Компьютерный анализ литья термопластов

Барвинская И.Е., Барвинский И.А. Докл. на семинаре "Пластмассовые изделия и формы для их изготовления: конструирование, производство, эксплуатация". Санкт-Петербург, 28-29 июня 2001 г..

     При литье крышки рыбного ящика из ПЭНД (рис. 1) с габаритными размерами 625 х 325 х 19 мм наблюдалось очень большое коробление (до 40 мм), изделие имело седловидную форму. 
     Основная толщина изделия составляла 2.5 мм. Толщина ребер, расположенных крестообразно от центра изделия, была равна 3.5 мм. По периметру изделие имело толщину 2 мм. Впуск материала производился через центральный литник.
     Анализ причин брака выполнялся с помощью программных продуктов MPI/Flow и MPI/Warp фирмы Moldflow. Конечно-элементная модель изделия по "средней линии" (рис. 2) была построена в программном продукте MPI/Flow.

Компьютерный анализ

Сайт журнала "Пластические массы"
http://plastmassy.webzone.ru

Особенности литья крупногабаритных корпусных деталей с тонкостенными решетками

И.А. Барвинский, И.Е. Барвинская. Пластические массы, 2003, № 2.
 

     Литье крупногабаритных деталей, содержащих тонкостенные решетки, имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании детали и пресс-формы, а также при выборе технологического режима изготовления. Примером таких деталей являются корпуса телевизоров с решеткой динамика. Один из наиболее распространенных дефектов при литье деталей этого типа - недолив на решетке.
     Моделирование процесса литья деталей высокой сложности может быть проведено с достаточной точностью методами современного конечноэлементного анализа. В данной работе анализ выполнялся с помощью программного продукта MPI/Flow фирмы Moldflow. Для анализа использовалась упрощенная модель реального корпуса телевизора под кинескоп 20” с толщиной основных стенок 3 - 3.5 мм. Модель содержала тонкостенную решетку динамика в нижней части корпуса, вентиляционную решетку и другие типовые конструктивные элементы (рис. 1). Объем модели составлял 628 см3. В отличие от реальной детали в модель не были включены ребра, бобышки, различные отверстия. Материал детали: ударопрочный полистирол HI 425 TVG фирмы Kumho Chemicals, ПТР = 9.5 г/10 мин (200 оС, 5 кг), температура потери текучести расплава Tno-flow = 136 оС. 

Рис. 1. Конечноэлементная модель детали

     Рассматривались различные варианты мест впуска для холодноканальной литниковой системы с туннельными литниками. Выбор мест впуска осуществлялся так, чтобы обеспечивался примерный баланс потоков в отливке. Скорость впрыска оптимизировалась по методике фирмы Moldflow. Анализ выполнялся при скорости впрыска 314 см3/с. Применение более высоких скоростей впрыска для данной детали нежелательно, так как это приводит к высоким скоростям сдвига на впускном литнике, что может вызывать деструкцию материала (предполагалось, что диаметр впускного литника не превышает 2 мм). 
     Решетка динамика может содержать сотни и даже тысячи отверстий, поэтому пригодная для анализа конечноэлементная модель (сетка) трудна в построении и содержит большое число элементов, что значительно замедляет расчеты. Однако даже самая плотная сетка не дает возможности точно смоделировать течение расплава в подобных конструкциях. Современные программные продукты для анализа течения, базирующиеся на модели Хеле-Шоу, позволяют использовать два типа элементов: треугольные или четырехугольные элементы типа «оболочка» (двумерное течение) и лучевые элементы (одномерное течение). Течение в треугольных элементах моделируется как неизотермическое течение сжимаемой жидкости в плоской бесконечной щели заданной толщины /1/ и не соответствует условиям охлаждения расплава при заполнении решетки, в частности дает существенно заниженные потери давления. Одномерные элементы, обычно используемые для моделирования литниковых каналов, дают лучшее соответствие характеру течения, но могут применяться только в случае простых решеток с прямоугольными отверстиями. Появившиеся в последние годы программные продукты для анализа тетраэдрических сеток (трехмерное течение), базирующиеся на уравнениях Навье-Стокса, практически не применяются для деталей высокой сложности главным образом из-за ограниченной мощности используемых компьютерных систем.
     Тем не менее, моделирование течения расплава в решетке произвольной формы может быть выполнено с достаточно высокой точностью при замене фактической толщины стенки решетки эквивалентной толщиной. При таком подходе можно заменить модель решетки сплошной сеткой (без отверстий), толщина которой рассчитывается так, чтобы обеспечивались те же потери давления расплава, что и при заполнении реальной решетки. Эквивалентная толщина (Нэкв) определятся через коэффициент формы (Кф) следующим образом: Нэкв= Hэфф/Кф, где Hэфф=V/Sпроекц, Кф=Sпов/2Sпроекц, V – объем решетки, Sпроекц – площадь проекции решетки, Sпов – площадь поверхности решетки /2/. Эквивалентная толщина решетки оказывается намного меньше ее фактической толщины. Например, для решетки с фактической толщиной 1.5 мм, имеющей круглые отверстия диаметром 0.5 мм и расстояния между отверстиями 1 мм, эквивалентная толщина равна 0.95 мм. В данной работе использовалась решетка с эквивалентной толщиной 0.9 мм, что соответствует фактической толщине 1.35 мм. 
     Расчеты показали, что для всех рассмотренных вариантов мест впуска тонкостенная решетка динамика заполняется в последнюю очередь. Это связано с хорошо известным явлением замедленного течения расплава в тонкостенных областях (hesitation effect) при разветвлении литьевого канала на толстый и тонкий. Подобный эффект наблюдается и на других участках корпусных деталей, имеющих малую толщину (ребрах, бобышках и т.д.), но именно на решетке динамика он часто приводит к недоливу. Причиной этого являются: малое значение эквивалентной толщины решетки, большая протяженность тонкостенной области, близость решетки к месту впуска.    
     Степень проявления эффекта замедленного течения повышается с уменьшением расстояния от решетки динамика до места впуска, уменьшением эквивалентной толщины решетки, снижением текучести расплава, увеличением толщин основных стенок детали после разветвления потока.
     Заполняемость детали может быть улучшена при повышении температур расплава и формы. Однако на практике невысокая термостабильность материала и использование литьевых машин с большим объемом впрыска не позволяют применять высокие температуры расплава. Применение высоких температур формы приводит к появлению следов от толкателей в областях с затрудненным отводом тепла: в углах, вблизи высоких ребер, бобышек и т.д. Таким образом, необходимо обеспечить заполняемость изделия при температурах расплава и формы, соответствующих средним значениям диапазона переработки материала. 
     Расчеты показали, что наилучшие результаты по заполняемости детали получаются при двух местах впуска, максимально удаленных от решетки динамика (вариант в на рис. 2). Это единственный из рассмотренных вариантов, при котором решетка динамика полностью заполняется при средних температурах расплава (Тр = 230 oC) и формы (Tф = 60 oC). Для ударопрочного полистирола и других полистирольных пластиков, являющихся аморфными материалами, особенности растекания расплава, такие как направление течения, радиальное растекание и др., не оказывают большого влияния на качество детали. Оказалось, что недолив на решетке связан не с большими потерями давления при заполнении детали, а с быстрым остыванием фронта расплава при течении в тонкостенной области. 

Рис. 2. Температура фронта расплава: а) три места впуска – недолив, б) два места впуска – недолив, 
в) два места впуска – 100% изделия заполнено. Места впуска обозначены стрелками. Цифрами указаны значения температур.

     Потери давления при заполнении детали составляют 34 МПа, что намного меньше допустимых потерь давления для обычной литьевой машины. Для снижения себестоимости детали толщина основных стенок может быть уменьшена без ухудшения качества отливки. 
     Большое влияние на заполняемость детали имеют условия переключения на выдержку под давлением /3/. Обычно переключение с режима впрыска (режим управления скоростью впрыска) на выдержку под давлением (режим управления давлением) происходит не позже 98-99% заполнения, оставшаяся часть детали заполняется при убывающей скорости впрыска.  Но заполнение основной части решетки динамика происходит после 99% заполнения детали, т.е. при снижении скорости впрыска, что еще больше усугубляет проблему. Для получения качественной отливки необходимо точно подобрать момент переключения на выдержку как можно ближе к окончанию заполнения, задать достаточно высокое давление в начальный момент выдержки под давлением (оно должно быть выше давления в момент окончания впрыска). Желательно использовать переключение по положению шнека. Такой технологический процесс накладывает особые требования к литьевой машине, пресс-форме и полимеру. Машина должна обеспечивать высокую точность и надежность регулировки, достаточное усилие замыкания. Необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию пресс-формы. Важную роль играет также стабильность реологических показателей материала детали. 

Литература

1. Kennedy P. Flow analysis of injection molds. Hanser Publishers, Munich, Vienna, New York, 1995, 237 pp.
2. "Modelling tips for CAE analysis - Shape factor". Cheil Industries Inc., 1999.
3. Калинчев Э.Л., Калинчева Е.И., Саковцева М.Б. Оборудование для литья пластмасс под давлением. М., Машиностроение, 1985, 256 с.

Компьютерный анализ

Влияние места впуска на коробление литьевого изделия из материала, наполненного стекловолокном

И.А. Барвинский, И.Е. Барвинская. Пластические массы, 2001, № 6, c. 57 - 58. 

Работа выполнена по заказу НПП "Полипластик"

      Типичной проблемой при литье под давлением термопластов, наполненных коротким стекловолокном, является коробление изделий. Ориентация стекловолокна в композите - важнейший фактор, влияющий на усадку, коробление и механические характеристики литьевого изделия /1/. Ориентация стекловолокна во многом определяется выбором мест впуска. Методы конечно-элементного анализа позволяют смоделировать ориентацию волокнистого наполнителя в полимерной матрице, а также  усадочное и деформационное поведение отливки /2-5/. Точность такого моделирования оказывается вполне приемлемой, несмотря на существенное упрощение процессов, происходящих в полости формы (в частности, предполагается отсутствие повреждения частиц волокна при переработке, игнорируется наличие межфазного слоя, не учитывается влияние надмолекулярной структуры и т.д.).
     Представляло интерес изучение методами компьютерного моделирования ориентации стекловолокна и коробления одной из типовых конструкций автомобильного бачка радиатора при различных вариантах мест впуска (рис. 1). Моделирование процесса литья проводилось с помощью программных продуктов фирмы Moldflow. Расчет ориентации стекловолокна на стадиях впрыска и выдержки под давлением выполнялся в программном продукте MPI/FIBER статистическими методами на основе модифицированного уравнения Фольгара – Такера /5/. При этом учитывалось взаимодействие частиц волокна друг с другом. Коробление  рассчитывалось в программном продукте MPI/WARP с использованием линейного анализа напряженно-деформированного состояния детали под действием усадочных деформаций. Величины общего коробления и коробления по оси Z, ориентированной вдоль оси пресс-формы, определялись по максимальному абсолютному отклонению прогнозируемой геометрии детали от исходной геометрии за вычетом усадочных деформаций. Коробление вдоль оси Y рассчитывалось по максимальному прогибу длинных стенок детали. Анализ проводился при равномерном и неравномерном охлаждении пресс-формы. При равномерном охлаждении температура пуансона (Тп) и матрицы (Тм) составляла 40 оС. Неравномерность охлаждения моделировалась в программном продукте MPI/COOL на модели пресс-формы с охлаждающими каналами. Разница средних температур пуансона и матрицы обеспечивалась заданием различной температуры воды на входе в каналы охлаждения. 

Рис. 1. Конечно-элементная модель бачка радиатора с литниковой системой: 
а – радиальный впуск, б – впуск в торец, в – боковой впуск  

     В качестве материала детали была использована композиция на основе полипропилена производства НПП "Полипластик" марки Армлен ПП СВ 2Т, содержащая 34% стекловолокна. По данным изготовителя диаметр волокна был равен 0.013 мм, средняя длина частиц стекловолокна составляла 0.247 мм. Конечно-элементная модель детали (рис. 1), построенная по "средней линии", содержала 1823 элемента и 963 узла. Толщина основной части детали равнялась 3 мм, толщина других частей находилась в пределах 1.5 – 4.0 мм. Были рассмотрены 3 варианта мест впуска с соответствующими типовыми конструкциями необогреваемой литниковой системы. Технологический режим литья оптимизировался для каждого варианта конструкции по методике /6/.
     Ориентация частиц волокна в литьевом изделии определяется конкуренцией двух процессов: сдвигового течения и высокоэластических деформаций /3-4/. Сдвиговое течение выстраивает волокно вдоль потока, тогда как высокоэластические деформации разворачивают его перпендикулярно потоку. Ориентация волокна неравномерна по сечению литьевого канала. Вблизи стенки канала, где наблюдаются максимальные значения скоростей сдвига, волокно обычно ориентировано вдоль потока даже при наличии больших высокоэластических деформаций.
     При радиальном впуске значителен вклад высокоэластических деформаций, поэтому существенная часть стекловолокна ориентирована перпендикулярно направлению растекания расплава (рис. 2а), что создает большую неравномерность ориентации стекловолокна. Самая неравномерная ориентация наблюдается при боковом впуске (рис. 2в). Впуск в торец детали обеспечивает равномерную ориентацию стекловолокна вдоль детали (рис. 2б). 

Рис. 2. Средняя ориентация стекловолокна: а – радиальный впуск, б – впуск в торец, в – боковой впуск  

     Неравномерность ориентации стекловолокна приводит к неравномерности усадочных деформаций и, как следствие, к короблению детали. При одинаковой температуре пуансона и матрицы наименьшее общее коробление и коробление по оси Z наблюдаются для впуска в торец детали, а наибольшее – для бокового впуска  (таблица 1). Эти результаты хорошо коррелируют с рассчитанной ориентацией стекловолокна.

Таблица 1.

Компьютерный анализ

Публикации по компьютерному анализу

    Пример компьютерного анализа причин коробления крупногабаритного плоского изделия
       Анализ причин брака: коробление на крышке рыбного ящика

    Влияние места впуска на коробление литьевого изделия из материала, наполненного стекловолокном
       Анализ причин брака: коробление бачка радиатора автомобиля

    Влияние конструкции изделия и пресс-формы на процесс уплотнения при литье термопластов
       Об анализе уплотнения и коробления