- BLM 2.0 - нова технологія 3D-розрахунків
- Спрощена процедура підготовки сітки
- Створення 3D-сіток для моделі ливникових каналів
- Розрахунок руйнування і орієнтації волокнистого наповнювача
- Покращений метод розрахунку технологічної усадки, викривлення і залишкових напруг
- Завдання технологічного режиму з урахуванням особливостей литтєвий машини
- Зміна структури продуктів Moldex3D
- 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
- 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.
- 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.
- What's new in R14.0. CoreTech System Co. Ltd., 2016. 75 p.
- What's new in R14.0 SP1. CoreTech System Co. Ltd., 2016. 27 p.
- What's new in R14.0 SP2. CoreTech System Co. Ltd., 2016. 16 p.
- 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.
- Moldex3D tips: Designer BLM mesh size suggestion. Moldex3D Europe, 2016. 19 p.
- 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.
- Beaumont JP, Boell K. Controlling balanced molding through new hot runner manifold designs // 59 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2001. P. 932-936.
- 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.
- 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.