Katedra konstruování stroj Fakulta strojní K 5 PLASTOVÉ 8 VSTŘIKOVACÍ FORMA PŘIHRÁDKA - Simulace plnění doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. a kolektiv verze - 1.0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpo tem eské republiky KA05.08 - Simulace plnění strana 1
Hledáte kvalitní studium? Nabízíme vám jej na Kated e konstruování stroj Katedra konstruování stroj je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západo eské univerzit v Plzni a pat í na fakult k nejv tším. Fakulta strojní je moderní otev enou vzd lávací institucí uznávanou i v oblasti v dy a výzkumu uplat ovaného v praxi. Katedra konstruování stroj disponuje modern vybavenými laborato emi s po íta ovou technikou, na které jsou nap. student m pro studijní ú ely neomezen k dispozici nové verze p edních CAD (Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systém. Laborato e katedry jsou ve všední dny student m pln k dispozici nap. pro práci na semestrálních, bakalá ských i diplomových pracích, i na dalších projektech v rámci univerzity apod. Kvalita výuky na kated e je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na kterém se pr b žn, zejména po absolvování jednotlivých semestr, podílejí všichni studenti. V sou asné dob probíhá na kated e konstruování stroj významná komplexní inovace výuky, v rámci které mj. vznikají i nové kvalitní u ební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro podporu výuky. Jeden z výsledk této snahy máte nyní ve svých rukou. V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na kated e také do spolupráce s p edními strojírenskými podniky v plze ském regionu i mimo n j. ada student rovn ž vyjíždí na studijní stáže a praxe do zahrani í. Nabídka studia na kated e konstruování stroj : Bakalá ské studium (3roky, titul Bc.) Studijní program Zam ení B2301: strojní inženýrství ( zam ený univerzitn ) Stavba výrobních stroj a za ízení Dopravní a manipula ní technika B2341: strojírenství (zam ený profesn ) Design pr myslové techniky Diagnostika a servis silni ních vozidel Servis zdravotnické techniky Studijní program Zam ení Magisterské studium (2roky, titul Ing.) N2301: Strojní inženýrství Stavba výrobních stroj a za ízení Dopravní a manipula ní technika Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz Západo eská univerzita v Plzni, 2013 ISBN doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. Ing. Eduard Müller Ing. Miroslav Grach KA05.08 - Simulace plnění strana 2
SIMULACE PLNĚNÍ DÍLU KA05-08 - PŘIHRÁDKA Simulace byla provedena v softwaru Autodesk Moldflow Insight 2015 Díl byl převeden z formátu *.CATPart (Catia V5) do formátu *.STEP Trajektorie jednotlivých kanálů byla převedena do formátu *.IGES Základní informace o počítaném dílu Typ sítě: 3D elementy (Tetraedry) Počet elementů v simulaci: 3 933 127 Sekvence simulace: chlazení + plnění + dotlak + deformace Materiál dílu: C3322T-M12 (PP+EPDM-T20), Shanghai PRET Composites Co Ltd Vtok: systém horkého rozvodu 2 trysek, Ø ústí vtoku = 3mm Materiál nástroje: ocel DIN 1.2343 (Bohler W300) Vstřikovací parametry: Čas plnění 2s Bod přepnutí na dotlak 99% zaplnění dutiny Velikost dotlaku 85% z dosaženého vstřikovacího tlaku Čas dotlaku 12s Teplota taveniny / trysek 215 C Teplota chladícího média 40 C Tlak chladícího média 8bar Typ chladícího média voda Čas chlazení 33s Vedlejší časy* 5s *vedlejšími časy se rozumí: otevírání/zavírání nástroje, vyjímání dílu, zakládání insertů, apod. KA05.08 - Simulace plnění strana 3
CHLADÍCÍ SYSTÉM Chladící systém byl kompletně převzat z formy KA.05.08. Chladící kanály byly navrženy tak, aby rovnoměrně chladily celý díl. Chladící kanály byly navrženy v průměrech 8mm, 10mm a 16mm. Chladící kanály Ø8 a Ø10mm Chladící věže Ø10 a Ø16mm Vtokový systém (horké trysky) KA05.08 - Simulace plnění strana 4
PLNĚNÍ A DOTLAK - PLNĚNÍ Postupné zobrazení charakteru plnění dutiny vstřikovacího nástroje v čase. Dutina naplněná z 50% objemu se naplní za 1 s. Dutina naplněná z 75% objemu se naplní za 1,4s. KA05.08 - Simulace plnění strana 5
Celkový čas plnění pro 100% objem dutiny je 2,2s. Tato analýza je důležitá pro odhalení vad (studené spoje, uzavírání vzduchu, místa posledního plnění => odvzdušnění v nástroji) viz. následující stránky. PLNĚNÍ A DOTLAK STUDENÉ SPOJE Vznik studených spojů je dán charakterem plnění (viz. předchozí list). Studené spoje mají podobný charakter jako svary. Jejich mechanické vlastnosti jsou silně ovlivněny teplotou na čele taveniny v okamžiku spojení proudů taveniny. Pokud je studený spoj situován v místě mechanického namáhání je nutné tento spoj přemístit pomocí designové změny kombinace zesílení a zeslabení tloušťky stěny (změna tokového poměru). Studené spoje KA05.08 - Simulace plnění strana 6
PLNĚNÍ A DOTLAK UZAVŘENÍ VZDUCHU V koutech a slepých tvarech dochází během vstřiku taveniny k uzavírání vzduchu. To může mít za následek nedoplnění tvaru nebo degradaci povrchu plastu vlivem tzv. Diesel efektu (vzduch se rychlým stlačováním zahřívá a na teplotu několika set C). Pro tato místa je nutné připravit ve vstřikovacím nástroji účinné odvzdušnění viz. KA05 Odvzdušnění (v místě dělení tvarových vložek, pomocí vyhazovačů, apod.) Uzavřený vzduch KA05.08 - Simulace plnění strana 7
PLNĚNÍ A DOTLAK TLAK PŘI PŘEPNUTÍ NA DOTLAK Zobrazení rozložení tlaku v dutině vstřikovacího nástroje v okamžiku přepnutí z plnící fáze na dotlak (99% dutiny je zaplněno taveninou). Max. hodnota potřebného tlaku určuje velikost vstřikovací jednotky stroje, resp. max. tlak, který je stroj schopen vyvinout. Nutno porovnat s doporučením výrobce vstřikovacího lisu. Nezaplněná místa PLNĚNÍ A DOTLAK TEPLOTA NA ČELE TAVENINY Průběh teploty na čele taveniny v okamžiku plnění. Rozdíl teplot by neměl být větší jak 20 C (od nastavené teploty taveniny). Při větším rozdílu teplot může dojít k předčasnému ochlazení čela taveniny a tím k nedoplnění tvaru. Teplota na čele taveniny výrazně ovlivňuje kvalitu studených spojů. Uvedený příklad je vyhovující (max. rozdíl teplot je 10.8 C) KA05.08 - Simulace plnění strana 8
PLNĚNÍ A DOTLAK PRŮBĚH TLAKU Časový průběh tlaku v místě přechodu mezi tryskou vstřikovacího stroje a vtokovým systémem formy. Kontrola velikosti dotlaku => startovní tlak dotlaku = 85% max. vstřikovacího tlaku. Max. vstřikovací tlak = 76MPa 85% tlak fáze dotlaku Fáze plnění Fáze dotlaku Fáze chlazení Fáze odformování dílu PLNĚNÍ A DOTLAK UZAVÍRACÍ SÍLA výpočet potřebné uzavírací síly vstřikovacího nástroje (bez bezpečnostní rezervy!). Hodnota určuje velikost vstřikovacího stroje, resp. velikost uzavírací jednotky. (v případě poddimenzování dojde při vstřiku k pootevření formy a následnému zástřiku taveniny do dělících rovin) Z grafu vyplívá že maximální síla je při přechodu mezi fází plnění a dotlaku. Maximální hodnota uzavírací síly je přibližně 533 tun (5 330 kn). Výpočet potřebné uzavírací síly lisu: F P uzavírací síla A proj plocha průmětu výstřiku K f p A do dělící roviny [cm 2 ] faktor schopnosti tečení taveniny plastu [bar/mm] max. vstřikovací tlak v dutině [bar] KA05.08 - Simulace plnění strana 9
PLNĚNÍ A DOTLAK HUSTOTA TAVENINY Hustota polymeru se během vstřikovacího procesu mění (vlivem chladnutí taveniny), její zvyšující se hodnota je důležitým ukazatelem délky působení dotlaku (zatuhnutí vtokového nálitku). hustota taveniny: 0.903 g/cm 3 hustota plastu: 1.077 g/cm 3 (hodnoty byly převzaty z materiálového listu daného plastu) PLNĚNÍ A DOTLAK ČAS ODFORMOVÁNÍ Udává dobu potřebnou k vychlazení vstřikovaného dílce na odformovací teplotu (závisí na použitém polymeru pro uvedený příklad = 119 C). Maxima se vyskytují v oblastech kolem vtokového ústí a v místech zesílení tloušťky stěn. Čas potřebný pro odformávání dílu je 47s. KA05.08 - Simulace plnění strana 10
PLNĚNÍ A DOTLAK TLAK Zobrazení rozložení tlaku v dutině formy v průběhu plnící, dotlakové a chladící fáze (tlaková potřeba pro naplnění dutiny formy). Max. hodnota potřebného tlaku určuje velikost vstřikovací jednotky stroje. Viz. kapitola Tlak při přepnutí na dotlak. PLNĚNÍ A DOTLAK TLAK NA KONCI PLNĚNÍ Maximální tlak na konci doby plnění viz. kapitola Tlak při přepnutí na dotlak. KA05.08 - Simulace plnění strana 11
PLNĚNÍ A DOTLAK SMYKOVÁ RYCHLOST Nejvyšších hodnot smykové rychlost i dosahuje vstřikovaná tavenina ve vtokovém ústí. Nesmí přesáhnout hraniční mez, která je specifická pro každý polymer (v našem případě 100000/s), jinak dochází k degradaci polymeru (snížení užitných vlastností). PLNĚNÍ A DOTLAK TEPLOTA Průběh teploty přes tloušťku stěny v čase. Pomocí tohoto výsledku lze nalézt místa s kumulací teploty, která negativně ovlivňují výsledný čas cyklu. Jsou to zároveň oblasti s největší tloušťkou stěny. Z hlediska rovnoměrného chlazení je potřeba tyto místa eliminovat změnou designu nebo intenzivním chlazením. Na tomto dílci se vyskytují jen lokální místa s kumulací teploty Viz. kapitola Lunkry. Řešením tohoto problému je možná úprava designu dílu. KA05.08 - Simulace plnění strana 12
PLNĚNÍ A DOTLAK VISKOZITA Při postupném ochlazování taveniny vzrůstá hodnota viskozity. Pokud se hustota plastu ve vtokovém nálitku zvýší natolik, že tavenina přestává téct, není možné již doplnit objemový úbytek plastu po plnění a dotlaková fáze končí. Je nutné, aby vtokový nálitek zatuhnul jako poslední. V tomto případě je viskozita vyhovující. Koncový čas dotlaku 12s viz. kapitola průběh tlaku PLNĚNÍ A DOTLAK LUNKRY Vznikají v místech s nahromaděným materiálem. Polymer, který má vysoké objemové smrštění při přechodu z liquidu do solidu, je ochlazován na stěně formy a smršťuje se k této stěně. Lunkry, dutiny vakua, se tvoří v okamžiku, kdy smršťující se polymer odebere ze svého středu nadlimitní množství materiálu (odstranění těchto vad je možné pouze úpravou designu sjednocení tloušťky stěn). Lunkry KA05.08 - Simulace plnění strana 13
PLNĚNÍ A DOTLAK ZATUHNUTÉ VRSTVY V PRŮBĚHU VSŘIKOVACÍHO CYKLU Výsledek udává poměr zatuhlého polymeru v daném místě přes tloušťku stěny v čase. Okamžik zatuhnutí vtoku nebo oblasti kolem vtoku, je signálem pro konec dotlakové fáze. V tomto případě 12s viz. kapitola Viskozita. Procento zatuhnutí stěny 0 volná tavenina 1 zatuhlý polymer PLNĚNÍ A DOTLAK PRŮMĚRNÉ OBJEMOVÉ SMRŠTĚNÍ (NA KONCI VSŘIKOVACÍ FÁZE) Polymer při přechodu z liquidu (taveniny) do solidu vykazuje vysoké objemové smrštění. Tento úbytek (v dutině formy) je nutno doplnit působením dotlaku. Optimální design dílu vykazuje rovnoměrné objemové smrštění (pouze u neplněných plastů). V místech s vyšším smrštěním je nutný větší přídavek pro následné korekce rozměrů (Důležité pro konstruktéry formy). KA05.08 - Simulace plnění strana 14
CHLAZENÍ TEPLOTA CHLADÍCÍCH KANÁLŮ Rozdíl teplot chladícího média v jednotlivých kanálech by neměl přesáhnout 2 3 C (min. a max. teplota na vstupu a výstupu). U paralelně zapojených kanálů je nutné zkontrolovat celou trasu kanálu, aby nedocházelo k lokálnímu přehřátí. Při překročení doporučené odchylky dochází ke snížení efektivity chladícího systému a tím k prodloužení chladící fáze. Navržený chladící systém vyhovuje. CHLAZENÍ PRŮTOK V CHLADÍCÍCH KANÁLECH Vypočtené hodnoty slouží jako startovní údaje pro pozdější rozčlenění chladících kanálů do okruhů se stejným nebo podobným průtokem. Důležité pro technologii při zapojení formy na temperační přístroje u lisu. KA05.08 - Simulace plnění strana 15
CHLAZENÍ TLAK V CHLADÍCÍCH KANÁLECH Tlak potřebný k protlačení příslušného množství média chladícím kanálem (8 bar). Jeho maximální hodnota musí být nižší než pracovní tlak temperačního zařízení. V opačném případě je nutné snížit průtočné množství média nebo zvětšit průměr chladícího kanálu. CHLAZENÍ TEPLOTA NA POVRCHU DUTINY VSTŘIKOVACÍHO NÁSTROJE Je patrná oblast s méně účinným chlazením, kde dochází k přehřátí. Eliminací (sjednocením teploty se zbytkem dutiny) tohoto místa můžeme zkrátit výrobní cyklus. Nutný přívod chladícího média pomocí chladícího kanálu do takto postiženého místa. Pokud je teplota pod hranicí odformovací teploty plastu (119 C), není nutná úprava chladícího rozvodu. KA05.08 - Simulace plnění strana 16
CHLAZENÍ ÚČINNOST CHLADÍCÍCH KANÁLŮ Tlak potřebný k protlačení příslušného množství média chladícím kanálem (8 bar). Jeho maximální hodnota musí být, nižší než pracovní tlak temperačního zařízení. V opačném případě je nutné snížit průtočné množství média nebo zvětšit průměr chladícího kanálu. SMRŠTĚNÍ A DEFORMACE CELKOVÁ Výsledek udává výslednou celkovou deformaci dílu včetně smrštění. Pro lepší vizualizaci je zobrazení deformace 10x zvětšeno (číselné hodnoty jsou nezměněny). Tzv. Skleněný model znázorňuje původní model. Hodnoty deformace slouží jako kontrola správného přídavku na smrštění a deformaci v průběhu konstrukce dutiny formy. Odchylky od nominální hodnoty je nutné porovnat s tolerancemi na výkrese dílu. (Pro správné vyhodnocení odchylek je nutné provést simulaci s modelem, který je zvětšen o smrštění). KA05.08 - Simulace plnění strana 17
SMRŠTĚNÍ A DEFORMACE ROZLOŽENÍ PODLE SMĚRŮ SOUŘADNÉHO SYSTÉMU X,Y,Z Výsledky smrštění a deformace je možno rozdělit do jednotlivých směrů souřadného systému. Tyto výsledky pomáhají k lepší identifikaci příčiny deformace v daném směru (např. vliv orientace skleněných vláken a pod.). Vizualizace deformace je 10x zvětšena. Daný díl nevykazuje značné deformace omezující jeho funkci. Deformace ve směru X Deformace ve směru Y Deformace ve směru Z KA05.08 - Simulace plnění strana 18
doc. Ing. Martin Hynek Ph.D., Ing. Eduard Müller Ing. Miroslav Grach Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/.0. KA05.08 - Simulace plnění strana 19