Járműipari anyagfejlesztések: célzott alapkutatás az alakíthatóság, hőkezelés és hegeszthetőség témakörében Műanyag előállítási technológiák, 2

Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft. Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet Szerkezetintegritás Osztály

Járműipari anyagfejlesztések: célzott alapkutatás az alakíthatóság, hőkezelés és hegeszthetőség témakörében „Műanyag előállítási technológiák”, 2. félév Tanulmány Kidolgozta:

Dr. Beleznai Róbert1 – Dr. Szávai Szabolcs2 – Szőlői Ákos1 1

Beosztott kutató, 2Irányító kutató, 3Kutatási segéderő

Készült:

a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében

A projekt szakmai vezetője:

Lenkeyné Dr. Biró Gyöngyvér intézetigazgató

Miskolc 2013

Tartalomjegyzék 1.

Bevezetés………………………………………………………………………………….5

2.

Műanyag fröccsöntési technológia összefoglalása .............................................................. 5 2.1. A fröccsöntés [1] ........................................................................................................ 5 2.2. A fröccsöntő gép [1] .................................................................................................. 6 2.3. A fröccsöntési technológia műveleti lépései [2] ........................................................ 6 2.3.1. Plasztikálás ..................................................................................................... 6 2.3.2. Szerszámkitöltés ............................................................................................ 6 2.3.3. Hűlés .............................................................................................................. 8 2.4. A fröccsöntött tárgyak szerkezete, tulajdonságai ...................................................... 8 2.4.1. Fröccsöntött termékek zsugorodása [2] ......................................................... 8 2.4.2. A zsugorodás és a technológiai paraméterek összefüggése [2] ..................... 9 2.4.3. Zsugorodás és vetemedés [2] ....................................................................... 10 2.4.4. A szálerősítés hatása a zsugorodásra [2] ...................................................... 11 2.5. Kétkomponensű fröccsöntés [1] .............................................................................. 12

3.

A fröccsöntés modellezése számítástechnikai úton [1] ..................................................... 13 3.1. Szimulációs szoftverek alkalmazásának előnyei [1] ............................................... 13 3.2. A fröccsöntési szimulációs szoftverek jellemzői [1] ............................................... 14 3.3. A fröccsöntés-szimulációs programok felépítése .................................................... 14 3.4. Anyagi tulajdonságok szerepe a szimulációban [1] ................................................. 15

4. Az autóipari polimer alkatrészek részletes bemutatása, a gyártástechnológiai jellemzők összefoglalása 16 4.1. A fröccsöntött polimer alkatrészek, anyagminőségek és a technológiai paraméterek összefoglalása .......................................................................................................... 16 4.1.1. „Knob” kábelvezető alkatrész ...................................................................... 16 4.1.2. „CoverTop” 2 komponensű lemez alkatrész ................................................ 17 4.1.3. „Symbolring” alkatrész ................................................................................ 19 5.

Autodesk® Moldflow®

19

5.1. Autodesk® Moldflow® Adviser ............................................................................. 20 5.1.1. Geometria importálása, anyagminőség technológiai paraméterek megadása20 5.1.2. Moldflow® Adviserrel előállított eredmények bemutatása ......................... 21 5.2. Az Autodesk Moldflow Insight technológiai szoftver ............................................. 28 5.3. Az Autodesk Moldflow Insight szimuláció felépítése, fő lépései ........................... 28 3

5.4. Autodesk Moldflow Insight elem típusok és hálózás .............................................. 29 6.

Az Autodesk Moldflow Insight technológiai szoftverrel előállított eredmények ............. 31 6.1. Autodesk Moldflow Insight eredmények szálerősítés nélküli műanyagok esetén .. 31 6.1.1. Nyomás változása gátnál.............................................................................. 31 6.2. A fröccsöntési folyamat erőszükséglet .................................................................... 32 6.3. Anyagi szálak orientációjának meghatározása ........................................................ 33 6.4. A maradó feszültségek meghatározása .................................................................... 33 6.5. Alkatrészek zsugorodása, vetemedése és a sűrűség változás .................................. 34 6.6. Az alkatrészek minőségi előrejelzésére vonatkozó adatok ...................................... 35 6.7. Az összecsapási vonalak meghatározása ................................................................. 36 6.8. „Knob” alkatrész fröccsöntési szimulációja, szálerősített polimer esetében ........... 37

7.

A technológiai szimuláció eredményeinek implementálása a stuktúrális analízisbe ........ 38

8.

A „Műanyag előállítási technológiák” projekt további feladatainak összefoglalása ........ 39

4

1. Bevezetés A „Műanyag előállítási technológiák” tématerület célja, többek között egy olyan anyagmodell kifejlesztése mérnöki műanyagokhoz, a technológiai és mikro-mechanikai szimulációs eszközök összekapcsolásával, mely kielégíti a járműipar által támasztott követelményeket. A projekt részfeladatait tekintve, jelen munka az autóiparban felhasznált, erősítés nélküli és erősített műszaki műanyagok fröccsöntési szimulációjának, az analízis eredményeinek illetve a technológiai szimuláció egyes eredményeinek további felhasználási lehetőségeinek bemutatására terjed ki. A kiválasztott erősítés nélküli és erősítéses mérnöki műanyagok technológiai szimulációjának végrehajtása különböző modell geometriákon a molekulaláncok orientációjának meghatározására. A kutatási tevékenység az anyag előállítás és alakítás különböző makroszkópikus problémáinak alapvető megértésére koncentrál, amely képet ad az adott anyag mikroszerkezetéről a fizika és mechanika együttes alkalmazásával. A fő kihívás az összetett mikroszerkezetű anyag mechanikai tulajdonságainak pontos leírása az ipari igényeknek megfelelően. A végső cél eljutni egy olyan fizikai alapokon nyugvó leíráshoz, amely megfelelően implementálható például egy végeselemes szoftverbe, és segítségével a mérnöki termékek vagy gyártási eljárások megvalósíthatósági analízise végezhető el. Ennek segítségével könnyebben és megbízhatóan lehet majd a mérnöki műanyagból készült termékek mechanikai analízisét elvégezni. A projekt első, elmúlt szakaszában irodalomkutatást végeztünk az anyagegyenletekhez kapcsolódóan mérnöki műanyagok tekintetében. Erősítés nélküli és erősített műanyagok kiválasztása megtörtént a jelen munkában részletezett technológiai szimulációkhoz. A jelentésben bemutatásra került a műszaki műanyagok általános jellemzői és csoportosításuk a feldolgozás szerint. A csoportosításban szereplő különböző típusú hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagok tulajdonságai és alkalmazási területeit is bemutattuk, kiemelve a járműipari felhasználást. Összefoglalást adtunk a műanyagok előállításával kapcsolatban. Ismertettük a műanyag kompozitok felépítését és tulajdonságait, bemutattuk a felhasználható mátrix és erősítő szál anyagok körét. Ismertettük az erősítés nélküli és szálerősített műanyagok modellezéshez szükséges anyagegyenleteit.

2. Műanyag fröccsöntési technológia összefoglalása 2.1. A fröccsöntés [1] A polimer ömledéket, – amelyet az olvadáspont fölé melegítve kis viszkozitású folyadékállapotba vittünk, – nagy sebességgel, szűk beömlő nyíláson át zárt szerszámba „fecskendezzük”, és ebben a zárt szerszámban a nagy nyomás alatt kihűlő polimerből alakul ki a tetszőlegesen bonyolult formájú (3D) alkatrész, gyakorlatilag hulladékmentes, képlékeny alakítással, nagy méretpontossággal. A kis ömledék-viszkozitásra a bonyolult szerszámtér gyors és teljes kitöltése miatt van szükség. A szerszám kitöltés ideje tipikusan a másodpercek tartományába esik. A fröccsöntés, mint nagypontosságú és rendkívül termelékeny alkatrészgyártás mérethatárai rendkívül tágak: 50 mg-os fogaskerék és 50 kg-os kád egyaránt gyártható megfelelő méretű fröccsöntő gépen. Az elsősorban a hőre lágyuló polimerekre, tipikusan PE, PP, PS, PVC, PMMA, ABS, POM, PC, stb. anyagokra kidolgozott eljárás alkalmazható a hőre nem lágyuló polimerek feldolgozása terén is. A duromer anyagcsaládban (fenoplasztok, aminoplasztok, melamin-epoxi kombinációk stb.), ill. az elasztomerek (gumik) 5

esetében a térhálósítás magában a fröccsöntő szerszámban történik. Ez utóbbi eljárásokban, amelyeket reaktív fröccsöntésnek nevezünk, sokszor prepolimerből (előpolimer) indulnak ki (pl. a szilikonok, poliuretánok esetében tipikusan két folyadékfázisú alapanyagból), és az ilyen fröccsöntést viszonylag kis nyomáson hajtják végre.

2.2. A fröccsöntő gép [1] A korszerű fröccsöntő gép alapvetően két fő részből áll: a fröccsöntő egységből és a szerszámhordozó, szerszámzáró egységből. A fröccsöntő gépek legfőbb alkatrésze a csigadugattyú, amely méreteiben és arányaiban is igen hasonló az extrudercsigához, azzal a lényeges különbséggel, hogy a csigadugattyú nemcsak forgásra, hanem egyidejűleg (ezzel „ellentétes”: reciprok) dugattyú-szerű mozgásra is képes. A fröccsöntő gép egyik fő része tehát maga a fröccsöntő egység (fröccs-aggregát) (tipikusan a gép jobb oldalán), amelyhez a másik fő rész, a robosztus szerszámzáró egység csatlakozik. Mivel a polimer ömledék igen nagy nyomása jelentős méretű felületen érvényesül, az osztott szerszám részeit összeszorító erő, amely 15–20 %-kal meg kell hogy haladja a szerszám üregben kialakuló nyomásból fakadó erőt, már a középméretű fröccsöntő gépeken is >106 N, vagyis több, mint 100 t záróerőt követel meg.

2.3. A fröccsöntési technológia műveleti lépései [2] A szerszám mindig legalább két részből áll, az üregből és a magból. Az egyiket egy mozgó, a másikat egy álló laphoz rögzítik. A fröccsöntés folyamata három szakaszra bontható:  megömlesztés, plasztikálás,  szerszámkitöltés, fröccsöntés,  hűtés, kidobás A folyamatok elemzése és modellezése nagyon nehéz, mivel ezek nem izotermek és nagyon messze vannak az egyensúlyitól még egy cikluson belül is. A szerszámban a hőmérséklet és a nyomás állandóan változik, ami a térfogat változását okozza. A két paraméter ellentétes hatásának összhangban kell lennie, hogy a termék minősége megfelelő legyen és ne tartalmazzon belső feszültségeket. 2.3.1. Plasztikálás A polimer megömlesztését részben külső fűtés, részben pedig a súrlódási hő biztosítja, az anyag szállítását pedig a csiga mozgása idézi elő. A plasztikálási lépésben a csiga forog és egy torlónyomás ellenében hátrafelé mozogva maga elé nyomja az anyagot. Minden ciklusban azonos mennyiségű anyagot kell plasztikálni. Két fontos szempontot kell figyelembe venni. 2.3.2. Szerszámkitöltés A szerszámkitöltés folyamata és a termék tulajdonságai függenek a hőmérséklettől, a nyomástól, a fröccsöntés sebességétől és az ömledék viszkozitásától. Tekintettel a nagy nyírássebességekre és az ennek következtében termelődő frikciós hőre, a polimer viszkozitásának nyírás- és hőmérsékletfüggése fontos szerepet játszik a kitöltés folyamatában. A szerszámkitöltés három különböző mechanizmussal történhet. Ha a fröccssebesség túl nagy, vagy a viszkozitás kicsi, az anyag belövell a szerszámba (szabadsugár kitöltés). Ekkor a szerszám kitöltése a szerszám hátsó falánál kezdődik. A nagy sebesség, az ömledék nem megfelelő hőmérséklete, és különösen a beömlő nyílás helytelen elhelyezése turbulens szerszámkitöltést eredményez. Ez a két mechanizmus nem megfelelő termék minőséget okoz. Megfelelő paraméterek esetén az ömledék a szerszámot lamináris folyással tölti ki, ami 6

általában biztosítja a megfelelő felületi minőséget. A szerszámkitöltés alatt a polimer a hideg szerszámfalon lehűl, egy héjréteg alakul ki. ennek vastagsága a beömlőnyílás közelében nagyobb, az előrehaladó ömledékfront közelében vékonyabb. A ráfejtődéses szerszámkitöltés (középről a fal felé irányuló áramlás), valamint a hűlés következtében kialakult kúpalakú csatorna nyújtási folyást, ezáltal jelentős orientációt eredményez. A termék keresztmetszetében mutatkozó nyírófeszültség és hőmérsékletkülönbségek a szerkezet és tulajdonságok változását eredményezik. A hőmérséklet és a nyomás a szerszámüregben folyamatosan változik, mind az idő mind pedig a hely függvényében. A szerszámkitöltés alatt a szerszámnyomás kicsi. A töltési nyomás az a nyomás, ami ahhoz szükséges, hogy a megömlesztett polimer benyomuljon a szerszám üregbe, valamint ki is töltse azt. Tulajdonképpen egy hajtó erő ami a polimer ömledék ellenállását győzi le. Ha nyomás érzékelőket helyeznénk el az áramlási hossz mentén, akkor a folyamatra jellemző nyomás eloszlást kapjuk meg, ennek sematikus ábrázolása látható [3].

1. ábra Nyomás változása a szerszámcsatornában és az üregben A nyomás a szerszám teljes kitöltése után hirtelen megnő és állandó marad az utónyomás ideje alatt. Ha a fröccsegység eltávolodik a szerszámtól mielőtt a beömlőnyílás befagyna, a nyomás hirtelen lecsökken. A termék hűlése zsugorodással és ennek megfelelően további nyomáscsökkenéssel jár. A szerszám nyitásakor a szerszámüregben uralkodó nyomást az utónyomás nagysága, ideje és a hűlési sebesség határozza meg. Nagy maradó nyomás kidobási nehézségeket, esetleg belső feszültségek kialakulását eredményezi, értékét a hőmérséklet és a nyomás egyensúlya határozza meg a hűtési ciklusban. A hűlés az anyag zsugorodásához vezet, ami viszont a nyomás csökkenését eredményezi. A nyomás csökkenésével a test kiterjed, térfogata nő. Ha a két folyamat kompenzálja egymást, a szerszám nyitásakor a maradéknyomás nulla lesz. Ez kedvező a termék kidobása és a belső feszültségek szempontjából is. Belső feszültségek azonban elsősorban inhomogén hűlés következtében alakulnak ki. A melegebb és hidegebb helyek között belső, un. szekunder áramlás mehet végbe. Ez természetesen deformációval jár, a molekulák a melegebb helyről a hidegebbek felé akarnak elmozdulni. Egy bizonyos hőmérséklet alatt a deformáció már csak a kötésszögek és a kötéstávolságok megváltoztatásával mehet végbe, a folyamatos hűlés pedig rögzíti ezt a deformált állapotot.

7

2.3.3. Hűlés A polimerek rossz hővezetőképessége következtében a termék hűlése nem egyenletes. A fal mellett a hűlés gyors, a termék belsejében lassú. Az inhomogén hűlés következtében a zsugorodás helyfüggő lesz és belső feszültségek alakulnak ki a termékben. A hatás különböző amorf és kristályos polimerekben. Amorf polimerekben egy héj alakul ki a falnál, a termék belsejében az utónyomás hatása érvényesül, a zsugorodás nagyobb lesz a falnál. Kristályos polimerekben a termék belsejében a hűlés lassú, a kristályosság nagyobb és ennek megfelelően nagyobb lesz a zsugorodás is. Az egyenetlen hűlés hatása hőkezeléssel némiképp kompenzálható.

2.4. A fröccsöntött tárgyak szerkezete, tulajdonságai Az előző szakaszban ismertetett szerszámkitöltési folyamat, valamint a fröccsöntés nemegyensúlyi jellege döntően befolyásolja a gyártott tárgyak szerkezetét és tulajdonságait. A szerszám falánál kialakuló nagy nyírás a molekulák orientációját és a sorgócok képződését idézi elő. Ez utóbbiak orientált kristályosodást váltanak ki. A rossz hővezető-képességből adódó eltérő hűlési sebesség a termék keresztmetszetében folytonosan változó szerkezetet és belső feszültségek kialakulását okozza. Amorf anyagokban a morfológiai képződmények száma, illetve az azokban mutatkozó különbségek kicsik, annál nagyobbak viszont kristályos polimerekben és heterogén polimer rendszerekben. Szerkezeti kutatások azt mutatják, hogy egy fröccsöntött polipropilén tárgy keresztmetszetében, a szélétől a belseje felé haladva 6 réteget különböztethetünk meg, melyben különbözik a kristályosság, a kristályos egységek típusa, mérete és orientációja, valamint az amorf fázis orientációja. A hat réteg a következő jellemzőkkel rendelkezik: 1. réteg: vastagsága kb 25 µm, kristályos szerkezet optikai szinten mutatható ki benne. 2. réteg: vastagsága kb 100 µm, cilindritesen kristályosodó réteg nagyon kis, tökéletlen morfológiai egységekből áll. 3. réteg: vastagsága 400µm, nagyon kis szferolitokból álló szerkezet. 4. réteg: 200 µm vastagság, kis beta-szferolitok találhatók a nyírt rétegben. 5. réteg: vastagság 80-100 µm, a folyás irányában orientálódott cilindrites szerkezetekből áll. 6. mag: vastagság 30-40 µm átmérőjű, alfa és beta szferolitokat tartalmaz. A fentiekhez hasonlóan, bár nem minden esetben ennyi rétegre tagozódó, héj-mag szerkezeteket figyeltek meg más kristályos polimerekben is (PA, PET, PBTP). 2.4.1. Fröccsöntött termékek zsugorodása [2] Zsugorodás alatt a fröccstermék térfogatcsökkenését értjük a lehűlés folyamán. A feldolgozási zsugorodást az MSZ EN ISO 294-4 szerint fröccsöntés után azonnal, a DIN 16 901 szerint 16 óra elteltével, az utózsugorodást pedig hosszabb idő után kell mérni. A teljes zsugorodás az előbbi kettő összege. Az utózsugorodás a fröccsöntést követően hosszú idő alatt bekövetkező méret változás, amely általában lassú, utólagos kristályosodási folyamatoknak tulajdonítható. Néhány polimerben a kristályos szerkezet teljes kialakulása igen hosszú ideig, akár hónapokig is eltarthat. A zsugorodás folyamata legjobban három állapothatározó, a nyomás (p), a fajtérfogat (v) és a hőmérséklet (T) függvényében vizsgálható. A polimerek fajtérfogatát a nyomás és a hőmérséklet erősen befolyásolja. A polimerek fajtérfogatának hőmérsékletfüggése (azaz hőtágulása) szilárd halmazállapotban is igen nagy. Ömledék állapotban a fajtérfogat még nagyobb mértékben nő a hőmérséklettel. A polimerömledék fajtérfogatának nyomástól való függése is szembetűnő, ami azt jelenti, hogy a polimerömledék (mint folyadék) összenyomható. Ugyanez – bár kisebb mértékben – igaz a szilárd polimerre is. A kristályos hőre lágyuló műanyagok fajtérfogatának változása, ezáltal zsugorodása nagyobb mértékű, mint az 8

amorf polimereké, aminek magyarázata a molekuláris szerkezetben rejlik: a zsugorodás oka alapvetően a molekulaláncok közeledése a lehűlés során. A kristályos anyagoknál a kristályos szerkezetből fakadó tömörebb elrendeződés következtében nagyobb a zsugorodás.

2. ábra Amorf polimer nyomás–fajtérfogat–hőmérséklet összefüggése A 2. ábra a fröccsöntés folyamata követhető nyomon a termodinamikai állapothatározók függvényében, amorf polimer esetében. Az ábrán látható technológiai lépések a következők: 1–2: befröccsöntés, 2–3: átkapcsolás utó-nyomásra, 3–4: utónyomás, 4: lepecsételődés, 4–6: zsugorodás a termék ki-dobásáig, 5: légköri nyomás elérése, 6: a termék kidobása, 6–7: zsugorodás a szerszámon kívül. A függőleges tengelyen, amely a fajtérfogatot ábrázolja, a térfogati zsugorodás pontosan megfigyelhető. A termék mérete az 5. pontban pontosan megegyezik a szerszámüreg méretével, a zsugorodás az 5.–7. pontok közötti fajtérfogatváltozásnak felel meg. Jól látható az utónyomás nagyságának és idejének lényeges szerepe. 2.4.2. A zsugorodás és a technológiai paraméterek összefüggése [2] A zsugorodás jellegét és nagyságát az anyagi minőségen túlmenően a termék geometriai jellemzői (például a falvastagsága) és a technológiai paraméterek befolyásolják. A vastagabb falú termék lassabban hűl le, mint a vékonyabb falú, emiatt növekszik a zsugorodás. Az ömledék hőmérséklet és a befröccsöntési sebesség különböző befolyást gyakorolhat a zsugorodásra, mivel ezek növelése egyrészt a folyóképességet és ezzel a nyomásátvitelt javítja, másrészt a zsugorodási hajlam a hőmérséklet növelésével nő. A zsugorodás és a vetemedés csökkentése érdekében vékony falú daraboknál magasabb ömledék hőmérséklettel és befröccsöntési sebességgel, míg vastag falú daraboknál alacsonyabb ömledék hőmérséklettel és befröccsöntési sebességgel kell dolgozni. A szerszámhőmérséklet is jelentősen befolyásolja a zsugorodást. Alacsony szerszámhőmérséklet a formatest gyors lehűlését okozza, ezért a molekulaláncok tömör elrendeződése nem jöhet létre. Magas szerszámhőmérséklet a termék lassabb lehűlését okozza, így a molekulaláncoknak elég idejük van, hogy rendeződjenek. A zsugorodás magas szerszámhőmérsékletnél mindig nagyobb. Az utónyomás és az utónyomási idő növelése csökkenti a zsugorodást. Mivel a gáttól távolodva a nyomásveszteségek miatt az utónyomás egyre kevésbé tudja kifejteni hatását, a zsugorodás fokozatosan növekszik (3. ábra).

9

3. ábra A zsugorodás nagyságának változása a gáttól való távolság függvényében Bár nem minden paraméter hatása egyértelmű, illetve jelentősen függ az anyagtól, a fő tendenciák a 4. ábra látható módon alakulnak.

4. ábra Különböző tényezők hatása a zsugorodásra Számos paraméter (például az ömledék hőmérséklet és a befröccsöntési sebesség) hatása a körülmények függvényében igen változékony, sőt ellentétes is lehet, illetve sokkal kisebb mértékben képesek a zsugorodás befolyásolására, mint az utónyomás. Emiatt a zsugorodás csökkentésének leghatásosabb módja a megfelelő alapanyag kiválasztása mellett az utónyomás nagyságának és idejének megfelelő beállítása. Méretpontos termékek előállításához pontosan ismerni kell a zsugorodást, és figyelembe kell venni a szerszám megtervezésénél: a szerszámüreget annyival nagyobbra kell készíteni a terméknél, hogy a zsugorodást követően az a megfelelő méretet érje el. Ez azt is jelenti, hogy a szerszámok többségét adott anyaghoz készítik, az eredetitől eltérő alapanyaggal az adott szerszám kevéssé alkalmas méretpontos termékek előállítására. 2.4.3. Zsugorodás és vetemedés [2] A vetemedés kialakulásának legfőbb oka a maradó feszültségek egyenlőtlensége vagy aszimmetriája. Noha számos tényező okozhatja a feszültségek egyenlőtlenségét, mint például a bonyolult geometria vagy az ömledéknyomás különbségei, a vetemedés leggyakoribb előidézője az egyenetlen szerszámhűtés, ugyanakkor sok esetben – különösen bonyolult alakú termékeknél – a differenciált szerszámtemperálással csökkenthető vagy megelőzhető a vetemedés. A vetemedés elkerülése szempontjából előnyös, ha tovább hűtik a terméket a szerszámban, azaz alacsonyabb kidobási hőmérsékletet alkalmaznak, azonban a belső feszültségek ebben az esetben maradéktalanul rögzülnek a termékben, miáltal az merevebb és ridegebb lesz. 10

2.4.4. A szálerősítés hatása a zsugorodásra [2] A zsugorodás jelentősen csökken, ha különböző töltő- és erősítőanyagokat kevernek a polimerekbe, mivel ezeknek az – általában szervetlen – anyagoknak (például az üvegszálnak) a hőtágulási együtthatója töredéke a műanyagokénak, illetve nem összenyomhatók. A részecskék vagy lemezkék formájában felhasznált töltőanyagok megközelítőleg mennyiségükkel egyenes arányban csökkentik a zsugorodást, és annak izotróp jellegét nem befolyásolják. Ezzel szemben erősítőszálak alkalmazásakor a hosszirányú (áramlás irányába eső) és keresztirányú (áramlás irányára merőleges) zsugorodás között jelentős különbség mutatkozik. Ez abból adódik, hogy az erősítőszálak saját elhelyezkedésük irányában sokkal nagyobb mértékben csökkentik a zsugorodást, mint arra merőlegesen, a szálak jelentős része pedig az ömledékáramlás irányába orientálódik. A száltartalom növekedésével a hossz- és a keresztirányú zsugorodás eltérő módon változik, emiatt különbségük és egymáshoz viszonyított arányuk is fokozatosan növekszik (5. ábra). Az egyenlőtlen zsugorodás a szerszám tervezését is bonyolultabbá teszi, mivel megnehezíti a szerszámüreg méreteinek helyes megválasztását.

5. ábra A szálerősítés hatása a zsugorodásra A hosszirányú és keresztirányú zsugorodás közötti különbség csökkentésének egyik lehetséges módja a töltő- és erősítőanyagokat egyaránt tartalmazó kompozitok alkalmazása (6. ábra). Ezek a hibrid anyagok kompromisszumot jelentenek a zsugorodási és a mechanikai tulajdonságok között, és gyakran használják olyan termékek gyártására, amelyek méretpontosságával szemben fokozott követelményeket támasztanak. A termék falvastagságának növelése a hossz- és keresztirányú zsugorodást egyaránt növeli (7. ábra).

11

6. ábra A töltő- és az erősítőanyagok összehasonlítása

7. ábra A falvastagság hatása

2.5. Kétkomponensű fröccsöntés [1] A 2K (2 Komponenten) eljárás során először az A anyaggal kezdik meg a szerszámüreg kitöltését, majd átkapcsolva a B anyaggal fejezik azt be Hiba! A hivatkozási forrás nem található.. Ezt az eljárást a 8. ábra mutatja be vázlatosan. A szendvics fröccsöntésnél a szerszám akár egy hagyományos szerszám is lehet, mert a két anyagáram átkapcsolása történhet ugyan a szerszámban, de történhet magán a két aggregáttal felszerelt fröccsgépen is.

8. ábra 2K fröccsöntési eljárás, [6]

12

3. A fröccsöntés modellezése számítástechnikai úton [1] A fröccsöntés (és a többi polimerfeldolgozási művelet, mint pl. az extruzió) matematikailag meglehetősen bonyolult. A lejátszódó folyamatokat nem lehet analitikusan, zárt formában leírni, kivéve a legegyszerűbb geometriai viszonyokat, newtoni folyadék feltételezése mellett. Napjainkban a polimerfeldolgozás minden területén alkalmaznak valamilyen számítástechnikai eszközt és módszert. A számítógéppel segített tervezés/számítógéppel segített megmunkálás (CAD/CAM = Computer Aided Design, Computer Aided Manufacturing) az 1950-es években először a nyomtatott áramkörtervezés/gyártás területén terjedt el. Az első „polimeres” CAD/CAM alkalmazás a polimerek extruziójának szimulációja volt. Bár az extrúziós folyamat számítógépes modellezése volt az első polimeres alkalmazás, napjainkban a legnagyobb aktivitás a fröccsöntés területén érzékelhető. Ennek néhány oka a következőkben foglalható össze:  a fröccsöntés a második legjelentősebb polimerfeldolgozási eljárás,  sok polimer fröccsönthető,  bár a folyamat ciklikus, reológiailag mégis viszonylag egyszerűen modellezhető,  a folyamat paraméterei jól mérhetők és szabályozhatók. Korábban egy extruziós– vagy fröccsszerszám megtervezése inkább műszaki érzék és tapasztalat, semmint tudomány volt. Egy használható szerszám kialakítása jó néhány iterációs ciklust jelentett, amikor is elkészítették a szerszámot, kipróbálták, majd a tapasztalt hibákat korrigálták, újból kipróbálták, és ezt a folyamatot addig ismételték, míg elfogadható eredményt kaptak (trial and error). A számítógépes szimulációs programokkal a mérnök a számítógépen végezheti el a szerszám vizsgálatát, anélkül, hogy azt a valóságban ténylegesen el kellene készíteni. Ez a „virtuális” szerszám a számítógéppel addig módosítható, míg a kívánt eredményt nem nyújtja, megépíteni csak a már tökéletes változatot kell. Ez rengeteg idő– és pénzmegtakarítást jelent.

3.1. Szimulációs szoftverek alkalmazásának előnyei [1] A fröccsöntés folyamatát szimuláló programok a következő területeken segítik a tervezőmérnök, illetve a technológus munkáját:  A szerszám kitöltési folyamatának modellezése, az ömledékfront előrehaladása az idő függvényében. A módszerrel előre jelezhetők az összecsapási vonalak, valamint meghatározható a fröccsöntési ciklus ideje, és annak változása különböző paraméterek függvényében.  Zsugorodás és vetemedés modellezése. Meghatározhatók az anyagban maradó feszültségek és az orientáció mértéke.  A szerszám hűlési viszonyainak modellezése, az optimális (egyenletes) hűléshez szükséges hűtőcsatorna geometria kialakítása.  A folyamat változóinak, mint pl. fröccsöntési sebesség, szerszámhőmérséklet optimalizálása.  A fröccsöntött termék terhelés hatására kialakuló feszültségi viszonyainak meghatározása.  Számítógéppel segített fröccsszerszám gyártás (CAM), a szerszámüreg megmunkáláshoz szükséges NC (Numerical Control, számjegyvezérlésű) programok előállítása.

13

3.2. A fröccsöntési szimulációs szoftverek jellemzői [1] A programok általában három fő egységből állnak:  Grafikus tervező program. Ebben a programrészben adható meg a termék geometriája.  Folyamat szimulációs program, amely a fröccsöntési folyamat során kialakuló hő- és áramlási viszonyokat számítja részekre osztásos vagy végeselemes módszerrel (FEM, FEA: Finite Element Method, Finite Element Analysis). Léteznek két– (2D) és háromdimenziós (3D) változatok. A legtöbb program automatikus hálógenerálási funkciót is tartalmaz  A polimerek reológiai, fizikai (hőtani) adatait tartalmazó adatbázis. Gyakran a fröccsöntő gépek adatait tartalmazó adatbázist is mellékelnek a programokhoz. A 9. ábra néhány kereskedelmi forgalomban beszerezhető fröccsszimulációs program jellemzőit foglalja össze. Mint a táblázatból megállapítható, a programok egy kivételével gyakorlatilag azonos színvonalúak, így a választást főként az ár és az itt nem részletezett kényelmi szolgáltatások – pl. van-e csatlakozási felülete más, elterjedt gépészeti szoftverekhez – befolyásolják.

9. ábra Fröccsszimulációs programok jellemzői

3.3. A fröccsöntés-szimulációs programok felépítése Az egyszerűbb szimulációs programok a bonyolult geometriájú szerszámot egyszerűbb geometriájú elemekre osztják, és az elemi áramlási utakra számítják ki a megfelelő reológiai és termikus egyenleteket. Ilyen elemi áramlási geometriák:  kör keresztmetszetű cső,  körgyűrű keresztmetszetű cső,  kör keresztmetszetű, fűtött felületű cső,  körgyűrű keresztmetszetű, fűtött felületű cső,  hasáb alakú csatorna,  körszelet,  ívekkel határolt körszelet,  elágazás. Ezekre az egyszerű geometriájú áramlási utakra számítják ki a programok az anyagi minőségtől független, ún. megmaradási egyenleteket (tömeg-megmaradás, impulzusmegmaradás és energia-megmaradás). Az egymáshoz kapcsolódó elemi áramlási utaknál a kapcsolódási helyeken a polimer azonos módon kell, hogy viselkedjen, így egy sor egyensúlyi feltétel keletkezik. A programok addig számolják az áramlást, amíg a feltételek teljesülnek 14

(iteráció). Sajnos a folyási problémák megoldásához a megmaradási egyenletek nem elégségesek, szükség van az anyagi minőségtől függő állapotegyenletekre is. Az állapotegyenletek a polimerek reológiai, termikus és fizikai tulajdonságait írják le. A bennük szereplő anyagi állandók, vagy anyagfüggvények, pontos ismerete nélkülözhetetlen a valóságot megfelelő pontossággal leíró szimulációhoz. A részekre osztás módszerénél jóval pontosabb eredményt adnak, de sokkal számításigényesebbek a végeselemes programok. A vizsgált polimer terméket (többnyire) háromszögekből álló hálózattal (végeselemes háló) fedik le. A kritikus területeteken a hálót alkotó háromszögek méretét csökkentve, illetve a lefedő háromszögek számát növelve, ezeken a helyeken a számítás pontossága növelhető. A háromszögek egymáshoz három csomópontban csatlakoznak. Az egyszerű elemek feszültség, deformáció és deformációsebesség értékeit könnyen ki lehet számítani; ezeknek az értékeknek a találkozási pontokban (csomópontok) azonosnak kell lenniük. Az egyensúlyi feltételekből itt is egy sor egyenlet adódik, amelyeket iterációval lehet megoldani. Elfogadható pontosságot csak nagyszámú elem alkalmazásával lehet elérni, ezért nagyméretű problémákat csak gyors, sok memóriával rendelkező számítógépeken érdemes futtatni.

3.4. Anyagi tulajdonságok szerepe a szimulációban [1] A fejlettebb fröccsöntés szimulációs programok egy sor anyagi állandót igényelnek, de az egyszerűbbekhez is legalább nyolcra van szükség. A viszkozitás hőmérséklet függését három állandóval tudjuk figyelembe venni, három állandó szükséges a fizikai tulajdonságok leírására, és két jellemző hőmérsékletet is ismernünk kell. A három viszkozitási állandóval (A, B, C) csak a newtoni (lineáris, nyírósebességtől független) viszkozitás függvény írható le (vagyis a legegyszerűbb, a valóságot legkevésbé jól leíró eset): ( ̇

)

(1)

A viszkozitás hőmérsékletfüggésének és nyírósebességfüggésének leírásához 5 anyagi állandót kell ismerni. A fizikai állandók közül egyik az ömledék sűrűsége, a másik kettő hőtani jellemző: az ömledék fajhője és hővezetőképessége. A két hőmérséklet: a befagyási hőmérséklet (freeze temperature) és az ún. folyási határhőmérséklet (non-flow temperature). A folyási határhőmérséklet az a legkisebb hőmérséklet, amely alatt a polimer 0,7 MPa nyomáskülönbség hatására már nem folyik. A befagyási hőmérséklet a kristályosodás hőmérséklete a részben kristályos polimereknél, míg amorf polimereknél az üvegesedési hőmérsékletnél (Tg) valamivel magasabb hőmérséklet. Nyolc anyagállandóval természetesen nem lehet jól leírni egy olyan bonyolult rendszert, mint a polimer. Rendszerint figyelembe kell venni a viszkozitás nyírósebesség– és nyomásfüggését, és a fröccsöntés során ömledék állapotból megszilárduló polimer fizikai/hőtani tulajdonságainak változását a fázisátalakulás során. További nehézséget okoz a részlegesen kristályos polimerek fizikai tulajdonságainak leírása. Az egyszerűbb fizikai állapotegyenletek (pl. Spencer-Gilmore egyenlet) csak az ömledékre alkalmazható, a szilárd fázisra nem. A végeselem programokhoz általában összetettebb polimer adatbázisok tartoznak. Sajnos ezeknek az adatbázisoknak a megbízhatósága erősen megkérdőjelezhető. Progelhof írja: „A hővezetőképesség mérése nem egyszerű feladat; úgy tűnik, a különböző laboratóriumok mérési eredményei ugyanarra a polimerre jelentősen eltérnek egymástól.” Szintén problémát jelent az egyszer már kimért anyagi állandók rendszeres karbantartása. A gyárak időről időre lecserélik termékeiket, vagy ugyanazt a típusjelű anyagot korszerűbb technológiával kezdik el gyártani, ami egyes anyagi paraméterek jelentős megváltozását okozhatja. Problémát jelent a 15

kellő pontosság is. Egy extrúziós szimulációs programhoz pl. három értékes jegy pontossággal kellene ismerni a szilárd polimer és a fém közötti súrlódási tényezőt, miközben két jegyre pontos adatok is eléggé megkérdőjelezhető megbízhatósággal állnak rendelkezésre.

4. Az autóipari polimer alkatrészek részletes bemutatása, a gyártástechnológiai jellemzők összefoglalása Jelen projekt célterülete, a járműipar, sok különböző típusú anyagot igényel és a költséghatékony gyártáshoz új típusú anyagokra és különleges tulajdonságokra van szükség. A projekt feladat megoldásához valamint a kutatási eredményeinek gyakorlati felhasználásához illetve valós ipari környezetbe való implementálásához, gyártási tapasztalatokkal rendelkező ipari partner bevonása is szükséges. Ipari partnerként, a Shinwa Magyarország Precíziós Kft. járult hozzá a projektfeladat sikeres megoldásához. A miskolci partner cég, az autóiparban alkalmazott, műszaki műanyagok fröccsöntése terén már több éves gyártási tapasztalattal és jelentős technológiai háttérrel rendelkezik. Jelen feladatban, a partner cég tapasztalatai alapján, szakmai támogatását nyújtja a fröccsöntési technológiákhoz általában, valamint a konkrét műszaki műanyag alkatrészek gyártástechnológiai jellemzőit határozzák meg, amelyek a feladat megoldása szempontjából fontosak. A Shinwa Magyarország Precíziós Kft. a fröccsöntési feladathoz három jelenleg is gyártásban lévő alkatrész geometriáját (CAD formátumban) küldték meg. Továbbá megkaptuk az egyes alkatrészek konkrét anyagminőségét is valamint a jellemző gyártási paramétereket is. Ezek az alkatrészek a későbbi gyártási folyamat során, személygépkocsik műszerfalába és ahhoz kapcsolódó szerkezeti egységekbe, alkatrészekbe kerülnek beszerelésre. Mindhárom alkatrészt szálerősítés nélküli műszaki műanyagból készítik. A cég korábban több kísérletet tett, hogy a jelenleg használt műanyag minőségeket szálerősített polimerekkel helyettesítsék, ami jelentősen megnöveli az alkatrész szilárdsági tulajdonságát valamint az élettartamát is. Azonban ez a váltás nagymértékben befolyásolja a technológiai paramétereket, és esetleg a szerszám geometriát is, ezért egyelőre nem folytatják ezeket a kísérleteket. Azonban jelen projekt segítségével erre a kérdésre is tudhatunk választ adni, hiszen mód van arra, hogy megvizsgáljuk, mi az eredménye annak, ha az erősítés nélküli anyagot lecseréljük szálerősített anyagra. Az eredmény alapján pedig javaslatot lehet tenni a technológiai paraméterek értékének beállítására, vagy egy esetleges szerszám módosításra.

4.1. A fröccsöntött polimer alkatrészek, anyagminőségek és a technológiai paraméterek összefoglalása A következő alfejezetekben részletesen bemutatjuk, a Shinwa Magyarország Precíziós Kft. által rendelkezésünkre bocsájtott autóipari polimer alkatrészek 3D CAD modelljeit legfontosabb anyagtulajdonságait és fröccsöntés paramétereit. A három alkatrész közül az egyik gyártástechnológiai szempontból egy kissé eltér, ugyanis 2K eljárással készül. 4.1.1. „Knob” kábelvezető alkatrész Az alkatrészre vonatkozó 3D CAD modellt a 10. ábra bal oldali kép mutatja be. Az alkatrész, valamely adatátviteli kábel megvezetéséhez és rögzítéséhez alkalmazott elem. Anyagminőségének kereskedelmi megnevezése: Alcom PC 740/1.2 GF 30 PTFE 13 Si 2.  sűrűség ömledék állapotban: 1.1805 g/cm3  sűrűség szilárd állapotban: 1.315 g/cm3  Rugalmassági modulusz az első főirányban: 3255.55 MPa  Rugalmassági modulusz a második főirányban: 3255.55 MPa 16

    

Poisson tényező (v12): 0.3904 Poisson tényező (v23): 0.3904 Nyíró modulusz (G12): 1170.75 MPa Sűrűség ömledék állapotban: 1.1805 g/cm3 Sűrűség szilárd állapotban 1.315 g/cm3

Az alkatrész fröccsöntésének gyártási paraméterei közül itt a legfontosabbakat említjük meg, amelyek a technológiai szimuláció szempontjából elengedhetetlen Az alkatrész fröccsöntéséhez alkalmazott paraméter lista tartalmazza a fröccsöntési folyamat legfontosabb gyártási paramétereit. A fröccsöntés legfontosabb részfolyamatai: a szerszám/üreg kitöltés (Filling), az utónyomás (Packing), munkadarab kidobása (Ejection) és a hűlés (Cooling) szakaszai. A kész alkatrész minőségének szempontjából elengedhetetlen az egyes fröccsöntési szakaszok/részfolyamatok összehangolt szabályozása, amivel megakadályozhatóak a fröccsöntéskor keletkező anyag hibák és felületi hibák kialakulása. A szerszám kitöltés folyamatát a csigadugattyú elmozdulásának illetve sebességének előre beállított értékével szabályozzák. Az üregkitöltést az utónyomási szakasz követi. A polimer ömledék állapotában összenyomható, tehát az üregbe a kitöltést követően is nagyobb mennyiségű műanyag kerül mindaddig amíg a gát befagy. Az utónyomási szakasz az időtől függő nyomás változtatásával szabályozható. A szabályozott szerszám nyomást a csiga dugattyú előtt kialakuló anyagpárna biztosítja. A gát befagyása után a nyomást leveszik a szerszámról. Ezt követően, az alkatrész a szerszámban lehűl, ennek következtében zsugorodik egészen a kidobás pillanatáig. A szerszám üreg kitöltése egy gáton keresztül történik, ennek pozícióját az alkatrész modellhez rendelt sárga színnel jelölt kúp határozza meg (10. ábra jobb oldal).

10. ábra „Knob” kábelvezető alkatrész 3D CAD modelje 4.1.2. „CoverTop” 2 komponensű lemez alkatrész Az úgynevezett két komponensű (2k-s) alkatrész gyártása a hagyományos fröccsöntési technológiától eltér. Ezzel a technológiával több rétegű („A” és „B” komponensek) alkatrészeket állítanak elő, akár két eltérő anyagminőségű polimer is fröccsönthető. A létrejött szendvics szerkezetű alkatrészt a 11. ábra bal oldalán látható, az A és B komponensek a jobb oldali kép alapján különböztethetőek meg egymástól („A” komponens: alaplemez (fekete színnel), „B” komponens: keret (fehér színnel)). Ebben a konkrét esetben, a második réteg az alaplemezre fröccsöntött kisebb perem, amely a felhasználás során kialakuló rezgések és zaj csökkentését hivatott csillapítani. Az alkatrész gyártása forró csatornás fröccsöntéssel történik, ilyenkor nem alakul ki az ún. angus, a polimer nem dermed bele a szerszámcsatornába, kivéve az üreg beömlő nyílásához/gátjához közeli helyen. Az 17

alaplemezhez kitöltéséhez összesen 5 db gátat alkalmaznak, míg a B komponenst 4 ponton keresztül fröccsentik a formába (12. ábra).

11. ábra „Cover Top” műszerfali alkatrész 3D CAD modelje

12. ábra „Cover Top”alkatrész meglövési pontjai: A komponens (bal oldalon) és B komponens (jobb oldalon) A következőkben összefoglaljuk a két komponensű alkatrészre vonatkozó anyagminőségeket, főbb fizikai és mechanikai tulajdonságukat. „A” komponens anyagminőség: kereskedelmi megnevezés: Alcom PC/AWL 750/15.1  sűrűség ömledék állapotban: 1.1259 g/cm3  sűrűség szilárd állapotban: 1.2489 g/cm3  Rugalmassági modulusz az első főirányban: 3111.62 MPa  Rugalmassági modulusz a második főirányban: 3111.62 MPa  Poisson tényező (v12): 0.3932  Poisson tényező (v23): 0.3932  Nyíró modulusz (G12): 1116.73 MPa „B” komponens anyagminőség: kereskedelmi megnevezés: Hytrel 4056  sűrűség ömledék állapotban: 0.79155 g/cm3  sűrűség szilárd állapotban: 0.90462 g/cm3  Rugalmassági modulusz az első főirányban: 53 MPa  Rugalmassági modulusz a második főirányban: 53 MPa  Poisson tényező (v12): 0.45  Poisson tényező (v23): 0.45  Nyíró modulusz (G12): 18.276 MPa 18

4.1.3. „Symbolring” alkatrész A „Symbolring” alkatrész (13.ábra bal oldal) szintén műszarfali elembe kerül beépítésre, anyagminőségének kereskedelmi megnevezés: Makrolon 2405. A fröccsöntés négy fészkes szerszámba történik. A fröccsöntő szerszámban üregenként 5 db gátat alkalmaznak, ezek pozíciójáról a 13. ábra jobb oldala ad felvilágosítást. A fröccsöntés kitöltési szakaszának szabályozását a csigadugattyú sebességével szabályozzák. Az utónyomási szakaszban, a nyomást az idő függvényében két lépcsőben állandó értéken tartják. A szerszámokat előtemperálják, valamint a fröccsöntés folyamán szerszámhűtést alkalmaznak, hűtőanyag vegyesen olaj és víz.

13. ábra „Symbolring” műszerfali alkatrész 3D CAD modellje (bal oldal), meglövési helyek (jobb oldal) „Symbolring” alkatrész főbb fizikai mechanikai tulajdonságok:  sűrűség ömledék állapotban: 1.0348 g/cm3  sűrűség szilárd állapotban: 1.1969 g/cm3  Rugalmassági modulusz az első főirányban: 2400 MPa  Rugalmassági modulusz a második főirányban: 2400 MPa  Poisson tényező (v12): 0.39  Poisson tényező (v23): 0.39  Nyíró modulusz (G12): 900 MPa

5. Autodesk® Moldflow® Napjainkra a műanyag alkatrészek térhódítása az ipar minden területén megfigyelhető, ezzel párhuzamosan a vállalatok a piaci nyomás hatására folyamatosan küzdenek a gyártási költségek leszorításán, a piacra kerülési idő lerövidítésén. A sikerek eléréséhez minden korábbinál nagyobb szükség van egy olyan szimulációs szoftverre, amely a műanyag fröccsöntési folyamat átfogó vizsgálatát teszi lehetővé. Az Autodesk® Moldflow® fröccsöntés szimulációs szoftver része az Autodesk Digitális Prototípus megoldásának, amely segítségével a gyártók ellenőrizhetik, optimalizálhatják a műanyag alkatrészeket és fröccsöntő szerszámokat, valamint tanulmányozhatják a fröccsöntési folyamatot. A vállalatok világszerte használják Az Autodesk® Moldflow® Adviser és Autodesk® Moldflow® Insight szoftvereket, hogy csökkentsék a költséges fizikai prototípusok szükségességét, és megelőzzék a lehetséges gyártási hibákat, ezáltal gyorsabban, olcsóbban tudják piacra helyezni innovatív termékeiket. Natív CAD támogatás, forgatás, mozgatás, optimalizálás. Az Autodesk Moldflow lehetőséget nyújt vékonyfalú és nagy falvastagságú testmodellek szimulációjára is. Az eltérő

19

hálózási lehetőségek közül választhatnak a felhasználók a szükséges pontosságnak és rendelkezésre álló időnek megfelelően.

5.1. Autodesk® Moldflow® Adviser Ez a program az Autodesk® Moldflow® Insight korlátozott beállításokkal rendelkező változata. Alapbeállításokat érhetőek el a szoftverben. Komolyabb szimulációt és technológiai beállításokat nem lehet megvalósítani. Eredményként a fröccsöntéshez optimális helyet keresi meg a program. Ez nagy segítség, hiszen az iparban az egyik legfontosabb feladat a beömlőnyílás(ok) megkeresése. További eredményeket az alábbi fejezetben részletezzük. 5.1.1. Geometria importálása, anyagminőség és technológiai paraméterek megadása A termék geometriáját egy másik programból kell importálni, célszerűen úgy, hogy a lényeges geometriai elemeket hagyva meg, és a nem fontos lekerekítéseket, és apró lyukakat, írásokat eltűntetve. Segítve ezzel a hálózás pontosságát, illetve bonyolultságát. Miután a program lefordította a geometriát a saját függvényeire felajánl két lehetőséget. Alap – Kettős tartomány ( Standard – Dual Domain )  Tervezés tanácsadó  Beömlő nyílás optimalizáló Fejlett – Valóságos 3D ( Advanced – True 3D )  Tervezés tanácsadó  Beömlő nyílás optimalizáló  Forma ablak  Kitöltés  Hűtés minőség  Vetemedés  Szívódási üreg megjelölés A kitöltés analízis elkezdése előtt, be kell állítani a kitöltő anyag tulajdonságait. Melyet az anyag adatbázisból kereshetünk ki. Az adatbázisban közel 9000 féle anyag található, mindegyik pontos adatokkal ellátva. Ezeket a gyártók vizsgálatai során kapott eredmények alapján osztályozhatjuk, és kereshetünk a katalógusban. Keresési paraméterek lehetnek:  Gyártó  Termék név  Rövidített név  Energia felhasználási index  Súly (%)  Leírás  Ömledék tömegáram  Erősítő szál tulajdonságai alapján Ezenkívül, még közel 80 lehetőséget kínál fel a kereső. De a fent felsorolt kritériumok alapján általában megtalálható a keresett anyag.

20

A kitöltési szimuláció futtatásához meg kell adni a szerszám beömlési helyet/helyeket. Továbbá a folyamatra érvényes technológiai adatokat is be kell állítani a számítás elindítása előtt. Ezek a következők:     

Szerszám hőmérséklet Ömledék hőmérséklet Sebesség\nyomás kapcsolás (%) Kitöltési idő – nyomás (%) beállítás Hűtési időt

14. ábra Előírt utónyomás megadása az idő függvényében A technológiai paraméterek közül, a szabályozott utónyomás megadására mutat példát a 14. ábra. A fröccsöntő berendezésen előre beállított paraméter listának megfelelő nyomás – idő grafikon pontos megadására van lehetőség. 5.1.2. Moldflow® Adviserrel előállított eredmények bemutatása A Moldflow Adviser-rel előállítható számos eredmény közül itt csak néhányra térünk ki, azokra, amelyek a termék minőségének, valamint a jellemző hibák előrejelzése szempontjából fontosak lehetnek. Tekintve, hogy az Adviser által számolt és listázható eredmények száma korlátozott, egy átfogóbb analízishez a Moldflow Insight használata szükséges. Viszont azt is meg kell említeni, hogy a számítási idő az Adviser esetén ennek megfelelően jelentősen rövidebb egy komplexebb szimulációhoz képest. A fröccsöntési folyamat, illetve a szerszám minőségének javításához mindenképp hasznos eszköznek bizonyul. A számított eredményeket a „Knob” alkatrész analízisén keresztül mutatjuk be. Az alábbi, 15. ábra az üreg kitöltés folyamatát jeleníti meg az idő függvényében. Az ábrán a sárga szín jelöli a szerszám üreg gátjának helyét.

21

15. ábra Üreg kitöltés folyamata 5.1.2.1. Összecsapási vonalak jellemzése Fontos eredmény a termék gyártása során létrejövő összecsapási vonalak meghatározása (17. ábra), hiszen ezek a vonalak utalhatnak strukturális gyengeségre. Az összecsapási vonalak talán a leggyakrabban előforduló és legnehezebben kiküszöbölhető hibahelyek a fröccsöntésnél. Ezek akkor keletkeznek, amikor a szerszámüregben a térkitöltés során a polimer ömledékfrontok találkoznak. Néha csak esztétikai problémát okoznak a készterméken, de előfordulhat, hogy a névleges szilárdság csupán 20%-a marad meg ezeken az összecsapási területeken. A gyenge összecsapási vonalak eredete lehet a nem megfelelő anyagválasztás, darabtervezés, szerszámtervezés vagy a feldolgozási paraméterek helytelen beállítása. Például egyes anyagok érzékenyebbek a folyási út milyenségére (amíg eljutnak az összecsapási vonalakhoz), a termék nem egyenletes falvastagsága nyírási problémákhoz vezethet az ömledékáramlás törését okozva, a szerszám kialakítása (pl. helytelenül megválasztott beömlési pontok, bordák, kidudorodások, lyukak) mind megakadályozhatják az egyenletes ömledékáramlást, így összecsapási vonalak alakulnak ki, hasonlóan a szerszámon belüli hőmérsékleti egyenetlenségek miatti folyási anomáliákhoz [5].

16. ábra Összeömlési frontok által bezárt szög meghatározása A diagramon színképpel jelölt szög érték, az összecsapási vonal illetve két egymásba összeömlő frontot jellemző fontos adat. Tulajdonképpen ez a szög fejezi ki az összeömlési frontok egymással bezárt szögét, ez minőségi különbséget is jelent a folyamat végén megszilárdult alkatrészre. Ugyanis ha a szög értéke kisebb, mint 135°, az összecsapási vonal környezetében lévő egyes polimer láncok merőlegesek a polimer ömledék áramlási irányára (16. ábra, bal oldali kép). Ha 135°-nál nagyobb ez az érték a polimer láncok az áramlási iránynak megfelelően rendeződnek (16. ábra, jobb oldali kép). Az eredmények ismeretében előre jelezhető egy esetleges tönkremenetel. 22

17. ábra Összecsapási vonalak előrejelzése 5.1.2.2. Átlaghőmérséklet Az átlaghőmérséklet eredménye mutatja a kitöltés végén az átlaghőmérsékletet a keresztmetszet függvényében (18. ábra). Az ömledék hőmérséklete az üregben, az idő és hely szerint változik. Az ömledék az alkatrész keskeny fala mentén gyorsabban hűl, mint a vastagabb részeken, így az ömledék viszkozitása helytől függően is változik. Mindez befolyásolja az ömledék áramlását, ezen keresztül szerszámüreg kitöltését. Nehéz mindezeket a paramétereket egyetlen eredményben szemléltetni. Az átlaghőmérséklet eloszlása a térfogaton mindenképpen fontos adat a technológiai tervezéshez, valamint a kész alkatrész minőségének javításához. Az átlaghőmérsékletből következtethetünk a maradó feszültségek okára is.

18. ábra Átlag hőmérséklet az alkatrész keresztmetszetében 5.1.2.3. A megszilárdult réteg jellemzése Ez az eredmény, térfogat százalékban fejezi ki a kitöltési szakasz végéig megszilárdult polimer mennyiségét helytől és keresztmetszettől függően (19. ábra). A polimer megszilárdul, ha a hőmérséklet az adott polimer átmeneti hőmérséklete alá esik. Kitöltés alatt, a megszilárdult rétegnek meg kell tartani egy állandó vastagságot a folyamatos áramlás érdekében, a hő veszteségnek egyensúlyban kell lennie a szerszám falának hőelvonásával és az érkező forró ömledék viszkozitásával. Amint az áramlás leáll, a hőelvonás fog dominálni a 23

teljes keresztmetszet mentén. Ez a gyors növekedés a keresztmetszet mentén fogja adni a megszilárdult réteg eredményt. A viszkozitás exponenciálisan nő a hőmérséklet csökkenésével. Az áramlási keresztmetszet is csökken a megszilárdult réteg növekedése miatt.

19. ábra A megszilárdult réteg mennyisége a kitöltési szakasz végén 5.1.2.4. Töltési nyomás A befecskendezési nyomás eredmény a kitöltési analízisből származik, mutatja a maximum töltési nyomás értékét mielőtt a kitöltés\utónyomás átkapcsolás megtörténik (20. ábra). A kezdetben a nyomási érték 0, vagy 1 atmoszféra az üregben. A nyomás akkor kezd növekedni amikor az ömledék eléri a befecskendezési gátat. A nyomás tovább növekszik, ahogy az ömledék tölti fel az üreget, mivel a megnövelt áramlási hossz további akadályokat és ellenállást jelent a folyadéknak. A nyomáskülönbség két különböző keresztmetszethez tartozó nyomás szükséglet különbsége. A nyomási gradiens a két nyomás különbségének összege osztva a keresztmetszetek közötti távolsággal. Ahogy a víz a magasabb pontról folyik az alacsonyabb pont felé, a polimerek hasonlóan követik ezt a tendenciát, miszerint a magasabb nyomású térből az alacsonyabb nyomású térbe igyekszenek áramlani, ezért a maximális nyomás a meglövési pontnál lép fel, a legalacsonyabb pedig az üreg legtávolabbi pontjában, mint azt az alábbi ábra mutatja.

20. ábra Kitöltési nyomás eloszlása a szerszámüregben 24

Nagysága függ a polimer tulajdonságaitól, mivel értelemszerűen a nagyobb viszkozitású polimer nagyobb nyomást igényel az üreg kitöltéséhez. Különös figyelmet igényelnek a keskeny falú szakaszok, kis fülek és hosszú áramlási utak mivel ezekhez nagyobb nyomási gradiens tartozik, ezért nagyobb nyomás szükséges a kielégítő kitöltéshez. 5.1.2.5. Anyagi szálak orientációja Az orientáció megmutatja, hogyan fognak a molekulák elhelyezkedni a külső héjon (21. ábra). Továbbá bemutatja az elsődleges orientáltságát a szerkezetnek a kitöltés végén. Mivel az ömledék azonnal megdermed amint a szerszám falával érintkezik, ezért a sebességvektor határozza meg a legvalószínűbb molekuláris orientációt a külső héjon.

21. ábra Orientáció meghatározása az alkatrész külső felületén A szemléltetés kedvéért, az eredmény ábrázolásának tulajdonságainál a vektor léptéktényezőjét nagyobb értékre állítottuk be. E vektorok az anyagi szálak irányítottságát, elrendeződését határozzák meg, a valódi molekula láncok hosszáról nem adnak tájékoztatást. Ez az orientáció egyben meghatározza a sebességvektor irányát, amikor az ömledék a szerszámba jut. Így könnyen nyomon követhető az ömledék útja az üregben. 5.1.2.6. Nyomásesés Ez az eredmény arra utal, hogy mennyire nagy nyomás szükséges az adott terület kitöltéséhez (22. ábra). Amint az alábbi ábrán is látható, a színek mutatják a nyomás szükségletet az egyes pontokban, a beömlési pont környezetében az első pillanattól kezdve volt anyag, azaz mindig szükség volt nyomásra, hogy az anyag tovább áramoljon.

25

22. ábra Nyomásesés az üregben 5.1.2.7. Minőségi előrejelzés Az Adviser az alkatrész várható minőségéről is ad információt a teljes keresztmetszetre nézve (23. ábra). A program az eredmény bemutatásához felhasználja az időben változó nyomás, hőmérséklet eloszlást, a munkadarabban kialakuló maradó feszültségeket és egyéb számított paramétereket. A színkép alapján, előre jelezhetjük a minőségi szempontból kritikus helyeket. A hiba helyek utalnak egyrészt a gyengébb mechanikai jellemzőkre, másrészt felületi hibákra.

23. ábra A „Knob” alkatrész minőségi előrejelzése Adviserrel A színek jelentései: Zöld: Jó minőség; Sárga : Előfordulhatnak hibák; Piros: Biztosan lesz hiba 5.1.2.8. Áramlási front hőmérséklet A kitöltési elemzéskor fontos jellemző az áramlási front hőmérséklet eloszlásának meghatározása (24. ábra). A fröccsöntési folyamat során ugyanis törekedni kell arra, hogy minimalizáljuk az áramlás hőingadozását a töltési fázis alatt is, ennek következtében a kisebb hőingadozások kisebb maradó feszültséget okoznak. Amint a 24. ábra mutatja, a program az egyes hőmérsékleti tartományokat különböző színekkel jeleníti meg, a kék szín jelenti a legalacsonyabb hőmérséklettel rendelkező területeket, míg a piros szín a legmelegebb területet jelöli meg. Ha a fröccsöntési paraméterek nem megfelelően vannak beállítva, alacsony lesz az ömledék hőmérséklete, aminek következtében elégtelen lesz az üreg kitöltése. Az áramlási front 26

hőmérsékletének szimulálásával és a folyamat ilyen jellegű leírásával, az előbbi hiba megoldására is tehetünk javaslatot.

24. ábra Áramlási front hőmérséklet 5.1.2.9. A kidobási idő meghatározása Az Adviser saját optimalizáló algoritmussal határozza meg az alkatrész minőségi szempontjából ideális kidobási időt (25. ábra). Az optimalizálási eljárás eredményeképpen a deformáció és a maradó feszültségek mértéke minimalizálható. Ez a számítási módszer figyelembe veszi azt a jelenséget is, hogy a befröccsentési helynél, a ciklikusság miatt nagyobb a felmelegedés. Az új anyag alkalmazása befolyásolja a hűtési időt.

25. ábra Kidobási idő meghatározása 5.1.2.10. Hőmérsékletszórás A hőmérséklet variancia eredmény kiemeli azokat a területeket, melyek hőmérséklete eltér az alkatrész-geometria és a hűtési rendszer hatására az átlagos hőmérséklettől a ciklus végén (26. ábra). A piros szín jelzi azokat a területeket, melyek melegebbek az átlagosnál, és a kék jelzi azokat a területeket, melyek az átlagosnál hidegebbek. A hőmérséklet szórás eredmény továbbá megjeleníti az alkatrész egész geometriájának hőmérséklet eloszlását és felületi hőmérsékletét. A vastag szakaszok és hő csapdák, mint a kis zárt területek, szintén 27

befolyásolják az ömledék hűlését, tehát a megoldást több eredmény összevetésével érdemes együtt értelmezni.

26. ábra Hőmérséklet szórás

5.2. Az Autodesk Moldflow Insight technológiai szoftver Az Autodesk Moldflow Insight fröccsöntési technológiai szimulációs szoftver egyértelműen különválasztja az egyes fröccsöntési szakaszokat, amelyek a szerszám üreg kitöltése, az utónyomás és az alkatrész kilökését követő részfolyamat. Amennyiben csak a kitöltési analízist alkalmazzuk, az eredmény gyakorlatilag összevethető a Moldflow Adviser eredményeivel, azonban a beállítható paraméterek száma utóbbinál kevesebb, valamint az Insight a listázható eredmények számával nem szűkölködik. Más szempontból az Adviser-nek abban van előnye az Insight-hoz képest, hogy viszonylag gyorsabban ad gyakorlati szempontból fontos használható eredményeket, amely a parametrizálás leegyszerűsítéséből következik, ez tulajdonképpen a számítási idő csökkenését is jelenti. Többek között az üreg kitöltés megvalósíthatóságáról ad tájékoztatást. Annak érdekében, hogy a részfolyamatokhoz kapcsolódó egyes eredményeket a futtatás után elérhessük, még a futtatást megelőzően a felhasználó által be kell jelölni mindazokat, amelyek számára fontosak. Megjegyzendő, hogy a lehívott eredmények száma befolyásolja a számítás időszükségletét. Azonban, egyes eredmények háló specifikusak, ami igen megnövelheti egy-egy alkatrész modelljére vonatkozó előkészítési időt. Például, az alkatrész lehűlése után maradó feszültségről (ez már a kidobás után jelentkezik a munkadarabban), akkor kaphatunk információt, ha modellt a megfelelő típusú technikával hálózzuk (Midplane háló). A teljes fröccsöntési folyamat modellezéséhez, akár egy több szintű analízis is indokolttá válhat, ha tömbszerű alkatrészeket vizsgálunk.

5.3. Az Autodesk Moldflow Insight szimuláció felépítése, fő lépései A szimulációs modell felépítésének első lépése, az alkatrész geometria, CAD fájl behívása (az importálás előtt, ha szükséges a geometria átalakítása). Ezt követően, a megfelelő geometria birtokában, elvégezhető a modell hálózása az alkatrész geometriai viszonyaitól és kialakításától függően. A szoftver lehetővé teszi ugyanakkor a szerszám csatornában lejátszódó áramlás modellezését is. Ehhez szükséges a szerszámcsatornák CAD modellje, vagy magában az Insight-on belül is felépíthetjük az egy vagy több üreges szerszámok, szerszámcsatorna elemekre érvényes geometriát. Ezután tehetjük meg utóbbiak hálózását is. A geometriai modell hálózása után következik az anyagminőség és a fröccsöntési folyamat 28

paramétereinek megadása (ez magában foglalja a szerszámra és polimerre jellemző technológiai adatok megadását, valamint a fröccsöntő berendezés jellemzők konkretizálását is). A technológiai adatok beállítása után, következhet a modell futtatása, aminek idő szükséglete az elemszámtól és a parametrizálástól függően széles időtartományon belül változhat.

5.4. Autodesk Moldflow Insight elem típusok és hálózás A Moldflow hálózója dimenziótól függően többféle elemet és hálózási technikát kínál a felhasználóknak. A Moldflow-ban alkalmazott, jellegzetes elemtípusok a következők: a rúd-, a síkbeli három csomópontú háromszög elem és a térbeli tetra elem (27. ábra). Ezeknek alkalmazása természetesen geometria és feladat függő.

27. ábra Autodesk Moldflow Insight elemtípusok Az ún. „Midplane mesh” három csomópontú háromszög elemekből építi fel a modellezni kívánt test geometriáját, a 3D testet kétdimenziós alakzatként értelmezi. Keskeny falú alkatrészek esetén, ahol a térbeli elemek használata nem indokolt, ez a hálózás típus megfelelő, valamint a számítási időt is jelentősen csökkenti. Tömbszerű alkatrészek hálózásához a 3D tetra elem típust is használhatjuk. Keskeny falú alkatrészek esetében, a „Midplane” hálózási technika mellett lehetőség van egy újabb eljárásra, ez az ún. „Dual Domain” háló építésre. A „Dual Domain” technika vitathatatlan előnye a „Midplane”-el szemben, a geometriai modell előkészítés idő szükségletének csökkenése. A „Dual Domain” felületi hálózás lehetőséget nyújt az ömledék áramlásának szimulációjára az üreg alkatrész felső és alsó üreg féllel érintkező felületeken is, ahol egyébként a valóságnak megfelelően eltérő peremfeltételek is adódhatnak. A 28. ábra a „Dual Domain” technikával felépített „Knob” alkatrészt mutatja be, közel 40000 elemből épül fel. Az egyes hálózási technikákra jellemző paraméterek előírásai vagy irányértékei széles tartományok között változhatnak, az elemekre érvényes oldalaránya (Aspect ratio) értéke például igen eltérő lehet a „Dual Domain” és tetra hálózás eseteiben, ezért a háló előkészítésénél körültekintően kell eljárni. A Moldflow automatikus hálózást tesz lehetővé. A háló generálást követően mód nyílik a háló felülvizsgálatára és ellenőrzésére is, amely során információt szerezhetünk a háló minőségét jellemző mutat számokról. Ilyen például, az átlagos oldal arány értéke, az elemek orientáltsága, olyan hálózási hibák, mint az egymást átlapoló vagy metsző elemek. A javításra szoruló hálózási hibákat megtehetjük még a modell futtatását megelőzően manuálisan, vagy automatikusan a Moldflow nyújtotta kereteken belül.

29

28. ábra „Dual Domain” technikával behálózott „Knob” alkatrész Amennyiben a szerszám csatornákat, illetve a hűtő csatornákat is figyelembe kívánjuk venni az analízis során, első lépésként, azok geometriáját kell importálni, ami előzetesen a CAD fájl szerint is megtörténhet. Ellenkező esetben utólag is megtörténhet a szerszám csatornák, a felöntés és a gát geometriájának és elhelyezkedésének megadása, egy, a Moldflowba beépített geometria szerkesztőn keresztül. Többfészkes analízisek esetében ennek használata ajánlott. Egy ilyen esetet mutat be a 29. ábra. A gát és egyéb szerszám csatornák hosszának és pozíciójának megadása után, mind átkonvertálható rúd elemekké. Az ábrán sárga színnel jelölt kúp az ömledék beömlési helyét mutatja.

29. ábra Négy fészkes fröccsöntési hálózott modell a „Symbolring”alkatrészhez Mivel a Moldflow elsődlegesen egy technológiai szoftver, amellett, hogy az anyag adatbázisban igen nagyszámú és változatos polimer minőséget kínál, a fröccsöntő berendezések széles skálája között is válogathatunk. Így, az éppen aktuális alkatrészhez rendelt fröccsöntő gép paramétereinek is pontos leírását lehet megtenni.

30

6. Az Autodesk Moldflow Insight technológiai szoftverrel előállított eredmények A Moldflow Insight szoftverrel számított eredmények az egyes fröccsöntési szakaszokra külön - külön csoportosítva listázhatóak. A következőkben, a korábban bemutatott fröccsöntött alkatrészekre vonatkozó technológiai szimuláció eredményeit részletezzük. A listázható eredmények a vizsgálni kívánt fröccsöntési szakaszok számától függően változhat. Egy komplexebb vizsgálatban, ahol a kitöltési és utónyomási szakaszon kívül, vizsgáljuk az alkatrészt annak teljes lehűléséig és az alkatrész kilökést követő folyamatot, nyílván több eredményhez juthatunk hozzá. A következő esetekben, a modellezett fröccsöntési folyamat, az üreg kitöltési szakaszra, az utónyomási szakaszra terjed ki, valamint eredményeket közlünk az alkatrészek vetemedéséről is. Olyan eredményeket is bemutatunk, amelyek részben hasonlóak az Adviser-el számoltakhoz. Az alkatrészek viselkedésének pontosabb leírásához szükséges jellemzőket is bemutatunk, amelyek a technológiai paraméterektől függően széles tartományon belül változhatnak. Itt nem térünk ki az összes eredmény bemutatására, inkább az alkatrész minősége és a folyamat optimalizálása szempontjából érdekes jellemzőket foglaljuk össze.

6.1. Autodesk Moldflow Insight eredmények szálerősítés nélküli műanyagok esetén A szimulációkkal jellemzően két polimer csoportot vizsgáltunk, az erősítés nélküli és a szálerősített polimereket. Az előbbi csoport esetében bemutatjuk az alkatrész minőségét nagymértékben befolyásoló jellemzőket, valamint az alkatrész szerkezeti változásainak előrejelzésére alkalmas technikákat. A szálerősített anyag esetében ilyen részletes jellemzésre nem törekszünk, ott inkább a szál orientáció témáját részletezzük, amely egyébként a további feladatok szempontjából igen lényeges pontja a kutatásnak. Ennek birtokában képesek leszünk az alkatrészek ilyen jellegű tulajdonságát is figyelembe venni egy konkrét terhelési feladatnál. A technológiai paraméterek megváltozása ugyanis a mikro szerkezetben jelentős változásokat idézhet elő, ezáltal nagymértékű anizotrópiát okozva az alkatrészekben. A műanyag alkatrészek terhelési analízisének korrekt leírásához és modellezéséhez szükséges a szálorientáció minél pontosabb ismerete. 6.1.1. Nyomás változása gátnál A gát környezetében uralkodó nyomás nem állandó, hanem folyamatosan változik a kitöltési és az utónyomási szakaszban egyaránt (30. ábra). A kitöltési szakasz alatt nyomásnövekedés következik be a szerszám csatornában és az üregekben is, ami egyrészről természetes folyamat, a hűlési viszonyoktól és az egyre növekvő ömledék térfogattól egyaránt függ. Másrészről pedig, kitöltéskor mesterségesen szabályozzák az ömledék áramlási sebességét. Az utónyomási szakaszban az üregnyomást a csigadugattyú előtt lévő anyagpárna mozgatásával szabályozzák, miközben az üregben a polimer folyamatosan megszilárdul, eközben zsugorodik is. A görbe nemlineáris szakasza az üreg kitöltési szakaszára utal, a lineáris tartományok az utónyomási szakaszra érvényesek és jelölik egyben a nyomás szabályozás kapcsolását is. Az utónyomási szakaszban két lépcsőben szabályozzák az üregnyomást, miközben a gát is megszilárdul. Az utónyomási szakasz végére a nyomás értéke nullává válik, ekkorra már az alkatrész zsugorodása is jelentős mértékű.

31

30. ábra Nyomás változás a gát környezetében a „Knob” alkatrész esetében

6.2. A fröccsöntési folyamat erőszükséglete Az Insight alkalmas a folyamat erőszükségletének meghatározására is. Az alábbi 31. ábra „Knob” alkatrész fröccsöntésekor jelentkező záróerő változását mutatja a fröccsöntési idő függvényében. A záró erő tulajdonképpen az a minimális szerszám összeszorító erő, ami ahhoz szükséges, hogy a két szerszámfél ne nyíljon szét egymástól a fröccsöntés folyamata során. A meredeken emelkedő görbe korai szakasza az üreg kitöltésre vonatkozó záróerő változást mutatja, kb. a 0.34 másodpercnél következik be a v/p kapcsolás, ami az utónyomási szakasz kezdetét jelöli. Innentől megváltozik a görbe meredeksége, amíg eléri az erő maximumot. Ezután az erő csökkenése figyelhető meg, amit az utónyomás szabályozásának köszönhető. A diagram végén az erőgörbe ellaposodik, eközben az alkatrész a szerszámban hűl, ami együtt jár a térfogatcsökkenéssel.

31. ábra Záróerő változása a fröccsöntési folyamat során

32

6.3. Anyagi szálak orientációjának meghatározása Az anyagi szálak orientációja befolyásolja egyrészről a zsugorodást másrészről a vetemedés jellegét, ezért meghatározása fontos a késztermék minőségét illetően. Az Insight számol orientációt az alkatrész felületén (32. ábra) és a belsejében (33. ábra) is.

32. ábra Orientáció meghatározása a „Symbolring” alkatrész felületén

33. ábra Orientáció meghatározása a „Symbolring” alkatrész keresztmetszetének belsejében

6.4. A maradó feszültségek meghatározása A maradó feszültségek meghatározására a fröccsöntési folyamat több szakaszában van lehetőségünk. Az ún. Dual Domain technikával hálózott modellek esetében lehetőségünk van még az alkatrész kilökése előtti állapotban a maradó feszültségek meghatározására. A 34. ábra „Konb” és „Symbolring” alkatrészekben kialakuló maradó feszültség eloszlásáról ad tájékoztatást. A piros színnel, az alkatrészben kialakuló legnagyobb feszültségek vannak jelölve. Ugyanez információt ad a veszélyes keresztmetszetek pozíciójáról is. Az Insight többek között ezeket az eredményeket felhasználva számolja ki az alkatrész vetemedését.

34. ábra Az alkatrészekben kialakuló maradó feszültség a kidobás előtt 33

6.5. Alkatrészek zsugorodása, vetemedése és a sűrűségváltozás Az kitöltési és utónyomási szakaszra vonatkozó futtatások eredményei alapján a Moldflow Insight-ban lehetőségünk van az alkatrészek zsugorodásának (35. ábra) és vetemedésének meghatározására (36. ábra). A polimer alkatrészek zsugorodásával mindig kell számolni és előre tervezni, a szerszámüreg kialakításánál is kritikus, anyagminőségenként változó tényező. A szerszámba beáramló ömledék összenyomhatósága, valamint a hőmérséklet csökkenés egyaránt befolyásolja a zsugorodás mértékét. A 35. ábra felső képén a zsugorodást színképpel jellemezzük, abban az időpillanatban, amikor az alkatrész már teljesen lehűlt. Az alsó képen látható diagramban szintén a zsugorodás látható, viszont itt a polimer megszilárdulás után a teljes lehűlésig követhetjük a térfogat változást, az adatokat három az alkatrész három különböző pontjában határoztuk meg.

35. ábra Alkatrész zsugorodása Minőségi és szerelhetőségi szempontból kívánatos a fröccsöntött alkatrészek vetemedésének minél pontosabb előrejelzése. A szilárd polimer szerkezetét maradó feszültségek terhelik, amelyek a fröccsöntés alatt kialakuló hőmérsékleti viszonyokból, valamint az áramlás körülményei miatt erősen orientált anyagi szálak relaxációjából egyaránt következik. Az alábbi képeken a vetemedés mm-ben van megadva. A színskálán a piros szín jelöli az alkatrész esetében kialakuló legnagyobb deformációt, egyben annak helyét is meghatározza. A szemléltetés kedvéért a képeken szereplő alkatrészek deformációját többszörös (15x, illetve 10x) nagyításban mutatjuk be.

34

36. ábra „Knob” és „Symbolring” alkatrészek vetemedés Az olyan fizikai jellemző, mint a sűrűség változását is figyelemmel kísérhetjük a fröccsöntési folyamatban. Erre mutat példát a 37. ábra. A sűrűséget az idő függvényében ábrázoljuk. A sűrűség az ömledék hőmérséklet változásától valamint annak összenyomhatóságától függően az idő szerint változik. A görbe meredeken emelkedő szakasza végén, a sűrűség elér egy maximumot ekkor az utónyomás értéke is magas. A polimer összenyomhatósága révén plusz anyagmennyiség kerül az üregbe ami kissé megnövelheti a sűrűséget. Az adatokat az alkatrész három pontjából vettük ki.

37. ábra Sűrűség változás a „Knob” alkatrészben

6.6. Az alkatrészek minőségi előrejelzésére vonatkozó adatok A termékbe befagyott légbuborékok, egyes esetekben komoly minőségi hibát okozhatnak. Az Insight képes az ilyen típusú hibát előre jelezni. Az alábbi képeken bemutatjuk a légbuborékok megjelenésének legvalószínűbb helyeit, ezek lila színnel vannak megjelölve. A buborék nagyságáról nem adnak tájékoztatást, inkább csak a buborék előfordulási helyeiről (38. ábra).

35

38. ábra Légbuborékok előfordulási helyei a kész alkatrészekben

6.7. Az összecsapási vonalak meghatározása Az Adviserhez hasonlóan, az Insight-tal is meghatározható az összecsapási vonalak elhelyezkedése és a minőségükre vonatkozó mutatószám (39. ábra).

39. ábra Összecsapási vonalak elhelyezkedése a kész alkatrészekben 36

6.8. „Knob” alkatrész fröccsöntési szimulációja, szálerősített polimer esetében A jövőben, a szerkezeti szimulációkkal elsősorban a szálerősített és erősítés nélküli műanyagok alkalmazásának hatásait kívánjuk összehasonlítani a kész szerkezet terhelési analízisében. A szálerősített műanyagok nagyobb szilárdságot és életteartamot biztosítanak az egyes alkatrésznek. A csatolt analízisek végrehajtásához természetesen szükség van a Molfdflow szimulációs program által előállított szálorientációra vonatkozó eredményre is. Az alábbiakban a „Knob” alakatrészre vonatkozó fröccsöntési szimuláció eredményeit mutatjuk be. Az általunk kiválasztott szálerősített polimer, az autóiparban elterjedten használt üvegszálas műszaki műanyag, az alább felsorolt, főbb mechanikai anyagjellemzők vonatkoznak rá (külön-külön jelültök az alapmátrixra és az üvegszálra érvényes tulajdonságokat): Alapmátrix neve/jelölése: Polymer POLYCARBONATES (PC) Alcom PC 740/1.2 GF 30 PTFE 13 Si 2  Sűrűség: 1.4929 g/cm³  Young modulusz: 2900 MPa  Poisson tényező : 0.4407  Anyagtörvény: rugalmas-képlékeny izotróp keményedő anyag  Folyáshatár: 40 MPa  Hardening modulus: 35 MPa  Keményedési kitevő: 300  Rugalmassági modulusz az első főirányban: 8413.43  Rugalmassági modulusz a második főirányban: 4836.61  Poisson tényező (v12): 0.4407  Poisson tényező (v23): 0.4842 Erősítő fázis neve/jelölése: Glass fibers  Sűrűség: 2.5 g/cm³  Young modulusz : 72000 MPa  Poisson tényező: 0.22  Tőmeg százalék: 30%  Oldal arány: 25  Orientáció: 0° A fröccsöntés szimuláció paramétereinek megadásánál, törekedtünk arra, hogy az alkatrész gyártásánál alkalmazott gyártási (berendezés, szerszám és polimer) jellemzőkkel dolgozzunk. Az ipari körülmények között az alkatrészt többfészkes szerszámba fröccsöntik, ennek szimulációjától eltekintettünk, így csupán egy alkatrészt modelleztünk. Az általunk szimulált szálerősített alkatrész, egyik legfontosabb anyagszerkezeti jellemzője, a szálorientáció, amely alapvetően meghatározza az alkatrész mechanikai tulajdonságait. A Moldflow szimulációt futtatva a teljes alkatrész térfogatára vonatkozóan kiszámítható az erősítő szálak orientáltsága. Erre mutat példát a 40. ábra. A analízis kiterjedt a kitöltési, az utónyomási szakaszra, valamint modelleztük az alkatrész vetemedését is, mindezek összekapcsolásával előre jelezhető a szálas kompozit viselkedése a fröccsöntési folyamat végére. A kompozit anyagok modellezése sokkal komplexebb, mint a hagyományos műanyagok fröccsöntésekor lejátszódó áramlási viszonyok analízise. Az üreg kitöltés modellezésekor úgy foghatjuk fel a kompozitot, mint viszkózus közegben szuszpendált szálas részecskéket. A szálak között eközben mechanikai és/vagy hidrodinamikai kölcsönhatás is kialakulhat [4]. A kereskedelmi forgalomban kapható 37

letöbb polimer 10-50% tömeg százaléknyi erősítő szálat is tartalmaznak, ezáltal koncentrált szuszpenzióknak is tekinthetők ömledék állapotban. A fröccsöntött szálas polimer kompozitok fröccsöntésekor, a szálakra jellemző egyfajta réteges elrendeződés, amelyet befolyásol egyrészt a töltési sebesség, a technológiai paraméterek, az anyagminőség, másrészt a szálak geometriája és koncentrációja. A Moldflowba beépített szálorientációt leíró modellek megfelelő pontossággal írják le az orientációt nagyszámú anyagminőség és szálkoncentráció esetére. A kompozitok fő mechanikai tulajdonságai az elemi orientációt leíró adatokból származtathatóak. Jelentős különbségek adódhatnak a mechanikai tulajdonságokban a szálkoncentráció és orientáció megváltozásának következtében. A szálorientációs analízis eredményei bemeneti adatként szolgálnak a feszültségi analízisnek vagy vetemedési vizsgálatnak.

40. ábra Szál orientáció a szál erősített polimerrel fröccssöntött „Knob” alkatrészben

7. A technológiai szimuláció eredményeinek implementálása a strukturális analízisbe A technológiai szoftver eredményeinek importálásával - egy strukturális analízisre alkalmas végeselemes szoftverbe - lehetőség nyílik arra, hogy a technológiától függő anyagtulajdonságokat is figyelembe vehessük a számítógépi modellezési szinten. Ilyen anyagtulajdonság például, a kompozit anyagok mechanikai jellemzőit nagyban befolyásoló erősítő szálorientáció. A két végeselemes szoftver összekapcsolásához, valamint a mikromechanikai anyagmodell létrehozásához egy harmadik szoftver beépítése szükséges a rendszerbe. A strukturális elemzésekhez használt MSC.Marc nemlineáris végeselemes szoftver és a Moldflow technológiai szimulációs program eredményeit a Digimat-CAE modulja kapcsolja össze. A fröccsöntési technológia sajátosságaiból és a gyártási paraméterekből következően az anizotrópia kialakulása elkerülhetetlen bármilyen polimer fröccsöntése esetén. Az előzőekben részletesen bemutatott Moldflow szimulációval előállított eredmények között megtalálhatjuk a szálorientácóra vonatkozó eredményt is. A Digimat CAE, rendszerbe való elhelyezéséhez az alábbi ábra nyújt segítséget (41. ábra). A csatolt végeselemes analízisek első lépéseként a Digimat szoftverben elő kell állítani az érvényes anyagmodelt, ami a legfontosabb anyag paraméterek és az anyagcsoport (kompozitok vagy egynemű anyagok) megadását jelenti, továbbá a technológiai folyamat paraméterei által meghatározott mikro-szerkezetet. Konkrétabb esetet tárgyalva, a szálerősített polimer 38

szerkezetekre jellemző szálorientációt a Moldflow program „Fiber Orientation Tensor” formájában állítja elő listázható eredményként, amely pontosan leírja a fröccsöntött polimer alkatrész egész térfogatában kialakuló erősítő szálak elrendeződését. Ezt a típusú eredményt exportálhatjuk a Digimat CAE szoftverbe, amely a csatolt analízis esetében, hozzáadja azt az aktuális anyagmodellhez. A csatolt analízisek második lépéseként, a megfelelő interfészeket kell felépíteni. Esetünkben, a csatolt analízishez, a Digimat-CAE és az MSC.Marc végeselemes szoftver között kell az interfészt felépíteni. A Digimat szoftver futtatásával olyan anyagmodellek állnak elő, amelyeket kisebb átalakításokkal értelmezhetővé és feldolgozhatóvá válnak az MSC.Marc szoftver számára. A csatolt analízisekben, fröccsöntött alkatrész szálorientációja mellett figyelembe vehetjük a folyamat során kialakuló maradó feszültséget is.

41. ábra Csatolt végeselemes analízisek egyszerűsített folyamat ábrája Egy technológiai (MoldFlow) és egy mikro-mechanikai szimulációs eszköz összekapcsolása tulajdonképpen a mérnöki műanyagok anyagegyenletének meghatározását teszi lehetővé. A kapott eredmény, mikro-mechanikai szimulációs szoftverbe való implementálásával az anyagminőségnek és az anizotrópiának megfelelő mikro-cellát hozunk létre. Ezek a mikro-cellák az anyagfejlesztésben kerülnek alkalmazásra, és végeselemes szoftverben lesz elérhető a többi anyagmodell mellett.

8. A „Műanyag előállítási technológiák” tématerület további feladatainak összefoglalása A számítási módszerek alkalmazása az anyagtudományban és gépészetben igen jelentősen megnövekedett az utóbbi években. A számítástechnika folyamatos fejlődésével a komplex mikro-szerkezetek és mérnöki alkatrészek részletes analízise, - beleértve a nem-lineáris anyagi viselkedést, - manapság könnyebben elvégezhető. Kiemelt terület az anyagok viselkedésének és a mikro-szerkezetek modellezése multi-scale eszközök segítségével. A multi-scale probléma megoldásának a célja, hogy az anyagtudomány és mechanika különböző méretszintű alkalmazásával, azonosítható kisméretű szerkezetekkel és analitikus, valamint numerikus módszerekkel meg tudja határozni az alkatrészek/szerkezetek 39

makroszkópikus reakcióját. Egy multi-scale modell kifejlesztéséhez mérés és modellezési technikák együttes alkalmazása szükséges, az ehhez szükséges tudás és eszközök rendelkezésre állnak. Egy technológiai (MoldFlow) és egy mikro-mechanikai szimulációs eszköz összekapcsolása mérnöki műanyagok anyagegyenletének meghatározásához. A kapott eredmény implementálása a mikro-mechanikai szimulációs szoftverbe az anizotrópia tekintetében, majd az anyagminőségnek és az anizotrópiának megfelelő mikrocella létrehozása. Ezek a mikro-cellák az anyagfejlesztésben kerülnek alkalmazásra, és végeselemes szoftverben lesz elérhető a többi anyagmodell mellett. Újszerű mérnöki polimer kerülhet kifejlesztésre, valamint ennek az anyagnak az előnyei lesznek figyelembe vehetők a termék és alkatrész tervezés során. Külön hangsúly fektetődik az autógyártás során az autó belső terében alkalmazott műanyagokra. Az Európai Unió biztonsági szabályozásának megfelelően ezek az anyagok nem törhetnek ridegen hirtelen bekövetkező, ütésszerű igénybevétel esetén, de ugyanakkor nagy merevséggel kell rendelkezzenek.

A jelentés elkészítését a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

40

Irodalomjegyzék [1] Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János: A polimertechnika alapjai (2007) http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tkt/polimertechnika-alapjai/ch09.html [2] Pukánszky Béla: Műanyagok, 2003 kiadja: BME Műanyag és Gumi Ipari Tanszék [3] Moldflow Design Guide A Resource for Plastics Engineers, Edited by Jay Shoemaker Moldflow Corporation, Framingham, Massachusetts, U.S.A [4] Autodesk Moldflow Insight Help [5] http://www.muanyagipariszemle.hu/2010/03/osszecsapasi-vonalak-kialakitasa-afroccsontesnel-08.pdf [6] http://www.aliexpress.com/store/product/1000T-two-component-injection-mouldinfgmachine-overmolding-injection-machine-double-color-injectionmachine/713744_642854924.html

41