Témata
Reklama

Modelování kompozitních materiálů a struktur

I když v současnosti zaznamenáváme výrazný nárůst aplikací kompozitních materiálů v automobilovém průmyslu, simulace kompozitních struktur stále představují velkou výzvu. Simulační software Digimat nabízí unikátní přístup v této oblasti simulací a umožňuje dosáhnout dosud nebývalé přesnosti predikcí.

Složitost konstrukcí v automobilovém průmyslu roste. Jedním z problémů, který je potřeba řešit, je vývoj ekologických automobilů s minimální CO2 stopou a zároveň se zlepšenou bezpečností, kvalitou a výkonem. Snížení emisí CO2 lze dosáhnout prostřednictvím různých technologií v kombinaci s lehkými konstrukcemi. Klíčem k navrhování lehkých vozidel je optimální využití vysoce výkonných kompozitních materiálů.

Reklama
Reklama
Reklama

Kompozitní materiály v automobilovém průmyslu

Kompozity pokrývají širokou škálu materiálů, kde matrice je vyztužena jedním nebo více typy plniv, například vlákny či jiným plnivem. Kompozity na bázi termoplastické nebo epoxidové matrice se používají obvykle v kombinaci s krátkými, dlouhými nebo kontinuálními vlákny. V závislosti na typu materiálu jsou díly pro automobilový průmysl zpracovávány pomocí technologie vstřikování, tvarování nebo jinou technologií.
Použitý typ materiálu a výrobní technologie vedou k vysokému stupni složitosti, kdy mikrostruktura materiálu je přímo ovlivněna podmínkami zpracování. Změny v mikrostruktuře pak mají přímý vliv na fyzikální vlastnosti materiálu a tím i na výsledné vlastnosti dílu.

Výzva pro simulace

Tato komplexnost představuje zvláštní výzvu pro inženýry pracující v oblasti simulací. Pouze dobrý popis materiálu může vést k uspokojivým výsledkům výpočtu dílů. CAE metody (Computer-Aided Engineering) jsou již řadu let používány ke snížení časové a finanční náročnosti vývoje vozidel. Nicméně většina CAE procesů, nástrojů, a dokonce i technické myšlení konstruktérů je zaměřeno na izotropní materiály, které jsou homogenní (jako je například ocel). Bohužel pro heterogenní kompozitní materiály je na trhu nedostatek modelů pro popis jejich fyzikálních vlastností. Pro tyto typy materiálů je potřeba řešit popis jejich vlastností různých v směrech, jako jsou mechanická pevnost, teplotně a rychlostně závislé mechanické chování a v neposlední řadě i mezní stavy porušení.

Kompozitní řešení

Prediktivní možnosti pokrokových řešení ukazují vynikající korelace s experimentálními měřeními. Tato shoda je dosažena širokou škálou možností modelování mikrostruktury materiálu ovlivňující chování materiálu a jeho reakci na vnější podněty. Zmíněné technologie jsou implementovány v softwaru Digimat, jehož prodej a technickou podporu zajišťuje na českém a slovenském trhu firma SimulPlast, s. r. o. Jedná se o nový typ materiálových modelů založených na mikromechanice, které jsou nyní k dispozici pro širokou oblast simulací. Tyto modely jsou schopny využít informace o změnách mikrostruktury získané ze simulací zpracovatelského procesu dílu (například simulace vstřikování – Moldex3D). Po získání informací o struktuře Digimat následně vygeneruje korektní nelineární, rychlostně a/nebo teplotně závislé vlastnosti materiálu, které vstupují do strukturních analýz založených na metodě konečných prvků (FEA). Příklad postupu řešení je znázorněn na obr. 1. Dnes jsou již tyto modely použitelné pro popis všech výše uvedených materiálových vlastností a mohou být použity pro statické i dynamické testování automobilových dílů.

Obr. 1. Mikromechanické materiálové modely jsou citlivé na orientaci vláken. S použitím výsledků simulace vstřikování (predikce orientace vláken) je možné je využít pro předpověď lokální tuhosti dílu (Renault).

Aplikace

Použití mikromechanických materiálových modelů se ukazuje jako velmi výhodné. Při porovnání s tradičním izotropním přístupem jsou viditelné výrazné rozdíly v přesnosti předpovědi chování reálných dílů.

Obr. 2. Potrubí sání vzduchu je vystaveno dynamickému tlakovému zatížení v důsledku zpětného zážehu (JSOL Corp.).

Typickým vstřikovaným plastovým dílem je potrubí sání vzduchu. Tento díl musí být schopen vydržet výkmit vysokého tlaku v důsledku zpětného zážehu (obr. 2). Dva časové okamžiky tohoto dynamického děje (t1 = 8 ms a t2 =12 ms) byly zkoumány pomocí simulací (obr. 3). Mezi výsledky tradičního izotropního a moderního mikromechanického přístupu byly zjištěny výrazné kvalitativní rozdíly. Tradiční (izotropní) metoda zcela selhala, když předpovídala výrazně vyšší hodnoty napětí v díle. Predikce se lišila od skutečnosti nejen hodnotou a rozložením napětí v jednotlivých časových okamžicích, ale také rychlostí poklesu napětí v celém dílu.
K překonání tohoto známého omezení izotropních modelů (nízká přesnost výsledků) jsou obvykle používány škálovací faktory k popisu průměrných materiálových vlastností měnících se v díle. Tento postup však není prediktivní, protože není možné odvodit jednu hodnotu škálovacího faktoru podle nějakého jasně definovaného pravidla. Důsledkem tohoto přístupu (fitování experimentálních křivek pomocí škálovacích faktorů) je to, že následná simulace není prediktivní.
To je jasně vidět na plastovém dílu pro sestavu střešního okénka, na kterém byly zkoumány dva stavy zatížení – globální a lokální (obr. 4). Pro nafitování experimentálních křivek musely být použity výrazně rozdílné škálovací faktory (obr. 5). Naproti tomu přepočet analýzy s jedním „Digimat materiálem“ přímo poskytl výsledky výborně korelující s experimentem.

Obr. 3. Při zpětném zážehu byly zkoumány dva různé časové okamžiky pomocí homogenního izotropního a nehomogenního anizotropního materiálového modelu s využitím softwaru Digimat (JSOL Corp.).


Obr. 4. Vstřikovaný plastový díl s proměnnou orientací vláken pro sestavu střešního okénka automobilu (Ticona + ArvinMeritor)

Budoucí výzvy

Podobným způsobem bylo s využitím softwaru Digimat prozkoumáno mnoho typů kompozitních materiálů. Díky vynikající korelaci výsledků simulace s realitou se tento postup stává na trhu standardem. Inženýři mohou správně predikovat statické nebo dynamické způsoby namáhání dílů včetně jejich porušení. Nedávno byl software Digimat rozšířen i o možnost výpočtu teplotní závislosti, aby bylo možné postihnout chování teplotně zatěžovaných dílů v motorové části automobilů.

Obr. 5. Porovnání mezi výsledky simulací pomocí izotropního a anizotropního modelu pro dva typy zatěžování. Výsledky získané s použitím softwaru Digimat výborně korelují s výsledky experimentu. (Ticona + ArvinMeritor).

Firma e-Xstream engineering, autor softwaru, se již teď zaměřuje na nové výzvy nadcházející budoucnosti. Po simulaci vstřikovaných materiálů vyztužených krátkými vlákny je další vývoj softwaru v oblasti plastových materiálů zaměřen na dlouhovláknové kompozity. V přípravě jsou i nové materiálové modely pro popis lokálních únavových vlastností v závislosti na mikrostruktuře materiálu. Cílem dalšího vývoje softwaru Digimat v oblasti plastových materiálů je umožnit jeho uživatelům plnou predikci životnosti kompozitních dílů. Zastoupení pro prodej softwaru Digimat v ČR a SR zajišťuje společnost SimulPlast, s. r. o.

-zr-

SimulPlast
www.e-Xstream.com
www.simulplast.com
z.ruzickova@simulplast.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 120147
Datum: 15. 02. 2012
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Firmy
Související články
První plnobarevná stolní 3D tiskárna

Společnost Mcor představila jako první na světě plnobarevnou stolní 3D tiskárnu Mcor ARKe a klade si za cíl dostat tuto 3D tiskárnu do každé kanceláře či učebny.

Příprava pracovníků pro výrobu technologií vstřikování plastů

Následující příspěvek představuje jeden ze způsobů přípravy pracovníků ve firmách, jejichž hlavní pracovní náplní je technologie vstřikování plastů

Plasty a robot – jde to dohromady?

Žijeme v době, kdy nás plasty provázejí na každém kroku. Možná si ani neuvědomujeme, kde všude nám pomáhají, kde nás ovlivňují. Od tužky či propisky přes klávesnici, u které sedíme skoro každý den, po stravování a umělohmotné vařečky, které nahradily ty dřevěné, jež používaly naše babičky. Snažíme se usnadnit si život. Těžké díly ze železa vyměnit za lehčí, plastové. Stejně tak i tvůrci softwaru se snaží zjednodušit výrobu.

Související články
Zavedení nového softwaru zefektivnilo konstrukci forem

Společnost Dramco Tool & Die Co. z Grand Islandu se specializuje na výrobu komplexních vstřikovacích forem pro automobilový a spotřební průmysl. S ohledem na potřebu upgradovat a změnit systém konstrukce a výroby forem za účelem zvýšení efektivity začala hledat systém, který by umožňoval rychlou konstrukci forem, automatizaci některých procesů a umožňoval práci jak s objemovými tělesy, tak s volnými plochami.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Efektivní vývoj plastových dílů a vstřikovacích forem

V mnoha odvětvích – včetně automobilového průmyslu, zdravotnických technologií nebo spotřebního zboží – představuje proces vstřikování do forem nejpoužívanější a ekonomicky nejvýhodnější metodu výroby plastových dílů. Zásadní je zde povědomí, jak návrh jednotlivých dílů ovlivní jejich vyrobitelnost, a naopak – a to ještě před zahájením výroby. Řešení nabízí konstrukční simulace.

Aditivní a hybridní výroba 3D tiskem

Rychlý rozvoj 3D tisku v posledních letech nejenže zpřístupnil tuto technologii spotřebitelům, ale také umožnil nové typy aditivní a hybridní výroby.

Virtuálně na veletrh

Svět se nám doslova před očima přelévá do online prostoru. To, že se na internet přesune mnoho služeb a komodit bylo jasné už od rozšíření a zvýšení dostupnosti internetu široké veřejnosti. Letošní pandemická situace však tento přerod ještě více umocnila. Ostatně i v průmyslu nás již několik posledních let doprovázejí hesla jako Internet věcí, digitalizace, big data, cloud apod. Oblíbené semináře a konference dostaly virtuální podobu a koncem listopadu si také 17 vystavovatelů a okolo 300 návštěvníků vyzkoušelo první virtuální odborné B2B setkání s názvem Výroba forem 2020.

Rodinné podnikání v přesné strojařině

Brněnská firma VKV Horák se zabývá konstrukcí, vývojem a výrobou přístrojové mechaniky, přípravků, jednoúčelových strojů, forem pro vstřikování plastů, lití polyuretanových dílů a vakuovému tváření plastů. S jejím zakladatelem, panem Zdeňkem Horákem, jsme si povídali o aspektech podnikání v českém prostředí, o vzdělávání, kvalitě škol, průmyslu budoucnosti.

Automatická optimalizace plastového výrobku, formy a vstřikovacího procesu

Virtuální a reálná optimalizace procesu vstřikování plastů Varimos (Virtual And Real Injection Moulding Optimisation System) je expertní systém německé firmy Simcon GmbH. Sestává ze dvou základních částí – virtuální a reálné.

3D tisk nabízí příležitosti pro byznys

Bouřlivý rozvoj v oblasti 3D tisku a aditivní výroby a „demokratizace“ tohoto odvětví vytvořily prostor pro nové obchodní příležitosti. Ty sahají od domácích hobby strojů k potenciální výstavbě budov s pomocí 3D tisku ve vesmíru.

Žíhání termoplastů

Moderní nauka o plastech v mnoha směrech vychází z nauky o kovech. Příkladem je žíhání, jeden ze způsobů tepelného zpracování. Společným účelem žíhání kovů i plastů je pomocí řízených teplotních změn dosáhnout rovnovážných stavů struktury a tím i cíleně ovlivňovat vlastnosti.

Makroplasty versus mikroplasty

Plasty se staly nenahraditelným materiálem sloužícím téměř všem oblastem lidské činnosti. V poslední době se pozornost odborníků i veřejnosti soustřeďuje na zcela nový ekologický fenomén, zvaný mikroplasty. Ve smyslu ekologické terminologie je pak možné výrobky z plastů označovat jako makroplasty.

Plasty a kompozity v inovaci strojírenských výrobků

Plasty a kompozity s polymerní matricí přinesly revoluci v materiálových přístupech ke konstrukci strojírenských výrobků a zařízení. Nepřetržitě probíhající materiálové inovace v oblasti plastů a kompozitů spoluvytvářejí inovativní řešení ve strojírenství. Reagují na potřeby strojírenského průmyslu a stávají se kontinuálním procesem s jasnou perspektivou do budoucna.

Optimalizace plastových výlisků s obsahem přírodních vláken

V průmyslové výrobě, především v automobilovém průmyslu, se začíná prosazovat trend nasměrovaný k využívání obnovitelných materiálů, ke kterým mj. patří přírodní vlákna. Vývojáři nových výrobků se setkávají s požadavky na aplikační využití plastových materiálů vyztužených přírodními vlákny, jako jsou sisal, konopí, len atd.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit