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
