Литье пластмасс. Публикации. Injection molding. Publications

Карта сайта

Предыдущая публикация:
Литье тонкостенных изделий

Следующая публикация:
Колебание усадки

Типичные ошибки при инженерных расчетах литья термопластов под давлением
Typical errors in simulation of thermoplastics injection molding

Барвинский И.А., ЗАО "СиСофт"

II Международная конференция «Идеи. Дизайн. Изделия», Москва, 16 июня 2016 г. Препринт.

     Инженерные расчеты литья термопластов под давлением с использованием специализированных программных продуктов (систем CAE) получили широкое распространение в современной промышленности, поскольку эти продукты предоставляют дополнительные возможности при выборе оптимальных конструкторско-технологических решений для вновь проектируемых деталей и литьевых форм, а также при анализе причин брака. Однако для внедрения и корректного применения системы CAE квалификация пользователя должна соответствовать определенным требованиям, включающим не только знание особенностей работы с конкретным программным обеспечением, но и общую технологическую подготовку специалиста.
     Ниже обсуждаются некоторые характерные ошибки, допускаемые при расчетах литья термопластов под давлением и специальных технологий литья. Рассмотрен ряд нововведений версии Moldex3D R14 [1] компании CoreTech System, направленных на предотвращение ошибок и повышение эффективности расчетов.

Неадекватная сетка

     В ведущих системах инженерных расчетов [2] применяются сеточные методы математического моделирования литья термопластов под давлением, причем сетка обычно оказывает очень большое влияние на результаты как 2.5D-, так и 3D-расчетов. В работе [3] отмечено, что влияние неадекватной 3D-сетки на результаты расчета даже больше, чем в 2.5D-методах, к которым относятся расчеты по "средней линии" (Midplane) и с использованием поверхностной сетки (например, метод Dual Domain [3-4], применяемый в программных продуктах Autodesk Moldflow и др.).
     Неадекватность сетки, являющаяся причиной некорректности результатов расчета, в общем случае может быть вызвана несколькими причинами, в том числе:
     - Неприемлемой формой и характерными размерами элементов сетки;
     - Разрывами сетки;
     - Низкой "чувствительностью" сетки к физическим явлениям, которые происходят в термопластичном материале (в расплаве и твердом состоянии) на соответствующих стадиях технологического процесса в каналах литниковой системы и оформляющей полости литьевой формы.
     Проверка, исправление и оптимизация сетки являются составной частью этапа подготовки модели детали для расчетов.
     Требования разработчиков систем CAE к форме элемента, включая форм-фактор (aspect ratio), зачастую невозможно выполнить без искажения и упрощения геометрической модели оформляющей полости (детали), поскольку «реальные» литьевые детали содержат закругления, фаски и другие конструктивные особенности, которые при построении сетки дают элементы с неприемлемым форм-фактором.
     В версии Moldex3D R14 значительно снижены требования к форм-фактору треугольных элементов поверхностной сетки, построение которой предшествует созданию 3D-сетки: минимальное допустимое значение форм-фактора, определяемого как отношение диаметра вписанной окружности к радиусу описанной окружности, уменьшено для отливки с 0.3 (в предыдущей версии) до 0.05. Предусмотрено сгущение сетки в местах впуска и других областях, где необходима более плотная сетка. Поверхностная сетка и 3D-сетка, автоматически созданные в Moldex3D R14, обычно не требуют доработок, что сокращает время подготовки модели для расчета.
Сетка должна быть достаточно мелкой, чтобы адекватно отражать сложную картину физических явлений, происходящих при литье термопластов под давлением, однако использование слишком мелкой сетки, даже в локально области, нежелательно из-за влияния "накопленной" ошибки вычислений. Игнорирование "накопленной" ошибки приводит, в частности, к значительному искажению растекания расплава, что, очевидно, наблюдалось в работе [5] при 2.5D-моделировании заполнения для прямоугольной пластины с микроребром.
     Характер влияния сетки очень сильно зависит от видов расчетов и рассматриваемых результатов, что затрудняет принятие решения пользователем о необходимости доработки сетки. Высокая "чувствительность" к сетке наблюдается, в частности, для максимального давления (потерь давления) при впрыске, положения спаев и мест запирания воздуха [6].
     3D-сетка должна содержать достаточное количество слоев элементов в направлении толщины для корректного учета физических явлений, которые происходят при течении расплава термопластичного материала в каналах литниковой системы и оформляющей полости. К таким явлениям относится высокий уровень диссипации тепла при сдвиговом течении расплавов термопластов, обусловленный их высокой вязкостью, причем диссипация неравномерна по толщине: максимальное тепловыделение происходит в зонах высоких скоростей сдвига (вблизи застывших пристенных слоев). Толщина застывших пристенных слоев, формирующихся за фронтом расплава у стенок каналов, а также распределение температуры и вязкости в направлении толщины определяется конкурирующим влиянием процессов диссипации тепла и охлаждения через стенки канала. При высокой скорости впрыска (и соответственно высокой скорости сдвига) максимальное значение температуры расплава в холодноканальной литниковой системе и оформляющей полости формы может превышать температуру расплава в материальном цилиндре из-за высокой диссипации тепла при течении расплава.
Увеличение количества слоев 3D-элементов в направлении толщины приводит к резкому увеличению общего количества элементов сетки (особенно при малой толщине стенки литьевой детали) и вызывает значительное увеличение длительности расчетов.
     Для уменьшения общего количества 3D-элементов разработчики CAE используют неравномерные в направлении толщины сетки, а также комбинированные сетки из элементов различных типов. В программных продуктах Moldex3D оба подхода объединены для так называемых BLM-сеток, содержащих несколько «тонких» слоев призматических элементов вблизи стенки канала и относительно крупные тетраэдрические элементы во внутренней области канала [3]. Метод расчета BLM 2.0 [1] в версии Moldex3D R14 позволяет использовать BLM-сетки, содержащие до 5 «тонких» слоев призматических элементов у стенок канала (рис.). Тестовые расчеты показали высокую эффективность таких сеток, проявляющуюся в существенно меньшей "чувствительности" результатов расчета к размеру элементов по сравнению с традиционными 3D-сетками. Это, в свою очередь, позволяет использовать сетки с относительно небольшим количеством элементов без потери точности расчета: для условий создания сетки, принятых по умолчанию, общее количество элементов сетки уменьшается на 50-75%.

Рис. Фрагмент BLM-сетки с 5 слоями призматических элементов вблизи стенки формы и тетраэдрическими элементами в центральной части (разрез в направлении толщины оформляющей полости).

Некорректный учет влияния особенностей литьевого оборудования и технологического
режима литья

     Современные литьевые машины обладают широкими возможностями регулирования и контроля технологического процесса [7-8]. Для получения корректных результатов расчета необходимо учитывать не только характеристики и особенности литьевой машины, но и способы задания технологического режима в системе управления. В общем случае расчеты могут выполняться для конкретной литьевой машины или группы машин, при определении требований к литьевой машине с целью достижения оптимального соотношения цена/качество получаемых деталей, или для "типовой" литьевой машины. При этом говорить о "типовой" литьевой машине можно с большой долей условности, а характеристики и возможности такой машины - ответственность выполняющего расчеты специалиста.
     Большое влияние на качество литьевых деталей оказывают профили скорости впрыска [9], давления выдержки [7, 10], а также условия переключения с режима впрыска на выдержку под давлением [7, 8], поэтому для получения корректных результатов расчета важно учитывать особенности системы управления конкретной литьевой машины при регулировании этих параметров процесса. В Moldex3D имеется возможность задания технологического режима также, как он задается в системе управления литьевой машины (интерфейсы систем управления содержатся в базе данных по литьевым машинам) [11].
     В базах данных систем CAE приводятся рекомендации изготовителей марок материалов по диапазону температур расплава и формы. Температура расплава и формы оказывает большое влияние на результаты расчета: увеличение температуры расплава и формы способствует, в частности, снижению потерь давления при впрыске и увеличению длины затекания. Однако, изменяя эти параметры, необходимо учитывать, что в «реальном» процессе литья диапазон изменения температур расплава и формы может оказаться существенно более узким.
     Расплавы многих литьевых термопластичных материалов обладают низкой термостабильностью, однако адекватный учет влияния термостабильности на качество получаемых деталей при моделировании процесса литья под давлением является сложной задачей. Время пребывания расплава при высокой температуре уменьшается при увеличении температуры, и эта характеристика зависит не только от типа материала, но и от рецептуры конкретной марки (использованных стабилизаторов и пр.). Кроме того, необходимо учитывать ограничения контроля температуры расплава в «реальном» процессе литья под давлением [12]. Из-за диссипативного тепловыделения в каналах шнека на стадии пластикации и в дозе расплава на стадии впрыска максимальная температура расплава в материальном цилиндре может в некоторых случаях превышать заданную температуру на десятки ^оС, что негативно влияет на термостабильность расплава.
     Максимальная температура расплава в горячеканальной литниковой системе может быть существенно выше заданной температуры горячеканального сопла или распределителя из-за неравномерности нагрева и удаленности точки контроля от зоны максимальной температуры [13]. Модуль Moldex3D Advanced Hot Runner позволяет смоделировать тепловые процессы в горячеканальных соплах и распределителе с учетом их конструкции (включая конструкцию нагревателей, расположение датчиков контроля температуры, применяемые металлы и изолирующие материалы) и метода регулирования температуры.
     Для оценки требуемого усилия запирания литьевой машины, недостаточно оценить максимальное значение распорного усилия, возникающего в оформляющей полости литьевой формы под действием давления расплава, а необходимо рассмотреть изменение распорного усилия во времени. Это особенно важно для деталей с большой площадью проекции, т.к. для их изготовления используются литьевые машины с очень высоким усилием запирания. Часто причиной высокого распорного усилия является быстрый рост давления в самом конце стадии впрыска или начальный момент выдержки под давлением, и изменение скорости впрыска в конце стадии впрыска (с использованием профиля скорости впрыска), условий переключения на выдержку под давлением или начального давления выдержки (с применением профиля давления выдержки) может существенно снизить требования к усилию запирания литьевой машины.

Некорректное использование расчетного метода

     Выполняя расчеты, необходимо учитывать особенности и ограничения, касающиеся моделирования физических явлений, происходящих в процессе литья под давлением (модель процесса), уравнения, используемые для описания зависимости характеристик материала от условий процесса (модели материала), условия теплового и механического взаимодействия отливки с литьевой формой и литьевой формы с термопластавтоматом (модель литьевой формы) и особенности задания технологического процесса при расчете и пр. (модель литьевой машины) [14], применяемых для математического моделирования процесса в конкретном программном продукте, а также упрощения и другие условия, определяющие расчетный метод.
     При 2.5D-расчетах к существенным ограничениям расчетного метода можно отнести условия охлаждения элементов оформляющей полости: отсутствие охлаждения торцевых частей элементов снижает точность прогнозирования течения вблизи знаков и торцевых стенок. Для деталей с "решетками" (когда оформляющая полость содержит большое количество мелких знаков) отсутствие охлаждения с торцевой части элементов, контактирующих со знаками, вызывает искажения при движении фронта расплава и значительно занижает максимальное давление при впрыске.
     При 2.5D-расчетах с использованием метода Dual Domain необходимо учитывать искажения процесса заполнения, связанные с особенностями этого метода моделирования течения, в частности, процедуры синхронизации потоков [15].

Необходимость комплексного учета влияющих факторов

     Выполняя расчеты, необходимо учитывать весь комплекс факторов, влияющих на качество детали, производительность и определяющих себестоимость продукции, а не только те факторы, которые учитываются при моделировании процесса в конкретной системе CAE или ее модулях.
     Необходимым условием корректности оценки технологичности конструкции детали и оптимизации литниковой системы является учет влияния конструкции не только на процесс заполнения формы, но и на стадию уплотнения [10, 16], колебание технологической усадки [17] коробление и остаточные напряжения в детали.
Например, локальное изменение толщины стенок детали, направленное на улучшения процесса заполнения (достижение сбаланированного заполнения), может значительно увеличивать коробление, из-за влияния толщины стенки на технологическую усадку [17, 18].
     При оценке влияния конструктивно-технологических факторов на технологическую усадку, коробление или остаточные напряжения, эти характеристики напряженно-деформированного состояния литьевой детали [19] должны рассматриваться в комплексе, поскольку желательное изменение одной из характеристик может сопровождаться негативным влиянием на другую. В частности, снижение температуры формы приводит к уменьшению технологической усадки, вызывая при этом повышенные остаточные напряжения, которые могут приводить к высокой нестабильности размеров детали и ее разрушению в процессе хранения или эксплуатации.

Ошибки при анализе причин брака

     Математическое моделирование является эффективным методом выявления причин брака и поиска способа его устранения при литье под давлением [12], однако методика расчетов в этом случае имеет свои особенности.
     При расчетах для вновь проектируемых деталей и литьевых форм предполагают, что технологический процесс будет реализован при выполнении всех стандартных требований с учетом возможностей имеющегося технологического оборудования. Эти требования, в частности, включают адекватную подготовку сырья (сушку и др.) и наладку технологического процесса.
     Выполняя анализ причин брака, во избежание ошибок необходимо учитывать все факторы, включая «человеческий фактор», которые потенциально могут оказывать негативное влияние на возникновение конкретных дефектов. Для получения корректных результатов перед проведением расчетов необходимо получить детальную информацию о применяемом сырье (особенно при использовании вторичного материала), литьевой машине и вспомогательном оборудовании, технологическом процессе подготовки материала и литья под давлением, а в некоторых случаях (при короблении, нестабильности размеров, растрескивании и пр.) и условиях хранения и эксплуатации готовой продукции.

Значение квалификации пользователя

Требования комплексного рассмотрения факторов, влияющих на качество литьевых деталей, накладывает определенные требования к технологической подготовке и профессиональной эрудиции специалиста, выполняющего расчеты. Пользователь CAE должен, в частности, обладать знаниями в различных областях полимерного материаловедения (включая особенности поведения различных типов термопластичных материалов в условиях литья под давлением, влияние добавок и наполнителей и др.), наладки процесса литья, конструирования деталей и литьевых форм, контроля качества (в том числе входного контроля сырья, контроля технологического процесса, а также контроля готовой продукции).
Подготовку таких специалистов целесообразно проводить с привлечением профильных кафедр технических университетов.

Литература

   1. What’s New in R14.0. CoreTech System Co. Ltd., 2016. 75 p.
   2. Kennedy P., Zheng R. Flow analysis of injection molds. 2^nd edition. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2013. 378 p.
   3. Chang R.Y., Liu L., Yang W.-H., Yang V., Hsu D.C. To refine mesh or not to? An innovative mesh generator for 3D mold filling analysis // 60 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2002. P. 455-459.
   4. Патент США 6096088. Yu H.G., Thomas R. Method for modeling three dimension objects and simulation of fluid flow. Moldflow Pty. Ltd. 2000.
   5. Yu L., Lee L.J., Koelling K.W. Flow and heat transfer simulation of injection molding with microstructures // Polym. Eng. Sci. 2004. V. 44, № 10. P. 1866-1876.
6. Барвинский И. Основы компьютерного анализа литья термопластов: выбор метода моделирования // CADmaster. 2013. № 5. С. 60-64.
   7. Калинчев Э.Л., Калинчева Е.И., Саковцева М.Б. Оборудование для литья пластмасс под давлением: Расчет и конструирование. - М.: Машиностроение, 1985. 256 с.
   8. Йоханнабер Ф. Литьевые машины. Справочное руководство. Пер. с англ. под. ред. Э.Л. Калинчева. – СПб.: Профессия, 2009. 400 с.
   9. Барвинский И., Барвинская И. Использование профиля скорости впрыска для устранения дефектов литьевых деталей из термопластов. Практ. семинар «Литье термопластов под давлением: экономическая эффективность и качество». Москва. 24 октября 2012. Препринт. С. 1-9.
   10. Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Проблемы литья под давлением изделий из полимерных материалов: уплотнение // Полимерные материалы. 2014. № 3. С. 3-13.
   11. Барвинский И. Основы инженерных расчетов литья термопластов: технологические параметры // CADmaster. 2015. № 2. С. 70-77.
   12. Барвинский И., Барвинская И. Анализ причин брака при литье термопластов под давлением. Практ. семинар «Литье термопластов под давлением: экономическая эффективность и качество». Москва. 24 октября 2012. Препринт. С. 1-11.
   13. Барвинский И., Барвинская И. Температура расплава при литье с ГКС // Пластикс. 2011. № 4. С. 26-31.
   14. Барвинский И., Барвинская И. Компьютерный анализ литья: Подходы и модели // Пластикс. 2009. № 3. С. 50-54; № 4. С. 63-66.
   15. Барвинский И. 3D-расчеты литьевых форм для литья термопластов под давлением // Семинар «Современные технологии производства и эксплуатации пресс-форм». Международная выставка РОСМОЛД. Москва. 24 июня 2015 г. Препринт. С. 1-12.
   16. Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Влияние конструкции изделия и пресс-формы на процесс уплотнения при литье термопластов // Науч.-практ. семинар "Литье пластмасс под давлением". 29-30 янв. -М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2004. C. 30-40.
   17. Барвинский И.А., Брагинский В.А. Колебание усадки при литье термопластов под давлением // Полимерные материалы. 2016. № 5, С. 50-55; № 6. С. 38-47.
   18. Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Влияние разнотолщинности на качество литьевых изделий из термопластичных материалов // Науч.-практ. семинар "Литье пластмасс под давлением". 26-27 янв. -М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2005. C. 9-15.
   19. Барвинский И.А. Прогнозирование усадки при литье под давлением деталей из термопластов // III Международный семинар «Современные технологии литья пластмасс. Локализация производства автокомпонентов и проблемы контроля качества». Санкт-Петербург. 15-16 сентября. 2011. С. 1-28.


			Copyright (C) Барвинский И.А., Барвинская И.Е., 2000-2021 Перепечатка публикаций сайта допускается только с разрешения авторов