Budoucnost v simulacích vstřikování plastových dílů

Každá nová verze softwaru přináší další možnosti a vylepšení, která usnadní konstruktérům plastových dílů a forem jejich práci – aktuální verze 11 simulačního softwaru Moldex3D je toho důkazem.

Unikátní nový modul verze 11 Moldex3D-Hot Runner umožňuje detailně simulovat všechny typy a komponenty horkých rozvodů (topné spirály, torpéda, uzavírací jehly atd.). Řízením spínání topných spirál pomocí teplotních čidel s nastavením teplotních limitů a výkonů jednotlivých vinutí lze získat velice přesnou představu o funkčnosti systému a jeho vlivu na správnou funkčnost celé formy a stabilitu výrobního procesu. Tato přesná analýza umožňuje zjistit v každém časovém okamžiku a libovolném místě horkého kanálu nejen teplotu a velikost smykového ohřevu taveniny, ale také tlakovou ztrátu systému. Pokročilá simulace s využitím tohoto Moldex3D modulu umožňuje navrhovat konstrukci horkého systému s dosažením jeho maximální funkčnosti a se zachováním cenové efektivity jeho řešení.

Inovovaný modul Moldex3D-Fiber byl rozšířen o nové matematické modely zpřesňující předpověď prostorové 3D orientace vláken (krátkých i dlouhých) v tavenině i ve finálním plastovém díle, jakož i kvalitu výpočtu deformací. Díky integraci nově vyvinutého iARD-RPR modelu lze nyní velmi přesně předpovídat nejen orientaci vláken v různých oblastech dílu, ale i změnu orientace přes tloušťku stěny výlisku (viz obr. 2). Pro vysoce plněné materiály (cca od obsahu 40 % vláken) nabízí verze 11 využití mikromechanického modelu Mori Tanaka. Využití nových výpočetních modelů poskytuje silný nástroj nejen konstruktérům dílů a forem z hlediska přesné předpovědi deformace výrobku, ale také vývojářům plastových dílů, kterým umožňuje výrazně zpřesněné pevnostní výpočty těchto anizotropních materiálů.

Microcellular Foam Injection Moulding je moderní technologie pro vstřikování geometricky složitých dílů, u které je dosahováno výrazně nižších deformací než u klasické technologie vstřikování (obr. 3), a zároveň snížení hmotnosti finálního výrobku. Mezi další výhody tohoto procesu patří nižší vstřikovací tlak a zpracovatelské teploty, kratší výrobní cykly a nižší spotřeba materiálu a energie. Technologie je založená na přídavku plynu (většinou N2 nebo CO2, nově je též používaný termín „superkritická kapalina“) do polymerní taveniny a poté vstříknutí této směsi do dutiny formy. Výsledkem je vytvoření lehčené struktury s bublinkami uvnitř stěny dílu v průběhu chladnutí. Vývoj modulu MuCell pro simulaci tohoto velmi složitého procesu prováděla firma CoreTech Systems (autor simulačního softwaru Moldex3D) v úzké spolupráci s americkou firmou Trexel, Inc. (světovým lídrem ve vývoji a prodeji patentované technologie MuCell).

Moldex3D-MuCell využívá fundamentální fyzikální výpočetní modely pro tvorbu bublin a jejich růst a také pro vizualizaci této komplexní technologie ve 3D. Tento modul poskytuje detailní výsledky počtu, velikosti a distribuce bublin v jednotlivých oblastech dílu, dále predikuje průběh plnění dutiny formy, pozici studených spojů a snížení hmotnosti dílu. Uživatelé tak mají k dispozici simulační nástroj reálného MuCell procesu, který zahrnuje jeho komplexní požadavky pro různé typy materiálů, plniv a procesních nastavení.

Nový modul Moldex3D-Expert využívá statistické metody DOE (Design of Experiment) pro rychlou a systematickou optimalizaci procesních parametrů bez použití metody pokus – omyl. Ruční zadávání dat je omezeno na minimum – pouze na identifikaci vstupních proměnných parametrů a jejich limitů. Poté modul automaticky vytvoří sadu výpočtů pomocí Tagučiho metody. Na závěr software vyhodnotí vliv jednotlivých faktorů na sledovaný parametr a navrhne optimalizovaný proces.

Pomocí této technologie lze vyrábět díly složené ze dvou typů materiálů – jeden na povrchu a druhý v jádře dílu. Tuto technologii lze využít v případech, kdy je požadována vysoká kvalita povrchu dílu, i když uvnitř dílu (v jádře) je recyklovaný materiál o nízké kvalitě. Bonusem využití recyklovaných materiálů je snížení zátěže životního prostředí plastikářskou výrobou a snížení nákladů. Navíc lze vhodným výběrem materiálu povrchu a jádra dílu splnit další požadavky dílu – například na „útlum“ a odolnost proti rázu.

Výstupem modulu Moldex3D-Co-Injection jsou výsledky zahrnující kvalitu materiálového rozhraní, distribuci materiálů v dutině formy (viz obr. 5), postup čel taveniny, defekty typu průniku materiálu jádra povrchovou vrstvou a případné protržení čela taveniny povrchového materiálu. Software analyzuje potenciálně kritické oblasti s vysokou teplotou nebo napětím a odhaluje možné deformace vznikající z interakce materiálu jádra a materiálu povrchu dílu. Takto získávají konstruktér i technolog náhled do celé šíře složitosti této technologie a jsou schopni optimalizovat jak konstrukci dílu, tak i nastavení zpracovatelského procesu a snížit tak náklady na vývoj.

Pro usnadnění fáze preprocesingu (přípravy výpočetního modelu pro simulaci) lze s výhodou využít jak automatickou tvorbu 3D sítě přímo z geometrie dílu, tak i integraci do CAD systémů, a to Creo, Cimatron, NX, SolidEdge a SolidWorks. Designéři tak mají možnost připravovat model pro výpočet v jim známém prostředí konstrukčního softwaru bez nutných konverzí formátů dat.

Moldex3D verze 11 se může pochlubit i mnoha dalšími vylepšeními a novými funkcemi. Je to například modul Moldex3D-Stress – nástroj pro pevnostní analýzu založenou na lineárně-elastickém principu, která zahrnuje do simulace podstatné informace, jako jsou pozice studených spojů a 3D orientace vláken. Inovovaný modul Moldex3D-Designer umožňuje úpravy geometrie dílu bez použití externích CAD programů. Modifikován byl i generátor 3D sítí, který nyní dosahuje vyšší efektivity a výsledně pozitivně ovlivňuje i kvalitu simulací. Nová funkce Particle Tracer zachycuje historii proudění částic v polymerní tavenině pro detailní popis plnění dutiny formy. Nově je také možné v modulu Moldex3D-Transient Cool simulovat proudění chladicí kapaliny ve 3D s využitím CFD analýzy a optimalizovat tak chlazení podle požadavků. Dále lze pomocí modulu Moldex3D-Crystallization vizualizovat krystalizaci materiálu a sledovat vývoj krystalické fáze během fází plnění, dotlaku a chlazení. Moldex3D také umožňuje tzv. „Core Shift“ analýzu, která predikuje deformaci jader formy nebo zálisků v důsledku nevyváženého plnicího tlaku, a pomáhá tak optimalizovat proces vstřikování.

Možnost paralelního výpočtu pro všechny fáze vstřikovacího procesu velmi výrazně zvyšuje efektivitu simulací. Moldex3D využívá všechny výhody multiprocesorových, multijádrových i multiCPU hardwarových konfigurací – lokálních, klastrových nebo na grafické kartě (GPU) pro zrychlení simulací a zkrácení času potřebného pro dosažení kvalitních výstupů.

Zdeňka Růžičková

SimulPlast
z.ruzickova@simulplast.cz
www.simulplast.com