Digitální prototyp při vstřikování plastů II Petr Halaška SMARTPLAST s.r.o. CAD návrh vstřikovací formy První část článku Digitální prototyp v čísle 17, příloha Technologie zpracování plastů jsme uzavřely možnostmi pevnostní analýzy vstřikovaného dílu pomocí konečně prvkového software Autodesk Algor. Tato část digitálního prototypu zahrnovala technický design vstřikovaného dílu a jeho analýzy. Další část Digitálního prototypu se týká vytvoření sestavy vstřikovací formy a následných analýz. Pro vytvoření sestavy vstřikovací formy (obr.1) použijeme CAD systém AutoCAD Inventor Tooling. Je to CAD systém specielně vytvořený pro konstrukci vstřikovací formy. Umožňuje určení dělící roviny pomocí siluety a následné odečtení dílce s vygenerováním tvárníku a tvárnice, včetně kompenzace smrštění polymeru. Kromě hlavní dělící roviny lze vytvářet také pomocné dělící roviny a tvárníky pro jejich doformování (obr. 2). AutoCAD Inventor Tooling Obsahuje plnou Moldflow databázi 8000 polymerů a jejich gradů. V současné době je konstrukce vstřikovací formy do rozměru cca 1000x1000x1000mm tvořena stavebnicově pomocí unifikovaných rámů a prvků pro vedení, odformování, chlazení a studených i horkých vtokových systémů. Tyto stavebnicové prvky konstruktér formy vkládá do sestavy z knihoven normálií. V AutoCAD Inventor Tooling jsou k dispozici knihovny většiny výrobců těchto normálií. Dále můžeme jednoduše vytvořit studené vtokové kanály a chladící systém. Sestava je samozřejmě parametrická a změna na vstřikovaném díle se promítne do sestavy formy, pokud nevytváří kolizní stav. Obr. 1: Sestava vstřikovací formy Optimalizace chlazení Jestliže máme vytvořenu sestavu vstřikovací formy, můžeme začít analyzovat technologickou kvalitu formy. Jako příklad uvedeme analýzu chladícího systému a vliv polohy chladících
Obr. 2: Detail tvarové vložky a odformovacích prvků kanálů a chladících prvků na teplotní pole dutiny vstřikovací formy. Homogenita teplotního pole a tedy velikost teplotních rozdílů má významný vliv na následnou deformaci plastového dílu. Na obr. 3 jsou zobrazeny tři různé chladící soustavy. První nejjednodušší je tvořena dvěma chladícími kanály z každé strany. Druhá je tvořena vrtanými chladícími kanály z vtokové strany a chladícími věžemi ze strany vyhazovačů. Třetí konformní chladící soustava je vyrobena technologií 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. Zajistí se tak dokonalý odvod tepla. Čas cyklu se zkrátí až o 50% a teplota dutiny formy se sníží v exponovaných místech o 10-20 C, stejně jako se sníží se rozdíl objemů v chladnoucím polymeru a tím také deformace dílu. (Obr. 4) Obr. 3: Jednoduché chlazení pomocí dvou kanálů, chlazení pomocí kanálů a věží s přepážkou a konformní chlazení. Analýzu chlazení můžeme provést pomocí Autodesk Moldflow Adviser nebo hloubkovou analýzu pomocí Autodesk Modflow Insight. Podle použitého typu sítě konečných prvků můžeme sledovat teplotní pole povrchu dutiny formy (Dual Domain) nebo teplotní pole v libovolném řezu formou (3D tetrahedrální síť).
Obr. 4: Teplotní pole na povrchu dutiny formy pro tři typy chladících soustav. Třetí je konformní chlazení. Optimalizaci pomocí konformního chlazení jsme schopni provést ve spolupráci s firmou Innomia s.r.o. (www.innomia.cz), která používá k výrobě tvarových vložek formy metodu Direct Metal Laser Sintering. Deformace zástřiků jak kovových tak plastových vlivem tlaku taveniny v dutině. V této části jsme pokročili k pevnostním analýze vstřikovací formy a zástřiků. Autodesk Moldflow Insight umožňuje také výpočet deformace zastřikovaných dílů jak plastových, tak kovových, vznikajících působením tlaku a dotlaku taveniny dutině formy (obr. 6). 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. 5) Obr. 5: Zástřik s kontakty a průhledný díl s vtokovými ústí
Obr. 6: Deformace a posunutí zástřku vlivem tlaku taveniny v dutině formy Deformace tvarových částí formy vlivem tlaku polymerní taveniny v dutině. V Autodesk Moldflow Insight je také možno analyzovat namáhání tvarových částí forem působením tlaku a dotlaku taveniny na exponované díly v sestavě dutiny formy.(obr. 7) 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 deformace tvaru, můžeme také spočítat VonMisesovo napětí a hlavně změnu tloušťky stěny vstřikovaného dílu vlivem deformace tvarové části formy. (obr. 8) Obr. 7: Tvárník ve formě (žluté uzly) a deformace tvárníku působením tlaku taveniny dutině formy Obr. 8: Změna tloušťky stěny dílu vlivem deformace tvárníku
Obr. 9:Deformace dlouhého jádra působením tlaku taveniny Deformace rámu vstřikovací formy Pro kvalitu vstřikovaného dílu a hlavně pro vznik přetoků v dělící rovině je důležité, aby se vstřikovací forma nedeformovala. Vstřikovací forma je namáhána uzavírací silou desek vstřikovacího stroje míjivým zatížením ve stovkách a tisících kn. Dále je forma namáhána vnitřním tlakem taveniny, zejména ve fázi dotlaku a také tepelně, neboť v průběhu vstřikovacího cyklu povrch dutiny zahřejeme na teplotu taveniny řádově 200-300 C a pak jí ochladíme na teplotu v desítkách C, při standardním vstřikovacím procesu. Na obr. 10 je zobrazena deformace vstřikovací formy vlivem působení tlaku taveniny v dutinách formy. Průběh tlaku v cyklu spočítáme v Autodesk Moldflow Insigh a tyto hodnoty potom přeneseme do Autodesk Algor, kde opět metodou konečných prvků provedeme analýzu deformace formy. Deformace ve středu formy je v tomto případě 0,04mm. Jak známo polymerní tavenina zatéká do spáry 0,02mm. Při této deformaci by tedy nutně docházelo ke vzniku přetoků. Musíme tedy opěrnou desku vstřikovací formy podložit válcovými rozpěrkami, aby se deformace formy snížila pod 0,02mm. Dalším krokem v Digitálním prototypu by následovala výroba formy. Veškerá data tvaru dutiny vytvořená v AutoCAD Inventor Tooling mohou být přenesena do CAM (Computer Aided Manufacturing) systémů, které generuji dráhy obráběcích nástrojů CNC obráběcích strojů jak pro výrobu tvarových částí formy tak pro výrobu elektrod pro elektroerozívní obrábění. V našem případě využíváme systému, který umožňuje na jedné platformě programovat jak obráběcí stroje Mastercam tak roboty Robotmaster (www.sonetech.cz). Roboty se mohou používat nejen pro zakládání zálisků a výjmání vystříknutých dílu z formy. Mohou být použity také pro dokončovací operace, lakování, popis, nános lepidla atd. Data z AutoCAD Inventor Tooling lze použít také pro kontrolu kvality na měřících strojích jak kontaktních tak optických.
Obr. 10: Deformace vstřikovací formy Tímto jsme se dostaly závěru výčtu možností Autodesk Digitálního prototypu. V současné době už nelze pochybovat, že digitální prototyp má své pevné místo při vývoji vstřikovaných plastových dílů. Zejména proto, že vstřikovací formy jsou velmi náročná zařízení jak výrobně, tak po funkční stránce a hlavně každá forma a také plastový díl je originální kus, kde analýza jak technologická Moldflow, tak pevnostní odhalí zdroje potenciálních problémů. SMARTPLAST s.r.o. nabízí jak software pro Autodesk digitální prototyp, tak také analýzy formou služby na zakázku. Navštivte nás na www.smartplast.cz. We make plastics smart.