Digitální prototypy v techologii vstřikování plastů

Kromě základních analýz můžeme řešit i následující problémy: velké deformace, kdy dochází ke ztrátě stability tvaru vstřikovaného dílu, stav reziduální napjatosti v plastovém dílu, orientaci dlouhých vláken, kterými je plast naplněn, i jejich lámání v průběhu vstřikovacího procesu. Dále transientní chlazení (v závislosti na čase) v celém objemu vstřikovací formy, technologie vstřikování 2K, GIT, CIM, deformace zástřiků nebo deformace částí vstřikovací formy působením tlaku taveniny ve formě.

„Velké a malé deformace“ je název typu analýzy, který přímo nesouvisí se skutečnou velikostí deformace. Analýzou „malých deformací“ je myšlena lineárně elastická deformace ortotropního materiálového modelu. Ten je použit v případě polymeru plněného skleněnými vlákny. V případě polymeru bez vláken je použit izotropní materiálový model. V případě „velkých deformací“ jsou použity stejné materiálové modely, ale počítá se zde se ztrátou stability stěny a deformace vstřikovaného dílu tak mohou být o řád vyšší (obr. 1). Tento výpočtový model je vhodný zejména pro duté tvary vyztužené žebrováním, kdy dochází ke ztrátě stability stěny vstřikovaného dílu vlivem reziduálního napětí po vyhození z dutiny formy.

Reziduální napětí jsou mechanická napětí vznikající ve výstřiku bez působení vnitřních sil. Jsou jedněmi z napětí generovaných ve výstřiku v průběhu vstřikovacího cyklu a zůstávají ve výstřiku i po vyhození z dutiny formy, kdy se výstřik ochlazuje na teplotu okolí. Reziduální napětí způsobují deformaci a smrštění výstřiku a mají také vliv na napěťové trhliny působením environmentálního zatížení, jako UV záření, teplotních šoků nebo tenzoaktivních látek (obr. 2). Jsou indukována v průběhu vstřikovacího procesu jako výsledek rozdílného smrštění a omezeného toku taveniny uvnitř dutiny formy. Reziduální napětí ve výstřicích jsou výsledkem tokové, teplotní a tlakové historie a jsou klasifikována do dvou základních typů: tokově indukované napětí a teplotně indukované napětí. Analýza reziduálních napětí je nezbytná u dílů, které jsou silně mechanicky namáhány, vystaveny tenzoaktivnímu prostředí nebo střídání teplotního zatížení. Reziduální napětí lze přenést do FEM řešičů pro mechanické a teplotní úlohy.

Orientace vláken při vstřikování má významný vliv na mechanické chování plastového dílu. Skleněná vlákna u vstřikovaných dílů vnášejí do polymerní matrice silnou anizotropii (rozdílné vlastnosti v různých směrech). Abychom mohli správně a hlavně co nejpřesněji vyhodnotit deformační analýzu a crash testy dílů vstřikovaných z těchto polymerů, je nutno tuto anizotropii na vstupu popsat. Popsat anizotropii znamená určit orientaci skleněných vláken po naplnění dutiny vstřikovací formy a následně tuto orientaci převést na materiálové vlastnosti, jako jsou modul pružnosti v tahu a smyku a Poissonovo číslo (obr. 4). Tyto veličiny pak popisují nelineární elastické chování daného polymeru pro nízké rychlosti deformace. U dlouhých skleněných vláken dochází při průchodu plastikační jednotkou, vtokovým systémem a dutinou formy k lámání působením rozdílu v hodnotách rychlosti smykové deformace v průřezu stěny dílu (obr. 3). Tento jev popisuje analýza distribuce délky skleněných vláken ve stěně vstřikovaného dílu.

Jestliže máme vytvořenou sestavu vstřikovací formy, můžeme začít analyzovat její chlazení. Poloha chladicích kanálů a chladicích prvků má zásadní vliv na teplotní pole dutiny vstřikovací formy. Homogenita teplotního pole, a tedy velikost teplotních rozdílů určuje kvalitu a následnou deformaci plastového dílu. V Autodesk Moldflow Insight kromě standardních analýz teplotního pole s 1D chladicími prvky a výpočtem chlazení v ustáleném stavu můžeme provést analýzu v objemu celé formy nebo tvarové vložky s výpočtem teplotního pole v závislosti na čase cyklu (obr. 5). Výpočet může být také proveden od studeného startu až po ustálený stav teplotního pole, například po 50 vstřikovacích cyklech.

Obr. 6a. Kvalita povrchu s použitím RHCT a bez něj
Obr. 6b. Výsledek transientní analýzy chlazení do ustáleného stavu

Obr. 7. Dvoukomponentní vstřikování termoplastu a TPE, deformace obou komponent

Obr. 8. GIT analýza a optimalizace plynové dutiny rámu zpětného zrcátka automobilu

Obr. 9. Deformace a posunutí kontaktů vlivem tlaku taveniny v dutině formy

Obr. 10. Tvárník ve formě (žluté uzly) a deformace tvárníku působením tlaku taveniny v dutině formy

Další možností je analýza RHCT (Rapid Heating and Cooling Technology) umožňující simulaci dynamického ohřevu formy na teplotu blízkou teplotě tání polymeru při plnění dutiny a následného chlazení. Tato technologie umožní pianový lesk dílu a potlačení studených spojů (obr. 6). Můžeme analyzovat RHTC pomocí páry, vody a elektrických vysokovýkonných topných vložek.

Dvou- a vícekomponentní vstřikování s sebou nese problémy při vzájemném působení vstřikovaných komponent, hlavně působením teplot a tlaků v dutině formy. V této oblasti je možné provádět zejména výpočty deformací dílu po vyhození z dutiny. Výpočet deformace je proveden pro oba vstřikované polymery, přičemž je zde zahrnuta deformace působením druhého výstřiku na první, respektive jejich vzájemných teplot (obr. 7).

GIT (Gas Injection Technology) je technologie vstřikování s plynem, který se vstřikuje do formy spolu s polymerní taveninou a vytváří tak uvnitř dílu dutinu, která nahrazuje polymer a snižuje hmotnost dílu při zachování dostatečné tuhosti. Je zde použita varianta vstřikování plynu do dutiny formy. Vstřikování probíhá tak, že se nejprve částečně naplní dutina formy taveninou a poté se začne dávkovat plyn. Je třeba také analyzovat velikost plynové dutiny, která vznikne v závislosti na teplotě taveniny, čase zapnutí plynu a průběhu tlaku plynu v čase (obr. 8). Kdo zkoušel odladit tuto technologii na vstřikovacím stroji, ten ví, jak je tato zkouška časově náročná a jak vysoké jsou náklady na ni. V Autodesk Molflow Insight lze toto odladění technologie provést ve virtuální realitě digitálního prototypu.

V této části jsme pokročili k pevnostním analýzám vstřikovací formy a zástřiků. Autodesk Moldflow Insight umožňuje také výpočet deformace zastřikovaných dílů jak plastových, tak kovových, které vznikají působením tlaku a dotlaku taveniny v dutině formy (obr. 9). Toto je obzvlášť vhodné pro elektrotechnické a elektronické součástky, kde se zastřikují vodivé dráhy apod. Na základě těchto výpočtů může být optimalizován vtokový systém a vstřikovací parametry tak, aby deformace byla minimální.

V Autodesk Moldflow Insight je také možné analyzovat vliv tvarových částí forem působením tlaku a dotlaku taveniny na exponované díly v sestavě dutiny formy (obr. 10). Výpočet se provádí přímo v AMI modulu. Můžeme optimalizovat jak vtokovou soustavu a vstřikovací parametry, tak také design dílu nebo tvarové části formy. Kromě deformace tvaru lze také spočítat Von Misesovo napětí a hlavně změnu tloušťky stěny vstřikovaného dílu vlivem deformace tvarové části formy.

Petr Halaška

Smartplast
halaska@smartplast.cz
www.smartplast.cz/articles.php