3.1 FEM SIMULACE VSTŘIKOVÁNÍ PLASTOVÉHO VÍKA POPELNICE

Katedra konstruování stroj Fakulta strojní K 5 PLASTOVÉ 3.1 FEM SIMULACE VSTŘIKOVÁNÍ PLASTOVÉHO VÍKA POPELNICE doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. a kolektiv verze - 1.0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpo tem eské republiky

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. Luboš Řehounek, Ph.D.

Předch. r.č. : - Zpracoval Řehounek Produkt : Víko popelnice Verze : 1 Interní r. č. : - Výkres/specifikace - Č. dílu/sestavy - Projekt : KA 0503 Počet dodaných vzorků : 0 Název OPVK ENGINEERING spol. s r.o. Zákazník : OPVK Engineering Počet testovaných vzorků : 0 Adresa Univerzitní 22, 30614 Plzeň Výrobek : Víko popelnice Počet destruovaných vzorků : 0 Česká republika Důvod výpočtu : FEM simulace vstřikování Tel: +420 377638203 Parametry výpočtu : viz. Tab. 1 e-mail: Stručný popis zadání : Cílem této výpočtové zprávy je ukázat hlavní kroky nastavení simulace vstřikování plastového dílu a tomu odpovídající výstupy analýzy kompletního procesu vstřikování. Hlavním úkolem simulace vstřikování je zejména posouzení vyrobitelnosti navrženého vstřikovaného dílu, doporučení vhodného umístění vtoků a predikce výsledného smrštění, deformací a zbytkových napětí dílu pro navržené technologické parametry výrobního procesu. Ve zprávě budou porovnány výsledky analýz pro různé způsoby reprezentace dutiny vstřikovací formy (pomocí 2.5D a 3D sítě) při stejném nastavení parametrů simulovaného výrobního procesu. Pozornost bude věnována v nemalé míře i materiálové databázi a možnostem simulace vstřikování materiálů s plnivy, zejména pak skelných vláken. Jako vzorový model posloužilo víko popelnice, které je vyráběno nejčastěji z polypropylenu (PP), ať již samotného či vyztuženého skelnými vlákny. Dokumentovány zde budou i různé možnosti výpočtu chlazení, které modul Solidworks Plastics nabízí. Výchozí CAD model : Použitý FEM software : Solidworks Plastics Advanced, verze 2014 Jména příjemců zprávy: Vopička, Malíř Podpis výpočtového Předáno dne : Předáno kým : Podpis : Kontroloval : oddělení : 2.1.2014 Řehounek Hodnocení konstrukce: Funkční - uvolnit k dalším procesům Vyhovující. ANO [ X ] NE [ ] Osoba zodpovědná za konstrukci Robert Novák Povolení úprav odsouhlasil : Ing. Karel Rozumný Rozsah úprav : Datum : Podpis konstruktéra : - 2.1.2014 KA 05 03.1Stránka 3

Zadání výpočtové analýzy: a. Představit hlavní kroky zadání simulace vstřikování plastového dílu v Solidworks Plastics. b. Zhodnotit vyrobitelnost navrženého dílu a doporučit vhodné umístění vtoku na základě simulací na 2.5D i 3D výpočtové síti. c. Dokumentovat vliv použitého základního materiálu PP včetně vlivu přítomnosti skelných vláken. Ke srovnání byly zvoleny materiály HOSTACOM CR1171G od výrobce BASELL a CELSTRAN PP GF30 od výrobce Ticona. d. Srovnat možnosti výpočtu chlazení v závislosti na použití 2.5D nebo 3D výpočtové sítě. e. Prezentovat výsledky predikovaného smrštění, deformací a zbytkových napětí. Výše uvedené body zadání byly zohledněny při specifikaci jednotlivých analýz v tabulce 1. Tab. 1: Stručná charakteristika řešených analýz Analýza č. Popis 1 Analýza s materiálem HOSTACOM CR1171G bez přidaných skelných vláken, na 2.5D výpočtové síti, uvažována ideálně chlazená forma, umístění vtoku podle prvotního doporučení výpočtového modulu 2 Analýza s materiálem CELSTRAN PP GF30 s hmotnostním podílem skelných vláken ve výši 30%, na 2.5D výpočtové síti, uvažována ideálně chlazená forma, umístění vtoku podle prvotního doporučení výpočtového modulu 3 Jako analýza č. 2, umístění vtoku upraveno podle výsledků předešlé analýzy. 4 Jako analýza č. 3, ideálně chlazená forma nahrazena soustavou chladicích kanálů 5 Analýza s materiálem HOSTACOM CR1171G bez přidaných skelných vláken, na 3D výpočtové síti, uvažována ideálně chlazená forma, umístění vtoku podle prvotního doporučení výpočtového modulu 6 Analýza s materiálem CELSTRAN PP GF30 s hmotnostním podílem skelných vláken ve výši 30%, na 3D výpočtové síti, uvažována ideálně chlazená forma, umístění vtoku podle prvotního doporučení výpočtového modulu 7 Jako analýza č. 6, umístění vtoku upraveno podle výsledků předešlé analýzy 8 Jako analýza č. 7, ideálně chlazená forma nahrazena soustavou chladicích kanálů KA 05 03.1Stránka 4

Ještě než přejdeme k prezentaci výsledků jednotlivých variant, je namístě uvést, že Solidworks Plastics disponuje velmi obsáhlou materiálovou databází. Po volbě materiálu jsou v systému automaticky přednastaveny všechny materiálové a technologické parametry na doporučené hodnoty. Uživatel tak není odkázán na volně dostupné materiálové listy, které obsahují více či méně omezený počet materiálových a procesních parametrů viz obr. I a obr. II. Obr. I: Ukázka materiálového listu HOSTACOM CR1171G (LyondellBasell Industries) KA 05 03.1Stránka 5

Obr. IIa: Ukázka materiálového listu CELSTRAN PP GF30 (Ticona), materiálové charakteristiky KA 05 03.1Stránka 6

Obr. IIb: Ukázka materiálového listu CELSTRAN PP GF30 (Ticona), procesní parametry KA 05 03.1Stránka 7

1. Analýza č. 1 materiál HOSTACOM CR1171G bez vláken, 2.5D síť Označení 2.5D síť je třeba chápat tak, že prostor vstřikovací dutiny je pro uživatele viditelně reprezentován pouze povrchovou sítí (viz obr. 1-1). Mezi vzájemně nejbližšími uzly na protilehlých stěnách dutiny je pak vytvořena jakási vnitřní reprezetace tloušťky, dále rozdělena na standardně 15 vnitřních ůzlů, které sloužít na výpočet sledovaných průřezových charakteritik vstřikovaného materiálu (např. průměrná teplota přes tloušťku či podíl zamrzlé tloušťky materiálu). Nad tímto vnitřním členěním objemu nemá uživatel žádnou kontrolu, ani nemá možnost ho bohužel jakkoliv vizualizovat. Obr. 1-1: Ukázka povrchové sítě dutiny CELSTRAN Pokud nemáme k dispozici výrobní list podobného výrobku, spouštíme první analýzy s nastavením na základě automaticky nastavených doporučených procesních hodnot, které můžeme podle potřeby upravit (viz obr. 1-2a). KA 05 03.1Stránka 8

Obr. 1-2a: Procesní parametry pro fázi plnění (nahoře) a dotlaku (dole) Konkrétně pro polypropylen je doporučováno držet hodnotu dotlaku na úrovni blížící se maximální hodnotě vstřikovacího tlaku a jen pozvolna tuto hodnotu snižovat, abychom kompenzovali objemové smrštění materiálu při postupném chladnutí až do okamžiku, než zatuhnou přístupové cesty ke vzdáleným oblastem dutiny či vtokové ústí. Příklad časového profilu dotlaku pro polypropylen je uveden na obr. 1-2b. Systém nabízí možnost odhadu doporučené polohy vtoku nebo více vtoků na základě velmi rychlé (řádově sekundy trvající) analýzy geometrie dutiny metodou minimalizace délek tokových drah. Pro náš analyzovaný díl je toto doporučené umístění vtoku zobrazeno na obr. 1-3. Materiálové charakteristiky pro zvolený materiál HOSTACOM CR1171 G bez vláken jsou uvedeny v obr. 1-4. KA 05 03.1Stránka 9

Obr. 1-2b: Časový profil dotlaku Obr. 1-3: Doporučená poloha vtoku na základě analýzy minimalizace délek tokových drah KA 05 03.1Stránka 10

Obr. 1-4: Hlavní materiálové charakteristiky pro HOSTACOM CR1171 G v Solidworks Plastics KA 05 03.1Stránka 11

Výsledky analýzy č. 1: Obr. 1-5: Rozložení času naplnění jednotlivých částí dutiny (čas 3s dodržen) fáze PLNĚNÍ Obr. 1-6: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy vykazují velký rozdíl) fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 12

Obr. 1-7: Rozložení průměrné teploty taveniny přes tloušťku na konci plnění fáze PLNĚNÍ Obr. 1-8: Rozložení teploty ve střední vrstvě taveniny na konci plnění fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 13

Obr. 1-9: Podíl zamrzlé tloušťky taveniny na konci plnění fáze PLNĚNÍ Obr. 1-10: Objemové smrštění taveniny na konci plnění (naším cílem je během dotlaku toto objemové smrštění do značné míry kompenzovat dodatečnou taveninou) fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 14

Obr. 1-11: Rozložení tlaku v tavenině na konci dotlaku fáze DOTLAKU Obr. 1-12: Objemové smrštění taveniny na konci dotlaku fáze DOTLAKU KA 05 03.1Stránka 15

Obr. 1-13: Rozložení průměrné teploty taveniny přes tloušťku na konci dotlaku Obr. 1-14: Rozložení teploty ve střední vrstvě taveniny na konci dotlaku KA 05 03.1Stránka 16

Obr. 1-15: Predikované rozložení zbytkových napětí po vyjmutí z formy Obr. 1-16: Predikovaná deformace dílu po dochlazení na pokojovou teplotu zvětšeno 20x KA 05 03.1Stránka 17

2. Analýza č. 2 materiál CELSTRAN GF 30 se skelnými vlákny, 2.5D síť Obr. 2-1: Hlavní materiálové charakteristiky pro CELSTRAN GF 30 v Solidworks Plastics KA 05 03.1Stránka 18

Výsledky analýzy č. 2: Obr. 2-2: Rozložení času naplnění jednotlivých částí dutiny (čas 3s dodržen) fáze PLNĚNÍ Obr. 2-3: Čelo taveniny při naplnění 88% objemu dutiny (fialové terčíky označují místa s rizikem uzavření vzduchu) fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 19

Obr. 2-4: Čelo taveniny při naplnění 93% objemu dutiny (fialové terčíky označují místa s rizikem uzavření vzduchu) fáze PLNĚNÍ Obr. 2-5: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy vykazují velký rozdíl) fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 20

Obr. 2-8: Podíl zamrzlé tloušťky taveniny na konci plnění fáze PLNĚNÍ Obr. 2-9: Objemové smrštění taveniny na konci plnění fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 22

Obr. 2-10: Predikovaná deformace dílu po dochlazení na pokojovou teplotu zvětšeno 20x Kromě obrázků rozložení hodnot různých veličin v dutině formy je možné vyhodnocovat i globální charakteristiky, jako např. průběh potřebné uzavírací síly (viz obr. 2-11) nebo časové průběhy vybraných veličin v uzlových bodech (viz obr. 2-12). Obr. 2-11: Časový průběh potřebné uzavírací síly na základě rozložení tlaku v dutině formy KA 05 03.1Stránka 23

Obr. 2-12: Ukázka časových průběhů tlaku a teploty ve zvolených uzlových bodech KA 05 03.1Stránka 24

3. Analýza č. 3 CELSTRAN GF 30, 2.5D síť, posunuté vtokové ústí Oproti analýze č. 2 je zde provedena pouze mírná změna polohy vtoku směrem blíže k pantům do oblasti, kde se díky přítomnosti značky recyklace vyskytuje lokální zesílení tloušťky stěny. Takovéto umístění by bylo vhodné i z hlediska přispění k zamezení předčasného zamrznutí vtokového ústí. Obr. 3-1: Modifikovaná poloha umístění vtokového ústí Pozitivní efekt této drobné změny polohy vtokového ústí bude nejlépe patrný z polohy čela taveniny při naplnění 98% objemu dutiny (viz obr. 3-3) a z poklesu hodnoty potřebného plnicího tlaku z původní hodnoty 17,75 MPa na hodnotu 16,85 MPa (viz obr. 3-4). KA 05 03.1Stránka 25

Výsledky analýzy č. 3: Obr. 3-2: Rozložení času naplnění jednotlivých částí dutiny (čas 3s dodržen) fáze PLNĚNÍ Obr. 3-3: Čelo taveniny při naplnění 98% objemu dutiny fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 26

Obr. 3-4: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy vykazují malý rozdíl) fáze PLNĚNÍ Obr. 3-5: Podíl zamrzlé tloušťky taveniny na konci plnění fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 27

4. Analýza č. 4 jako analýza č.3, doplněná o návrh reálného chlazení Chladicí kanály byly navrženy jako dva okruhy vrtaných kanálů o průměru D16. Obr. 4-1: Společný nástroj pro tvorbu chladicích a vtokových kanálů kruhového průřezu Obr. 4-2: Návrh dvou okruhů chladicích kanálu KA 05 03.1Stránka 28

Výsledky analýzy č. 4: Obr. 4-3: Čelo taveniny při naplnění 98% objemu dutiny fáze PLNĚNÍ Obr. 4-4: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy vykazují velký rozdíl) fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 29

Obr. 4-7: Podíl zamrzlé tloušťky taveniny na konci plnění fáze PLNĚNÍ Obr. 4-8: Objemové smrštění taveniny na konci plnění (naším cílem je během dotlaku toto objemové smrštění do značné míry kompenzovat dodatečnou taveninou) fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 31

Obr. 4-9: Rozložení teploty chladicí vody v chladicích kanálech (vstupní teploty byly zadány 30 C pro oba okruhy, průtok 2 l/min pro horní okruh a 1.5 l/min pro dolní okruh) Obr. 4-10: Rozložení střední teploty dílu zprůměrované během cyklu vstřikování-dotlakchlazení ve formě KA 05 03.1Stránka 32

5. Analýza č. 5 materiál HOSTACOM CR1171G bez vláken, 3D síť Obr. 5-1: Ukázka 3D sítě v Solidworks Plastics vytvořené pro tenkostěnný díl KA 05 03.1Stránka 33

Výsledky analýzy č. 5: Obr. 5-2: Rozložení času naplnění jednotlivých částí dutiny (čas 3s nedodržen) fáze PLNĚNÍ Obr. 5-3: Čelo taveniny při naplnění 98% objemu (černě jsou naznačeny studené spoje) KA 05 03.1Stránka 34

Obr. 5-4: Rozložení plnicího tlaku fáze PLNĚNÍ Obr. 5-5: Predikovaná deformace dílu po dochlazení na pokojovou teplotu zvětšeno 20x KA 05 03.1Stránka 35

Kromě obrázků rozložení hodnot různých veličin na povrchu dutiny je možné v případě použití 3D výpočtové sítě vyhodnocovat i rozložení některých veličin na rovinných řezech. Obr. 5-6: Ukázka rozložení teploty taveniny v rovinných řezech stav na konci fáze plnění Obr. 5-7: Ukázka rozložení tlaku v tavenině v rovinných řezech stav na konci fáze plnění KA 05 03.1Stránka 36

6. Analýza č. 6 materiál CELSTRAN GF 30 se skelnými vlákny, 3D síť Obr. 6-1: Orientace vláken zobrazená přes rozložení doby plnění (čas 3s nedodržen) Obr. 6-2: Orientace vektorů rychlosti na konci plnění směry souhlasí s orientací vláken na konci plnění (viz obr. 6-1) KA 05 03.1Stránka 37

Obr. 6-3: Rozložení plnicího tlaku fáze PLNĚNÍ Hodnota maxima plnicího tlaku v místě vtokového ústí na obr. 6-3 souhlasí se špičkou časového záznamu vstupního tlaku v okamžiku přepnutí z plnění na dotlak. Jelikož simulujeme proces vstřikování bez vtokové soustavy, byl by reálný plnicí tlak typicky ještě řádově o 10-15% vyšší v důsledku tlakových ztrát ve vtokové soustavě. Obr. 6-4: Časový záznam vstupního tlaku v místě vtokového ústí KA 05 03.1Stránka 38

Obr. 6-5: Objemové smrštění taveniny na konci plnění fáze PLNĚNÍ Obr. 6-6: Predikovaná deformace dílu po dochlazení na pokojovou teplotu zvětšeno 20x KA 05 03.1Stránka 39

Obr. 6-7: Ukázka rozložení teploty taveniny v rovinných řezech stav na konci fáze dotlaku Obr. 6-8: Ukázka objemového smrštění v tavenině v rovinných řezech na konci fáze dotlaku KA 05 03.1Stránka 40

7. Analýza č. 7 materiál CELSTRAN GF 30, 3D síť, posunuté vtokové ústí Obr. 7-1: Orientace vláken zobrazená přes rozložení doby plnění (čas 3s nedodržen) Obr. 7-2: Orientace vektorů rychlosti na konci plnění směry souhlasí s orientací vláken na konci plnění (viz obr. 7-1) KA 05 03.1Stránka 41

Obr. 7-3: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy stále vykazují velký rozdíl) Obr. 7-4: Objemové smrštění taveniny na konci plnění fáze PLNĚNÍ KA 05 03.1Stránka 42

Obr. 7-5: Ukázka rozložení teploty taveniny v rovinných řezech stav na konci fáze dotlaku Obr. 7-6: Ukázka rozložení objemového smrštění v rovinných řezech na konci fáze dotlaku KA 05 03.1Stránka 43

Obr. 7-7: Průběhy potřebné uzavírací síly, vstupního tlaku a objemového toku taveniny KA 05 03.1Stránka 44

8. Analýza č. 8 jako analýza č.7, doplněná o návrh reálného chlazení Chladicí kanály byly navrženy jako dva okruhy vrtaných kanálů o průměru D16 a objemově nasíťována kromě vstřikovací dutiny a chladicích kanálů byla i jednoduchá forma. Obr. 8-1: Povrchové sítě vstřikovací dutiny,chladicích kanálů a jednoduchá formy Obr. 8-2: Řez objemovou sítí vstřikovací dutiny, chladicích kanálů a jednoduché formy KA 05 03.1Stránka 45

Výsledky analýzy č. 8: Obr. 8-3: Čelo taveniny při naplnění 99% objemu dutiny fáze PLNĚNÍ Obr. 8-4: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy stále vykazují velký rozdíl) KA 05 03.1Stránka 46

Obr. 8-5: Ukázka rozložení teploty taveniny v řezech stav na konci fáze dotlaku Obr. 8-6: Ukázka objemového smrštění v rovinných řezech stav na konci fáze dotlaku KA 05 03.1Stránka 47

Obr. 8-7: Rozložení teploty povrchů formy na konci chlazení (při otevření formy) Obr. 4-10: Rozložení střední hodnoty tepelného toku během výrobního cyklu skrz stěny chladicích kanálů červené oblasti odvádí z formy teplo největší měrou KA 05 03.1Stránka 48

doc. Ing. Martin Hynek Ph.D., Ing. Luboš Řehounek, Ph.D. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/.0.