Стратегия и тактика

Хотя последовательность расчетов меняется от задачи к задаче, что обусловлено особенностями конструкции и полимерного материала, в расчетной части проекта можно выделить несколько типичных этапов.

Обычно сначала производится пробный расчет, позволяющий оценить проблемы процесса литья и его моделирования, которые должны быть решены при выполнении анализа. Для экономии времени при пробном расчете в Autodesk Moldflow Insight 2012 применяется специально подготовленная «грубая» сетка с небольшим количеством элементов. При пробных расчетах стадии заполнения на больших сетках в продуктах Autodesk Moldflow Insight 2012 можно использовать «быстрый» алгоритм Fast fill на основе упрощенной модели 2,5D­течения расплава. Здесь предполагается, что расплав несжимаем, используются более мягкие условия нахождения численного решения, а также меньшее число слоев по толщине канала по сравнению с обычной моделью.

Затем в ходе анализа выявляется специфика процесса литья изделия, определяемая маркой полимерного материала, конструкцией изделия в сочетании с местом впуска (если оно задано), а также литьевой машиной. Поскольку технологический режим оказывает очень большое влияние на процесс литья, выводы о возможности применения того или иного конструктивного решения делаются после оптимизации технологических параметров процесса. Одним из важнейших технологических параметров на стадии впрыска является скорость впрыска. Продукты Autodesk Moldflow 2012 включают алгоритм автоматической оптимизации скорости впрыска на основе теплового баланса расплава, потерь давления при течении и прочих факторов. Тепловой баланс расплава определяется с учетом выделения тепла в расплаве при сдвиговом течении и адиабатическом сжатии, потерь тепла через стенки литниковых каналов (в холодноканальной литниковой системе) и формующей полости, а также при расширении расплава.

На следующем этапе производятся вариантные расчеты конструкции и технологического режима с целью выбора решения, обеспечивающего получение качественного изделия, выполняется оптимизация конструкции и технологии при снижении себестоимости изделия и пресс­формы. При выполнении расчетов с алгоритмами оптимизации необходимо учитывать принципы их функционирования и определенные ограничения, существующие для многих алгоритмов. Рассмотрим в качестве примера анализ заполнения с оптимизацией мест впуска.

Продукты Autodesk Moldflow 2012 содержат два алгоритма анализа заполнения с автоматической оптимизацией мест впуска. Первый алгоритм — Gate region locator — позволяет найти оптимальное место для добавления одного впуска к определенному количеству уже заданных. Оценка оптимальности в этом случае производится на основе комплексного критерия, учитывающего баланс потоков в литьевой полости, разнотолщинность, максимальные потери давления и предельное распорное усилие.

Второй алгоритм — Advanced gate locator — позволяет найти заданное количество (от 1 до 10) мест впуска, обеспечивая баланс потоков при минимизации потерь давления в процессе заполнения пресс­формы.

Выбор мест впуска при литье под давлением определяется на основе не только оценки поведения полимерного материала при заполнении, но и процесса уплотнения и охлаждения областей изделия, а также влияния на усадку, коробление, остаточные напряжения и другие свойства, которые не рассматриваются при автоматической оптимизации. В общем выбор мест впуска должен производиться с учетом их возможного негативного влияния на дефекты литьевых деталей, требований к внешнему виду (след от литника), обеспечения автоматической работы пресс­формы, ее себестоимости, долговечности и т.д. Поэтому решение относительно оптимальных мест впуска должно приниматься на основе не только результатов расчета с помощью одного из алгоритмов оптимизации мест впуска, но всего комплекса технических и экономических факторов.

Оценка результатов и поиск решения

Как правило, выявленная в ходе анализа проблема может быть устранена различными способами при изменении конструкции и/или технологического режима. Например, слишком высокое давление при впрыске приводит к недоливу, ухудшению внешнего вида, короблению и другим дефектам изделия. Снижение давления при впрыске может быть достигнуто путем следующих изменений:

  • уменьшение длины затекания за счет увеличения количества впусков;
  • использование полимерного материала с большей текучестью расплава;
  • применение горячеканальной литниковой системы вместо холодноканальной;
  • использование литьевой машины с более высоким максимальным давлением;
  • увеличение основной толщины или толщины области изделия.

Для получения корректных оценок процесса литья и разработки на их основе эффективных конструкторско­технологических решений при рассмотрении результатов расчета необходимо применять комплексный технологический подход. Такой подход предполагает учет всех аспектов процесса литья независимо от ограничений и возможностей конкретного программного продукта. Аспекты процесса, которые не рассматриваются непосредственно при моделировании, следует учитывать с использованием традиционных технологических подходов. Специалист, выполняющий анализ, должен обладать необходимыми знаниями и практическим опытом в области технологии литья, литьевого оборудования, полимерного материаловедения, конструирования литьевых изделий и пресс­форм.

Оценка результатов моделирования процесса производится на основе определенной модели качества [6], объединяющей применяемые в конкретной задаче представления о механизмах возникновения дефектов при литье термопластов, критических условиях (предельных состояниях) процесса, вызывающих потерю качества, и автоматизированные алгоритмы прогнозирования дефектов. Ввиду сложности механизмов формирования многих видов дефектов при литье термопластов, а также изменчивости их внешнего вида большое значение при прогнозировании дефектов и анализе причин брака имеет опыт и технологическая эрудиция специалиста, выполняющего расчеты.

При интерпретации результатов анализа необходимо учитывать сходства и различия между реальным процессом литья на литьевой машине и виртуальным процессом, который моделируется в программном продукте.

Для сложных изделий часто возникает ситуация, когда изменения конструкции или технологического режима для решения одной из проблем вызывают другие проблемы. Особую сложность представляет анализ изделий с повышенными требованиями к размерной точности, поскольку практически любые конструктивные или технологические изменения приводят к изменению усадки и, соответственно, влияют на размеры получаемых изделий.

Поиск решений должен быть направлен на устранение основных проблем (нежелательных явлений или прогнозируемых дефектов), выявленных при моделировании процесса литья. Для оценки факторов, оказывающих наибольшее влияние на поведение полимерного материала при литье, могут применяться специальные автоматизированные методики. Autodesk Moldflow Insight 2012 включает анализ чувствительности, называемый также методом Тагути, в котором на основе метода планирования эксперимента с использованием ортогональных планов неполного перебора вариантов можно определить наиболее значимые из параметров, влияющих на характеристики литьевого процесса.

Предлагаемые в результате анализа конструкторско­технологические решения должны быть выполнимыми в условиях конкретного литьевого или инструментального производства и ориентированными на снижение затрат, связанных с изготовлением пресс­формы и изделия. Уменьшение толщины изделия позволяет снизить расход материала. Уменьшение максимальной толщины изделия приводит к сокращению времени охлаждения, которое занимает значительную часть цикла. Переход от холодноканальной литниковой системы к горячеканальной позволяет уменьшить время цикла и сократить затраты на вторичную переработку, хотя и приводит к повышению стоимости пресс­формы.

Современный подход предполагает разработку такой конструкции изделия и оснастки, которая обеспечивает устойчивость (робастность) процесса производства изделия к изменению производственных условий [7]. Применительно к процессу литья термопластов можно говорить об устойчивости к изменению технологических свойств полимерного материала, условий окружающей среды, работы литьевого оборудования и др.

Компьютерный анализ литья пластмасс предоставляет дополнительные возможности для оценки факторов, влияющих на устойчивость процесса литья. Например, расчеты показывают, что распространенная практика с балансировкой литниковых систем за счет изменения размеров впускных литниковых каналов не отвечает требованию устойчивости процесса: колебания реологических характеристик полимерного материала или замена марки материала могут приводить к несбалансированному заполнению. В этом случае более высокую устойчивость обеспечивает балансировка разводящих литников.

Для повышения устойчивости процесса необходимо обеспечить разумный запас по основным характеристикам литьевой машины. Кроме того, желательно выбирать конструкторско­технологические решения, позволяющие регулировать процесс литья за счет изменения технологических параметров в системе управления литьевой машины и термостата пресс­формы.

Важно также учитывать погрешности моделирования процесса литья, которые в большой степени зависят от особенностей задачи и применяемых расчетных алгоритмов.

Литература

  1. Bernhardt A., Bertacchi G. Effective use of CAE in injection molding: Requirements and procedures // 55th SPE ANTEC Tech. Papers. 1997. P. 3290­3294.
  2. Барвинский И., Барвинская И. Компьютерный анализ литья: Подходы и модели // Пластикс. 2009. № 3. С. 50­54; № 4. С. 63­66.
  3. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. СПб: Профессия, 2007. 558 с.
  4. Sridhar L., Narh K.A. Effect of temperature dependent thermal properties on the accuracy of simulation of injection molding process // 57th SPE ANTEC Tech. Papers. 1999. P. 496­499.
  5. Барвинский И. Прогнозирование усадки при литье под давлением деталей из термопластов // III Международный семинар «Современные технологии литья пластмасс. Локализация производства автокомпонентов и проблемы контроля качества». Санкт­Петербург. 15­16 сентября 2011 г. С. 1­28.
  6. Lafleur P.G., Kamal M.R. Computer simulation of thermoplastic injection molding // Adv. Polymer Tech. 1981. V. 1. P. 8­13.
  7. Robust design methodology for reliability: Exproring the effects of variation and uncertainty / Ed. by B. Berman, J. de Mare, S. Loren, T. Svenson. John Wiley & Sons, 2009. 191 p.

 

По материалам статьи  «Компьютерный анализ литья пластмасс: принципы эффективности». Авторы : Игорь Барвинский, Инна Барвинская.