Snižování výrobních nákladů pomocí Autodesk Moldflow analýzy

Transkript

1 Snižování výrobních nákladů pomocí Autodesk Moldflow analýzy 1. Úvod Petr Halaška SMARTPLAST s.r.o., Zlín, Česká republika Při standardním způsobu návrhu výstřiku se uplatňují hlavně zkušenosti designéra a konstruktéra formy. Do jaké míry byl návrh výstřiku a formy úspěšný se ukáže až po výrobě vstřikovací formy a po vystříknutí zkušebních výlisků. Totéž platí pro samotné nastavení parametrů vstřikovacího procesu, které je dáno hlavně zkušenostmi technologa. Cena vstřikovaného dílu je z největší části dána sumou těchto cen: cenou vstřikovací formy, cenou plastu, hmotností výstřiku včetně vtoků a délkou vstřikovacího cyklu. Výše těchto cen je zejména ovlivněna ve fázi designu plastového dílce, konstrukce vstřikovací formy a technologické přípravy výroby, tj. nastavením technologických podmínek vstřikovacího procesu. Ve vývoji je fixováno až 70% celkových nákladů na výrobu, přičemž vývojová fáze představuje zhruba 5% výrobních nákladů. To je rozhodně důvod, proč věnovat vývojové fázi velkou pozornost. Protože s částkou odpovídající 5% výrobních nákladů můžeme ušetřit desítky procent celkových výrobních nákladů. (Obr. 1) Tímto se dostáváme k požadavku krizových rozpočtů: Extrémnímu stlačení výrobních nákladů, které ale nutně nemusí vést ke snížení rentability. Cílem společnosti SMARTPLAST s.r.o. je pomoc při vývoji vstřikovaných plastových dílů, nástrojů a nastavení vstřikovacích parametrů tak, aby byla dosažena co nejvyšší úspora výrobních nákladů. Nejprve se podívejme, jak je vývoj a příprava výroby rozdělena v globálním tržním prostředí: Ve světě globálního tržního prostředí jsou realizační týmy, které řeší design dílu, návrh nástrojů a výrobní technologii od sebe vzdáleny tisíce kilometrů a několik časových pásem. Obr. 1: Růst nákladů na uvedení výrobku na trh a vliv jednotlivých etap na růst nákladů

2 Pokud tyto týmy nemají v rukou exaktní hodnoty popisující design, nástroj a technologii, jejich komunikace může být velmi složitá až konfliktní a hlavně vede k nárůstu nákladů a prodloužení času pro uvedení výrobku na trh. (Obr. 2) Prodloužení času pro uvedení výrobku může vést k obrovské finanční ztrátě plynoucí z doby, kdy nejsem první a jediný na trhu nabízející nový produkt a úspora výrobních nákladů zvyšuje zisk a konkurence schopnost hlavně ve chvíli, kdy už na trhu nejsem jediný. Pozorný čtenář si jistě všiml, že neuvádíme jako dříve obchodní název Moldflow, ale Autodesk Moldflow. Moldflow, Inc. je od května 2008 začleněna do Autodesk, Inc. Moldflow tedy vstoupil do společnosti, jejíž softwarové produkty používá 9 milionů uživatelů ve 185 zemích světa. Řešení Autodesk Moldflow je začleněno do skupiny softwarových produktů, která nese název Digital Prototyp. Digital Prototyp umožňuje stručně řečeno vytvářet design výrobku, návrh nástrojů, testování, výrobní řešení, kvalitu a správu a sdílení dat. Nyní se ale věnujme řešení pro analýzu vstřikovacího procesu Autodesk Moldflow. Původní název Moldflow Plastics Advisers je nyní Autodesk Moldflow Adviser (AMA) a původní Moldflow Plastic Insight je nyní AMI Autodesk Moldflow Insight (AMI). Původní struktura softwarových modulů byla zjednodušena z 28 u MPI na 4 AMI produkty a z původních 5 MPA modulů jsou nyní 3 AMA produkty. Což je důležité hlavně pro snadnější orientaci potenciálních uživatelů. Lze předpokládat, že fúze Autodesku a Moldflow povede k vytvoření uživatelsky příjemnějšího prostředí, hlavně v oblasti úpravy modelu, tvorbě vtokového a chladícího systému a exportu dat z výpočtových modulů do CAD systémů. Bezesporu se také zvýší možnosti vývoje výpočtových modelů, které popisují chování polymerní taveniny, proudění a hlavně smrštění a deformace. Je předpoklad, že materiálová databáze bude rychleji rozšiřována o nové polymery. Obr. 2: Týmy realizující vývoj a přípravu výroby plastového dílu 2. Nástroje pro optimalizaci vstřikovacího procesu Autodesk Moldflow AMA Autodesk Moldflow Adviser je expertní nástroj, určený zejména pro konstruktéry dílu a forem pro rychlou analýzu v postupných fázích návrhu, popř. pro technology pro ověření nastavených procesních parametrů a kalkulaci ceny výstřiku. Tento nástroj může

3 běžet na pozadí CAD software a konstruktér může v kterékoliv fázi návrhu dílu nebo nástroje provést analýzu. Dostává jednoznačný výsledek s jednoduchým popisem problému a s možností jeho odstranění. Tzn. že tento expertní nástroj nepotřebuje hluboké znalosti problematiky vstřikovacího procesu, reologie a fyziky polymerů. Pracuje na bázi metody konečných prvků a umožňuje výpočty pomocí sítě Dual Domain i 3D. (Obr. 3) AMI Autodesk Moldflow Insight je nástroj pro hloubkovou analýzu vstřikovacího procesu. Poskytuje bezkonkurenční generování a editaci sítě konečných prvků a množství řešičů. Nejprve generátory sítě konečných prvků v AMI umožňují provádět výpočty na síti střednicové plochy, na síti dual domain a na síti objemové s využitím prvků TETRA 4 i TETRA 10. (Obr. 3) Výpočtové moduly jsou určeny pro komplexní analýzu vstřikovacího procesu včetně optimalizace DOE, dvoukomponentního vstřikování, zástřiků, analýzy vstřikování se systémem Dynamic Feed, vstřikování s technologií GIT, vstřikování termosetů. Dále je možno analyzovat průhyb jádra ve formě a změnu tloušťky stěny výstřiku a kompletní mechanickou analýzu na síti střednicové plochy a přenos dat do solverů pro strukturální analýzy Ansys, Nastran, Abaqus. Jak AMA tak AMI obsahují unikátní databázi polymerních materiálů, kde je uvedeno cca 8000 typů termoplastů s hodnotami technologických podmínek, reologických vlastností, PVT vlastností, teplotních dat, mechanických dat a hodnot smrštění, umožňujících optimalizaci designu dílu, nástroje a výroby. Midplane Dual Domain 3D tetra Obr. 3 Sítě konečných prvků Midplane, Dual Domain, 3D objemová síť Použitý typ sítě konečných prvků velmi významně ovlivňuje výsledek analýzy, zvláště v případě dílů, kde je velká tloušťka stěn a kde jsou velké změny průřezu a tvaru. V tomto případě je nutno použít síť tvořenou objemovými elementy tetrahedrony, aby nedocházelo ke zkreslení výsledků v důsledku nedostatečné interpretace změn tloušťky stěny. (Obr. 4, 5). Na minulé konferenci jsme prezentovali otázky, které si jednotlivé týmy kladou a na které naleznou exaktní odpověď pomocí nástrojů Autodesk Moldflow. Na tyto obecně pokládané otázky bychom rádi navázali otázkami úzce specializovanými, které se týkají hlavně: Smrštění dílu v dutině formy. Optimalizace chlazení Deformace zástřiků jak kovových tak plastových vlivem tlaku taveniny v dutině. Deformace tvarových částí formy vlivem tlaku taveniny. Dvoukomponentního vstřikování a následné deformace obou komponent dílu Mechanické pevnosti vstřikovaného dílu

4 3. Vliv modelu smrštění na reálné rozměry vstřikovaného dílu Obvyklým problémem hlavně pro konstruktéra formy je určit hodnoty smrštění polymeru a následně provést korekci dutiny o hodnoty smrštění. Pokud potřebujeme určit přesné smrštění vstřikovaného dílu a optimalizovat kritické rozměry v závislosti na vstřikovacích parametrech, jsou v databázi Moldflow pro část polymerů unikátní data smrštění naměřená ve zkušební formě vybavené teplotními a tlakovými čidly. Ta umožňují korekci výpočtu smrštění z PVT diagramu, který je nedostatečný pro semikrystalické polymery, pomocí tzv. CRIMS (Correct Residual In-mold Stress) modelu, který do výpočtu zahrnuje vznik krystalické fáze a její vliv na smrštění a také vliv orientace makromolekul na smrštění ve směru toku taveniny a kolmo na směr taveniny. Hodnoty smrštění pro CRIMS model jsou naměřeny v testovací formě (Obr. 4) ve směru toku taveniny a kolmo na směr toku taveniny při variovaném nastavení vstřikovacích parametrů.(obr. 5) Pokud bychom počítali smrštění polymeru pouze z PVT diagramu, jak je obvyklé, dostaneme hodnoty značně zkreslené, protože PVT data nezahrnují orientaci makromolekulárních řetězců vlivem smykové rychlosti proudící taveniny, orientaci vláken, případně nárůst krystalické fáze smykovou rychlostí. Obr. 4: Vliv CRIMS modelu smrštění na rozměry dílu. Způsob měření hodnot pro CRIMS model. Obr. 5: Příklad tabulky naměřených hodnot CRIMS

5 Na obrázku 4 je vidět smrštění průměru dílu vstřikovaného za stejných podmínek, ale s použitím CRIMS modelu a bez něj. V případě použití pouze PVT dat bez korekce CRIMS modelem bylo vypočteno smrštění průměru 1,2%. S korekcí CRIMS bylo vypočteno smrštění 1,96%. Smrštění reálně vstřikovaného dílu bylo 2%. Tzn., že bez této korekce vzniká chyba 60%. Někdy může být smrštění dílu výrazně vyšší než udává výrobce polymeru. (Obr. 6). Typickým příkladem jsou TPE. Praxe ukázala, že vypočítané smrštění je správné. Obr. 6: Smrštění ve směru toku taveniny kroužku z TPE 4. Optimalizace chlazení Optimalizaci chlazení jsme schopni provést ve spolupráci s firmou Innomia s.r.o. ( která používá k výrobě tvarových vložek formy metodu Direct Metal Laser Sintering. Tato metoda umožňuje pomocí laserového spékání ocelových prášků vyrobit v tvarové části formy téměř libovolný tvar chladících okruhů, výborně kopírující dutinu i v malých detailech (obr. 7). Zajistí se tak dokonalý odvod tepla. Čas cyklu se zkrátí až o 50% (obr. 8) a teplota formy se sníží v exponovaných místech o 20 C, stejně jako se zmenší teplotní rozdíly v dutině formy (obr. 8). Sníží se tak výrazně rozdíl objemů v chladnoucím polymeru a tím také deformace dílu. Obr. 7: Příklad vrtaného a konformního chlazení

6 Obr. 8: Rozdíl času pro dosažení teploty vyhození dílu z formy chlazení DMLS 18s, vrtané 29s Obr. 9: Rozdíl teplot formy DMLS chlazení 81 C, vrtané 101 C 5. Deformace zástřiků jak kovových tak plastových vlivem tlaku taveniny v dutině. Nabízíme dále výpočet deformace zastřikovaných dílů jak plastových, tak kovových, vznikající působením tlaku a dotlaku taveniny v dutině formy (obr. 11). To je obzvlášť vhodné pro elektrotechnické a elektronické součástky, kde jsou zastříknuty vodivé dráhy apod. Na základě těchto výpočtů může být optimalizován vtokový systém a vstřikovací parametry tak, aby deformace byla minimální. (obr. 10) Obr. 10: Zástřik s kontakty a průhledný díl s vtokovými ústí

7 Obr. 11: Deformace zástřiku vlivem tlaku taveniny v dutině formy 6. Deformace tvarových částí formy vlivem tlaku polymerní taveniny v dutině. Smartplast nabízí také výpočty namáhání tvarových částí forem působením tlaku a dotlaku taveniny na exponované díly v sestavě dutiny formy. (obr. 12) Výpočet se provádí přímo v AMI modulu. Jsme schopni optimalizovat jak vtokovou soustavu a vstřikovací parametry, tak také design dílu nebo tvarové části formy. Kromě deformace tvaru můžeme také spočítat Von Misesovo napětí a hlavně změnu tloušťky stěny vstřikovaného dílu vlivem deformace tvarové části formy. (obr. 13) Obr. 12: Tvárník ve formě a deformace tvárníku působením tlaku taveniny v dutině formy Obr. 13: Změna tloušťky stěny dílu vlivem deformace tvárníku

8 7. Dvoukomponentní vstřikování a následné deformace obou komponent dílu Dvou a více komponentní vstřikování s sebou nese problémy při vzájemném působení vstřikovaných komponent. Hlavně působením teplot a tlaků v dutině formy. Můžeme v této oblasti poskytnout výpočty zejména deformací dílu po vyhození z dutiny (obr. 14). Výpočet deformace je proveden pro oba vstřikované polymery, přičemž je zde zahrnuta deformace působením druhého výstřiku na první, respektive jejich vzájemných teplot. (obr. 15) Obr. 14: 2K vstřikování. Deformace obou komponent Obr. 15: Teplotní pole obou komponent v 8.s cyklu druhého komponentu 8. Mechanická pevnost vstřikovaného dílu Obr. 16: Teplotní pole vstřikovaného dílu

9 Výsledky výpočtů z Moldflow AMI lze exportovat do řešičů pro strukturální analýzy a dále pokračovat ve výpočtech a optimalizacích pevnosti vstřikovaného dílu. Export je možný do ANSYS, Abaqus, Nastran. Exportovat můžeme stav reziduální napjatosti po vyhození dílu z dutiny formy (obr. 17) a změny materiálových vlastností vlivem orientace vláken plniva. Znalostí hodnot Youngova modulu ve všech osách, Poissonova čísla ve všech osách a smykového modulu můžeme jinak izotropní materiálový model změnit na ortotropní a výrazně tak zpřesnit výpočet. Dále můžeme ve strukturální analýze zohlednit znalosti výskytu studených spojů, případně lunkrů uvnitř dílu. Můžeme tak kromě optimalizace designu dílu optimalizovat také nastavené vstřikovací parametry, které ovlivňují mechanickou pevnost dílu. (Obr. 16, 17, 18) Obr. 17: Deformace dílu v ANSYSu pro variované teploty formy

10 Obr. 18: Deformace dílu v ANSYSu pro dvě varianty designu 9. Závěr SMARTPLAST s.r.o. nabízí řešení designu plastových dílů, optimalizaci nástrojů a vstřikovacího procesu, jednoznačně vedoucí k úsporám výrobních nákladů, vyplývajících zejména ze snížení hmotnosti dílu a spotřeby polymeru, zkrácení času vstřikovacího cyklu a zvýšení kvality dílu, zejména snížením deformace a smrštění. K řešení výše uvedené problematiky využíváme Autodesk Moldflow Insight. Jsme schopni řešit smrštění, deformace, optimalizaci nestacionárního, transientního chlazení a vstřikovacího cyklu, optimalizaci tlouštěk stěn dílu a to u vstřikování termoplastů, termosetů. Dále nabízíme řešení vícekomponentní vstřikování včetně deformace obou komponentů, vstřikování s asistencí plynu, zastřikování kovových zástřiků a kontaktů, včetně jejich deformace. Dokážeme řešit problematiku in-mold labelingu, injection compression a strukturální analýzy. V poskytování našich služeb je zúročeno 20 let zkušeností s technologií vstřikování, konstrukcí forem a vývoje plastových dílů, včetně technologie výroby nástrojů a přednášek na univerzitě. We make plastisc smart. Kontakt Petr Halaška, SMARTPLAST s.r.o., tel.: , GSM: , halaska@smartplast.cz, web: