Стаття "Інженерні розрахунки лиття термопластів під тиском: версія Moldex3D R14" з журналу CADmaster №2 (84) 2016

1. BLM 2.0 - нова технологія 3D-розрахунків
2. Спрощена процедура підготовки сітки
3. Створення 3D-сіток для моделі ливникових каналів
4. Розрахунок руйнування і орієнтації волокнистого наповнювача
5. Покращений метод розрахунку технологічної усадки, викривлення і залишкових напруг
6. Завдання технологічного режиму з урахуванням особливостей литтєвий машини
7. Зміна структури продуктів Moldex3D
8. література

Досягнення в області інженерних розрахунків лиття термопластичних матеріалів під тиском останнім часом пов'язують головним чином з розвитком 3D-моделювання цього технологічного процесу [1]. У версії Moldex3D R14 компанії CoreTech System (Тайвань) реалізована вдосконалена технологія 3D-розрахунків на основі методу скінченних об'ємів [2] і розширена функціональність програмних продуктів [3]. Нижче розглянуті основні можливості версії Moldex3D R14 з урахуванням пакетів оновлень SP1 [4] і SP2 [5].

BLM 2.0 - нова технологія 3D-розрахунків

Хоча 3D-підхід має очевидні переваги [1], велика кількість елементів в сітках в поєднанні з високою складністю моделі процесу лиття під тиском створює проблему для користувачів з-за тривалих розрахунків. Ця проблема може бути вирішена при використанні комбінованих сіток, що містять різні типи 3D-елементів, а також нерівномірних (в напрямку товщини оформляє порожнини) сіток, оптимізованих з урахуванням фізичних явищ, характерних для процесу лиття термопластів під тиском.

У продуктах Moldex3D обидва підходи реалізовані в так званих BLM-сітках (Boundary Layer Mesh) [6], що дозволяють при істотно меншій кількості елементів моделі точніше врахувати процеси, що відбуваються при перебігу і охолодженні полімерного розплаву в оформляє порожнини литтєвий форми. При неізотерміческімі перебігу полімерних розплавів в умовах лиття під тиском в полімерному матеріалі поблизу стінок оформляє порожнини спостерігаються фізичні явища (зокрема, формування застиглих пристінних шарів і інтенсивне Дисипативна тепловиділення в розплаві), які мають великий вплив на втрати тиску при уприскуванні і інші характеристики литого процесу. При зменшенні товщини стінки деталі збільшується відносна товщина застиглих пристінних шарів і підвищується диссипация тепла, причому відносне положення зони інтенсивної диссипации тепла (високих швидкостей зсуву) зміщується ближче до середини товщини оформляє порожнини.

У новій версії Moldex3D застосовується вдосконалений варіант BLM-сіток, що отримав назву BLM 2.0, що містять до п'яти шарів призматичних елементів поблизу кожної зі стінок форми (в напрямку товщини оформляє порожнини), тоді як внутрішня частина оформляє порожнини складається з відносно великих тетраедричних елементів (рис. 1).

Збільшення кількості шарів призматичних елементів з трьох (в попередній версії) до п'яти призвело до суттєвого зменшення залежності результатів розрахунку від кількості елементів в сітці за рахунок кращого обліку диссипативного тепловиділення [7], що дозволяє використовувати сітки, що містять на 50-75% менше елементів, без зниження точності розрахунків [3].

Для підготовки BLM-сіток застосовується модуль Designer BLM, що надає широкі можливості для підготовки моделі виливки і литтєвий форми, а також завдання граничних умов в різних видах розрахунків. Серед цих можливостей:

• імпорт моделі литтєвий деталі, металевої та іншої арматури;
• автоматичне створення або імпорт моделі холодноканальной або горячеканальной літніковойсистеми, блоку форми, каналів охолодження, нагрівачів;
• імпорт вставок форми (наприклад, при відміну матеріалу вставки від матеріалу блоку форми), металевих деталей горячеканальной літніковойсистеми, завдання умов теплопередачі на кордонах їх контакту з іншими деталями литтєвий форми (для обліку повітряних зазорів і ін.), положення датчиків контролю температури;
• завдання розташування і конструкції воздухоотводов для проведення розрахунку з урахуванням впливу витіснення повітря з оформляє порожнини розплавом при заповненні форми;
• завдання умов закріплення деталей форми для розрахунку деформацій знаків і пуансонів на стадії заповнення;
• створення 3D-сіток для оформляє порожнини, ливникових каналів, системи нагрівання-охолодження і інших деталей литтєвий форми.

У модулі Designer BLM при необхідності можна змінити характерний розмір елементів сітки і відносну товщину шарів призматичних елементів з урахуванням діапазону товщини стінок деталі. При створенні 3D-сітки автоматично підвищується її густина в тих місцях, де це необхідно, - зокрема, в області впуску, поблизу отворів, зонах розгалуження і різкої зміни товщини оформляє порожнини, а також поперечного перерізу ливникових каналів і т.д.

Спрощена процедура підготовки сітки

Підготовка сітки є важливим етапом інженерних розрахунків, оскільки від якості сітки безпосередньо залежить коректність отриманих результатів, похибка розрахунків, а в ряді випадків і сама можливість виконання обчислень. У версії Moldex3D R14 процедура підготовки 3D-сітки істотно спрощена за рахунок поліпшення генератора сітки і вдосконалення чисельного методу.

Одне з практично важливих поліпшень - зниження вимог до мінімального значення форм-фактора (aspect ratio), який визначається для трикутних елементів поверхневої сітки (її побудова передує створенню 3D-сітки) як відношення діаметра вписаного кола до радіусу описаного кола, з 0,3 (у попередньої версії) до 0,05.

Поліпшення алгоритмів розрахунку положення ліній спаяний в версії Moldex3D R14, глибини утяжин дозволило зменшити чутливість до сітки при прогнозуванні проблем лиття під тиском.

У версії Moldex3D R14 відсутня вимога до пов'язаності сіток на кордоні контакту полімерної деталі, вставок деталі і вставок форми (рис. 2) для всіх технологій 3D-розрахунку, що спрощує підготовку моделей для розрахунків лиття з металевої і неметалічної арматурою, двокольорового і двокомпонентного лиття, а також деформацій знаків і пуансонів. Створена автоматично 3D-сітка може бути використана для розрахунків без перевірок і доробок [3].

Створення 3D-сіток для моделі ливникових каналів

У продуктах Moldex3D 3D-модель течії розплаву використовується не тільки для оформляє порожнини, але і в ливникової системи. Це дозволяє врахувати характерну нерівномірність температури, викликану нестационарностью (залежністю від часу) розподілу температури розплаву в ливникових каналах в поширених варіантах конструкції як холодноканальних [8], так і горячеканальних [9] систем. Користувачі можуть вибирати найбільш підходящий спосіб створення моделі ливникової системи в конкретному проекті за допомогою Майстра автоматичного створення моделі ливникових каналів, напівавтоматичного методу, імпорту моделі каналів з CAD-систем або комбінуючи ці методи (при використанні відповідних атрибутів для частин горячеканальной або холодноканальной літніковойсистеми). У перших двох випадках спочатку створюється модель центральної лінії каналів із заданим типом і розмірами поперечного перерізу, а для деяких типів каналів (трапеція, скругленная трапеція і ін.) І напрямком орієнтації щодо осі каналу. При цьому для наочності використовується тривимірне уявлення ливникових каналів. Принцип «що бачиш, то і отримаєш» забезпечує користувачеві комфортні умови в процесі підготовки моделі.

Поширені конструкції холодноканальних літників передбачають різні варіанти з'єднань ливникових каналів, а також зміна типу поперечного перерізу каналу при переході від центрального каналу до розвідному, від розвідного до впускного. Конструкції такого роду можуть створювати спотворення при автоматичному створенні 3D-сіток для літніковойсистеми в порівнянні з конструкцією реальної литтєвий форми. У версії Moldex3D R14 ці спотворення зведені до мінімуму, що дає користувачеві можливість застосовувати для розрахунку 3D-сітку, в максимальному ступені наближену до реальної конструкції. На рис 3 показані приклади візуалізації фрагментів моделі ливникових каналів, створених за їх центральним лініях (рис. 3, а, в, д), і 3D-сітка для цих каналів, автоматично побудована в модулі Designer BLM (рис. 3, б, г , е).

Можливість імпорту 3D-геометрії літніковойсистеми або її частин з наступною побудовою 3D-сітки дозволяє використовувати для розрахунків будь-які (навіть самі екзотичні, а також новаторські) варіанти конструкції ливникових каналів.

(A) (Б) (В) (Г) (Д) (Е)

Мал. 3. Візуальне уявлення з'єднань каналів літніковойсистеми в вихідної моделі (а, в, д) і 3D-сітка (б, г, е), автоматично побудована в модулі Designer BLM, для з'єднання ділянок розвідного литникового каналу (а, б), переходу від розвідного литникового каналу до впускного (в, г) і з'єднань центрального литникового каналу з розвідних, а також ділянок розвідних каналів (д, е) в холодноканальних ливникових системах

Розрахунок руйнування і орієнтації волокнистого наповнювача

Точність прогнозування технологічної усадки, викривлення і залишкових напружень в ливарних деталях з термопластів, що містять жорсткий волокнистий наповнювач (скляне, вуглецеве та інше волокно), у великій мірі визначається точністю моделювання руйнування частинок волокна в процесі переробки і їх орієнтації при перебігу розплаву в оформляє порожнини литтєвий форми. Продукти Moldex3D дозволяють моделювати процеси руйнування довгого і короткого волокна в матеріальному циліндрі на стадії пластикации, в каналах літніковойсистеми і оформляє порожнини литтєвий форми на стадії заповнення.

У версії Moldex3D R14 в «поліпшеної моделі анізотропної обертальної дифузії» iARD-RPR [10] взаємодія між частинками волокна, а також взаємовплив частинок волокна і полімерної матриці враховуються для щодо «повільного» процесу орієнтації, що підвищує точність прогнозування орієнтації волокна у внутрішніх шарах виливки . Колишній підхід на основі «швидкої» орієнтації частинок волокна приводив до підвищеної ступеня орієнтації волокна у внутрішніх шарах готової деталі в порівнянні з результатами експериментального вивчення.

Покращений метод розрахунку технологічної усадки, викривлення і залишкових напруг

Прогнозування технологічної усадки, викривлення і залишкових напруг входить в число найважливіших завдань, що вирішуються за допомогою сучасних систем інженерних розрахунків. У той же час для отримання коректних оцінок лінійних розмірів і відхилень форми деталі необхідно враховувати велику кількість факторів, що впливають на напружено-деформований стан виливки в литтєвий формі і після її вилучення з форми.

3D-моделювання напружено-деформованого стану виливки у формі проводиться в Moldex3D за методом залишкових напружень [11] на основі розрахунку термічних і орієнтаційних напружень.

Покращений метод розрахунку (Enhanced Warp Analysis) технологічної усадки, викривлення і залишкових напружень у версії Moldex3D R14 дозволяє підвищити точність прогнозування напружено-деформованого стану литтєвий деталі за рахунок обліку, зокрема:

• формування орієнтаційних напружень в застиглих пристінних шарах на стадії заповнення оформляє порожнини розплавом;
• формування термічних напруг для відливання в закритій формі з урахуванням впливу ущільнення і релаксації напружень при охолодженні в формі;
• впливу в'язкопружності термопластичного матеріалу при його переході від розплаву до твердого стану;
• високій швидкості збільшення модуля пружності термопласта при охолодженні шарів деталі в литтєвий формі;
• деформацій виливки в закритій формі, включаючи усадку в напрямку товщини оформляє порожнини, викривлення в формі, яке може відбуватися в межах зазорів, що утворюються при усадки в напрямку товщини;
• еластичного відновлення виливки після її вилучення з форми.

Також можна врахувати вплив в'язкопружності полімерного матеріалу на напружений стан і деформації виливки при термообробці.

При моделюванні процесу лиття під тиском із заставними деталями можна враховувати вплив ортотропного поведінки матеріалу заставних деталей на напружено-деформований стан виливки.

Новою можливістю є експорт в формат Excel результату розрахунку деформацій деталі (після технологічної усадки і викривлення) для обраних користувачем контурів на розрізі деталі з подальшою обробкою даних по биттю, відхилення від циліндричної та інших відхилень форми деталі (рис. 4).

Завдання технологічного режиму з урахуванням особливостей литтєвий машини

Завдання технологічного режиму при розрахунку в тому вигляді, як він задається в системі управління реальної литтєвий машини, є одним з переваг Moldex3D. У версії Moldex3D R14 розширені можливості користувача щодо врахування особливостей конструкції литтєвий машини і її системи управління.

У версію Moldex3D R14 додані інтерфейси систем управління ливарних машин Victor Taichung, а також інформація по характеристикам литого обладнання інших компаній-виробників.

Зміна структури продуктів Moldex3D

У версії Moldex3D R14 відбулася істотна зміна загальної структури продуктів Moldex3D. У новій структурі збережена лінійка продуктів Moldex3D eDesign, в якій користувач вибирає один з п'яти рівнів побудови сітки (рівень сітки задає розмір елемента, і, в кінцевому рахунку, кількість елементів сітки в моделі), а сама 3D-сітка будується автоматично. Для «класичного» лиття під тиском eDesign дозволяє моделювати стадії заповнення, ущільнення, охолодження виливка у формі, нагрівання та охолодження литтєвий форми з урахуванням конструкції системи охолодження і нагрівачів різних типів для моделей стаціонарного і нестаціонарного процесів (в тому числі попередній нагрів форми, тепловий розрахунок горячеканальной системи з урахуванням конструкції нагрівачів, розташування датчиків температури та ін.), розраховувати технологічну усадку, викривлення і залишкові напруги в деталі після її і звлеченія з форми. Є модулі для обліку в'язкопружності, моделювання термообробки, 3D-течії холодоагенту в каналах охолодження, рішення задач оптимізації технологічного режиму, полімерного матеріалу, конструкції деталі і литтєвий форми. Moldex3D eDesign дозволяє також моделювати деякі спеціальні технології лиття: лиття з металевої і неметалічної арматурою, різновиди двокомпонентного лиття, лиття з фізичним вспениванием, лиття під тиском порошкових металевих (MIM-технологія) і керамічних (CIM-технологія) композицій. Результати моделювання можуть бути експортовані в інші системи інженерних розрахунків.

Ряд Moldex3D Professional включає всі можливості eDesign і, на відміну від попередніх версій, технологію розрахунку BLM 2.0, яка розглянута вище. На додаток є інструментарій для перевірки і усунення дефектів поверхневої сітки після імпорту моделі деталі, ливникової системи та ін. В цей ряд включені також модулі для розрахунку процесів лиття з газом і лиття з водою.

Ще більші можливості роботи з поверхневими і твердотільними сітками надають продукти ряду Moldex3D Advanced . На додаток до можливостей Moldex3D Professional цей ряд дозволяє провести моделювання процесів инжекционно-компресійного формування, пресування, а також розрахувати оптичні характеристики ливарних деталей.

Автор висловлює подяку компанії CoreTech System за надану інформацію.

література

1. Барвінський І.А. 3D-розрахунки ливарних форм для лиття термопластів під тиском // Семінар «Сучасні технології виробництва та експлуатації прес-форм». Міжнародна виставка РОСМОЛД'2015. Москва. 24 червня 2015 г. С. 1-12.
2. Chang R.-Y., Yang W.-H. Numerical simulation of mold filling in injection molding using a three-dimensional finite volume approach // Int. J. Numer. Meth. Fluids. 2001. V. 37. P. 125-148.
3. What's new in R14.0. CoreTech System Co. Ltd., 2016. 75 p.
4. What's new in R14.0 SP1. CoreTech System Co. Ltd., 2016. 27 p.
5. What's new in R14.0 SP2. CoreTech System Co. Ltd., 2016. 16 p.
6. Chang RY, Liu L., Yang W.-H., Yang V., Hsu DC To refine mesh or not to? An innovative mesh generator for 3D mold filling analysis // 60 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2002. P. 455-459.
7. Moldex3D tips: Designer BLM mesh size suggestion. Moldex3D Europe, 2016. 19 p.
8. Beaumont JP, Young JH, Jaworski MJ Mold filling imbalances in geometrically balanced runner systems // J. Reinf. Plast. Comp. 1999. V. 18, № 6. P. 572-590.
9. Beaumont JP, Boell K. Controlling balanced molding through new hot runner manifold designs // 59 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2001. P. 932-936.
10. Заявка США 20120330627. Tseng H.-C., Chang R.-Y., Hsu C.-H. Method and computer readable media for determining orientation of fibers in a fluid. 2012.
11. Барвінський І.А. Прогнозування усадки при литті під тиском деталей з термопластів // III Міжнародний семінар «Сучасні технології лиття пластмас. Локалізація виробництва автокомпонентів і проблеми контролю якості ». Санкт-Петербург. 15-16 вересня 2011 г. С. 1-28.