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

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
Vnitřní napětí v plastovém výrobku

Vstřikované plastové výrobky mají různou úroveň vnitřního (zbytkového) napětí. Vnitřní napětí ovlivňuje kvalitu výrobku, především pak jeho pevnost, rozměrovou přesnost a u transparentních dílů vznik případných vzhledových vad.

Budoucnost v simulacích vstřikování plastových dílů

Přesnost predikce budoucí kvality plastových dílů a forem pomocí simulačního softwaru pro vstřikování se stále zvyšuje. Je to dáno zejména využitím stále dokonalejších výpočetních technik a modelů. Zároveň roste šíře nabízených modulů pro různé technologie vstřikování.

Principy konstrukce plastových výlisků

Rychlý vývoj moderních 3D CAD systémů způsobil evoluční krok v návrhu produktů, jehož výsledkem jsou organičtější formy se vzrůstající složitostí. Cílem tohoto článku je zaměřit se na nové konstrukční principy a jejich dopad na obrábění a výrobní procesy.

Související články
Návrh plastového dílu a jeho optimalizace

Vstřikování polymerů je pružná výrobní metoda pro výrobu tenkostěnných plastových dílů. Vstřikování umožňuje v automatickém cyklu vyrobit komplexní geometrii dílu při nízké energetické spotřebě a krátkém časovém cyklu. Komplexností geometrie je myšlena nejenom výroba jednotlivých dílů, ale také sdružení několika dílů do jednoho celku. Tímto způsobem lze minimalizovat náklady na montáž a zároveň také minimalizovat vady vzniklé při montáži.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Optimalizace ziskovosti plastového výlisku

Expertní systém CalcMaster 7.2 pracující na principu odražené vlny vnáší nové možnosti do procesu nabídky a poptávky pro formy na plasty a lehké kovy.

Investice do softwaru pro formařinu se vrátila do měsíce

Společnost Formaplex Limited se sídlem ve Velké Británii se zabývá převážně vývojem a výrobou hliníkových a ocelových vstřikovacích forem pro firmy z oblasti automobilového a leteckého průmyslu. Její investice do softwaru VISI Flow se vrátila už po prvním měsíci používání.

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.

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.

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.

Nový materiál ASA pro 3D tisk v osmi různých barvách

Společnost MCAE Systems, oficiální distributor firmy Stratasys, rozšířila nabídku materiálů pro 3D tisk o nové digitální materiály a také o termoplast ASA dostupný v osmi barvách. ASA nyní nabízí nejširší barevnou škálu ze všech materiálů pro technologii FDM.

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.

Problematika vstřikování plastových dílů pro automobily

Příspěvek popisuje podmínky pro výrobu vstřikovaných plastových dílů pro automobily včetně vznikajících problémů a navazuje na článek Snížení rizika vzniku vad při vstřikování plastových dílů, který byl uveřejněn v příloze Plasty časopisu MM Průmyslové spektrum č. 3/2014 (viz též www.mmspektrum.com/140312). Autor vychází z dlouholeté zkušenosti ve firmě Plast Form Service I. M., která se výrobou těchto dílů zabývá již od roku 1998.

Digitální prototypy v techologii vstřikování plastů

Analýzy digitálních prototypů v Autodesk Simulation Moldflow umožňují provádět optimalizaci celého vstřikovacího procesu plastů, od optimalizace designu samotného výrobku přes nastavení vstřikovacího stroje a výběru nejvhodnějšího plastu až po optimalizaci výrobního nástroje, tj. vstřikovací formy. To vše po stránce technologické i pevnostní.

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