математические модели всех стадий процесса литья. 
     Точное решение системы уравнений, описывающих, например, стадию впрыска, можно найти только для одномерного течения расплава в канале с простой геометрией при целом ряде принципиальных упрощений /2-3/. Применение такого подхода к литьевым изделиям, отличающихся сложностью и разнообразием конфигураций, в общем, является недостаточно эффективным. 
     Современный компьютерный анализ литья пластмасс – совокупность численных методов приближенного решения систем уравнений, описывающих стадии процесса литья на моделях, геометрия которых приближена к геометрии реальных изделий. Эти методы оказались успешными с точки зрения точности получаемых оценок при приемлемой стоимости расчетов. Благодаря своим успехам компьютерный анализ оформился в важный раздел современной промышленности.
     Необходимым условием получения корректных результатов в компьютерном анализе является учет особенностей используемых моделей изделия, материала и процесса, параметров литьевого оборудования. В данном докладе мы хотим остановиться на этом вопросе.
     По мере развития методов компьютерного анализа литья термопластов были разработаны несколько подходов (1
D, 2D и 3D), использующих различные типы моделей процесса /4/. В этих подходах применяются различные типы моделей отливки и, соответственно, различные способы их диагностики и корректировки, алгоритмы расчетов, способы вывода результатов. В конкретных коммерческих программных продуктах обычно используется один из подходов. 
     1D-подход (по историческим причинам он часто называется 2D-анализом) базируется на концепции «потока». В этом подходе применяется модель одномерного неизотермического течения сжимаемого расплава. Данный подход позволяет определить потери давления на стадии заполнения и рассчитать важнейшие характеристики полимера: температуру, скорость и напряжение сдвига и др. Он также позволяет автоматически решить некоторые оптимизационные задачи (оптимизация скорости впрыска, балансировка потоков) /5-6/. 
     1D-подход оказывается «нечувствительным» к некоторым явлениям, которые происходят при литье и оказывают большое влияние на качество изделий. К таким явлениям относится, например, эффект «замедленного течения» расплава /7/. Моделирование процесса уплотнения расплава в рамках концепции «потока» также оказывается малоэффективным, поскольку направление течения расплава на стадии уплотнения в изделиях, имеющих сложную геометрию, часто не совпадает с направлением течения при впрыске. Эти явления могут быть смоделированы в 2D-подходе, поэтому их можно назвать «2D-эффектами». 
     2D-подход основывается на так называемой модели течения Хеле-Шоу, в которой течение расплава полимера рассматривается как двумерное /8/. По историческим причинам 2D-подход часто называют 2.5D-анализом или 3D-анализом. В этом подходе расчеты выполняются на модели «средней линии» литьевой полости (Midplane) или на модели поверхности изделия (Dual Domain /9/). Течение в литниковых каналах в этом случае обычно моделируется как одномерное.
     Существуют явления, наблюдаемые при литье термопластичных материалов, к которым 2D-подход оказывается «нечувствительным», их можно назвать «3D-эффектами». К таким явлениям, например, относятся явления, связанные с нестационарностью процесса течения полимера, возникающие в разветвленных литниковых каналах /10/. Эти явления оказывают большое влияние на процесс заполнения в некоторых распространенных конструкциях многоместных форм, а также в отливках с несколькими впусками. К 3D-эффектам можно также отнести заполнение углов изделия, образование линий спая и воздушных ловушек в толстостенных изделиях, а также явления, связанные с влиянием более интенсивного охлаждения в углах изделия /11/.
     Учет параметров литьевой машины при проведении компьютерного анализа связан с рядом проблем, важнейшей из которых является проблема оценки износа и фактического состояния машины. Фактическое состояние литьевой машины наиболее полно можно оценить по ее инжекционной характеристике – зависимости максимальной скорости впрыска от давления расплава, замеренного на выходе из сопла литьевой машины /12/. 
     При литье термопластов могут быть реализованы различные режимы процесса, которые должны быть учтены при проведении расчетов и интерпретации результатов. Заполнение изделия в обычном процессе осуществляется в два этапа. Вначале происходит заполнение в режиме управления скоростью впрыска (режим впрыска), задается постоянная скорость или профиль скорости впрыска. Оставшаяся часть заполняется в режиме управления давлением, задается постоянное давление или профиль давления (давление выдержки). Момент переключения на режим управления давлением (обычно он соответствует заполнению 92 –98 % объема изделия) - важнейший технологический параметр в реальном процессе и компьютерном анализе. 
     Сетка элементов, используемая в компьютерном анализе, оказывает большое влияние на результаты расчетов. Форма элементов влияет на сходимость результатов (при отсутствии сходимости результаты расчетов могут быть некорректными), характер растекания расплава и др. Размеры элементов сетки выбираются в соответствии с особенностями изделия. Сетка с крупными элементами «нечувствительна» к положению спаев и мест запирания воздуха. В областях с перепадами толщин, как правило, требуется, сетка с меньшими размерами элементов.  
     Очень важна модель материала, используемая в компьютерном анализе. В анализе течения в это понятие входят модели сдвиговой и продольной вязкостей, модель
PVT-характеристик (зависимость удельного объема от температуры и давления), модели теплоемкости и теплопроводности полимера. 
     В современном компьютерном анализе для сдвиговой вязкости используются модели (например, модель Кросса-ВЛФ и др.), позволяющие с достаточно высокой точностью описать реологические свойства большинства полимеров в широком диапазоне скоростей сдвига с учетом влияния давления.
     Определенные проблемы возникают при использовании
PVT-данных для кристаллизующихся полимеров. В настоящее время для расчетов обычно применяются PVT-характеристики, полученные в условиях, приближенных к равновесным, т.е. при медленном охлаждении. Известно, что скорость охлаждения оказывает большое влияние на PVT-диаграмму, однако PVT-характеристики при быстром охлаждении изучены пока только для небольшого числа марок полимеров /13/.
     В настоящее время используются достаточно сложные модели процесса литья. Однако существует множество явлений, которые обычно не учитываются при моделировании, но которые могут оказывать существенное влияние на ход процесса и качество литьевого изделия. К таким явлениям относятся: процессы деструкции (термоокислительной, гидролитической, механодеструкции и др.), происходящие в материальном цилиндре, литниковой системе и литьевой полости; явления фракционирования при течении расплава; неустойчивого течения на входе в изделие; процесс разрушения волокнистого наполнителя при течении расплава и др. Все эти явления необязательно должны быть отражены в модели процесса, во многих случаях достаточно оценить критические параметры системы, достижение которых приводит к нежелательным явлениям и потере качества. Но в некоторых случаях это сделать невозможно. Например, несмотря на полувековое изучение комплекса явлений, называемых неустойчивым течением, до сих пор нет четкого понимания механизмов и критериев их появления /14/. 
     Компьютерный анализ базируется на достижениях науки, однако и сегодня в области литья пластмасс существует немало «белых пятен». Это касается процессов кристаллизации при течении, адгезии расплава к стенке канала, неустойчивого течения на фронте потока /15/, агломерации фаз при течении расплавов блок-сополимеров /16/, прогнозирования линейной усадки и многих др. вопросов. 
     При проведении компьютерного анализа конкретного изделия необходимо учитывать весь круг явлений и проблем, которые могут оказывать влияние на качество изделия и производительность процесса вне зависимости от возможностей и ограничений используемого программного продукта. Для эффективной работы специалист, выполняющий компьютерный анализ, должен иметь широкие знания в области технологии литья, материалов, литьевого оборудования и оснастки.

Литература

1. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1, -М.: Наука, 1970. 492 с.
2.
Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов). - М.: Химия, 1977. 464 с.
3. Тадмор З., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. -М.: Химия, 1984. 632 с.
4. Литье пластмасс под давлением / Под ред. Т. Оссвальда, Л.-Ш. Тунга, П.Дж. Грэманна. Пер с англ. под ред. Э.Л. Калинчева. -СПб: Профессия, 2006. 712 с.
5. Austin C. Computer-aided part and mould design // Developments in injection moulding / Ed. by. A. Whelan. -London, N.Y.: 1985. V. 3. P. 111-160.
6. Катышков Ю.В. Компьютерная система расчета и оптимизации технологического процесса литья пластмасс Пластик-2D win. 1. Структура и возможности системы // Пласт. массы. 2004. № 1; Катышков Ю.В. Компьютерная система расчета и оптимизации технологического процесса литья пластмасс Пластик-2D win. 2. Схематизация литьевых изделий // Пласт. массы. 2004. № 2. С. 37-39.
7. Austin C. Modflow design principles. Moldflow Pty. Ltd., 1991. 54 p.
8. Kennedy P. Flow analysis of injection molds. Hanser, 1995. 237 p.
9. Patent US 6 096 088. Method for modeling three dimension objects and simulation of fluid flow. 2000.
10. Beaumont J.P., Nagel R., Sherman R. Successful injection molding: Process, design and simulation. Hanser, 2002. 362 p.
11.
Costa F.S., Yokoi H., Murata Y., Kennedy P.K. Numerical simulation of ear-flow: The faster advance of the flow front at the edge of a cavity // Polymer Processing Society, 22nd Annu. Meet. Yamagata, Japan. July 2-6. 2006. G08-K2.
12. Глухов Е.Е., Попов Е.Н. Инжекционные характеристики литьевых машин и расчет форм // Пласт. массы. 1980. № 3. С. 43-44.
13. Van der Beek M.H.E., Peters G.W.M., Meijer H.E.H. The influence of cooling rate on the specific volume of isotactic polypropylene at elevated pressures // Macromol. Mater. Eng. 2005. V. 290, No. 5. P. 443-455. 
14. Малкин А.Я. Неустойчивость при течении растворов и расплавов полимеров // Высокомолек. соед. 2006. Т. А48. С. 1241-1262.
15. Bogaerds A.C.B., Hulsen M.A., Peters G.W.M., Baaijens F.P.T. Stability analysis of injection molding flows // J. Rheol.  2004. V. 48, No. 4. P. 765-785.
16. Chang M.C.O., Nemeth R.L. Rubber particle agglomeration phenomena in acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) polymers. I. Structure-property relationships study on rubber particle agglomeration and molded surface appearance // J. Appl. Polym. Sci. 1996. V. 61, № 6. P. 1003–1011.

    
           
Rambler's Top100 Copyright (C) Барвинский И.А., Барвинская И.Е., 2000-2017

Перепечатка публикаций сайта допускается только с разрешения авторов