Témata

Snižování výrobních nákladů pomocí simulační analýzy

03. 02. 2010

Provedení optimalizace vstřikovacího procesu prostřednictvím specializovaného softwaru vede k významným úsporám výrobních nákladů vyplývajících zejména ze snížení hmotnosti dílu a spotřeby polymeru, zkrácení času vstřikovacího cyklu a zvýšení kvality dílu, zejména deformace a smrštění.

Při standardním způsobu návrhu výstřiku se uplatňují hlavně zkušenosti designéra a konstruktéra formy. Do jaké míry byl návrh výstřiku a formy úspěšný, se ukáže až po výrobě vstřikovací formy a po vystříknutí zkušebních výlisků. Totéž platí pro samotné nastavení parametrů vstřikovacího procesu, které je dáno hlavně zkušenostmi technologa.

Obr.1: Růst nákladů na uvedení výrobku na trh a vliv jednotlivých etap na růst nákladů

Nejvyšší úspory výrobních nákladů lze dosáhnout ve fázi vývoje

Cena vstřikovaného dílu je z největší části dána součtem těchto cen: cenou vstřikovací formy, cenou plastu, hmotností výstřiku včetně vtoků a délkou vstřikovacího cyklu. Výše těchto cen je zejména ovlivněna ve fázi návrhu plastového dílce, konstrukcí vstřikovací formy a technologické přípravy výroby, tj. nastavením technologických podmínek vstřikovacího procesu. Ve vývoji je fixováno až 70 % celkových nákladů na výrobu, přičemž vývojová fáze představuje zhruba 5 %. To je rozhodně důvod, proč věnovat vývojové fázi velkou pozornost. S částkou odpovídající 5 % výrobních nákladů můžeme totiž ušetřit desítky procent celkových výrobních nákladů (obr. 1). Cílem společnosti Smartplast, s. r. o., je pomoc při vývoji vstřikovaných plastových dílů, nástrojů a nastavení vstřikovacích parametrů tak, aby bylo dosaženo co nejvyšší úspory výrobních nákladů.

Ve světě globálního tržního prostředí jsou realizační týmy, které řeší návrh dílu, konstrukci nástrojů a výrobní technologii, od sebe vzdáleny tisíce kilometrů a několik časových pásem. Pokud tyto týmy nemají v rukou exaktní hodnoty popisující podobu dílu, nástroj a technologii, jejich komunikace může být velmi složitá až konfliktní, a hlavně vede k nárůstu nákladů a prodloužení času pro uvedení výrobku na trh. To může vést k obrovské finanční ztrátě plynoucí z toho, že výrobce není první a jediný, kdo na trhu nabízí nový produkt. Úspora výrobních nákladů zvyšuje zisk a konkurenceschopnost hlavně ve chvíli, kdy je už na trhu výrobců více.

Obr. 2: Sítě konečných prvků Midplane, Dual Domain, 3D objemová síť

Nástroje pro optimalizaci vstřikovacího procesu

Jak tedy dosáhnout snížení výrobních nákladů a přitom přijít s výrobkem na trh včas? Velké možnosti v tomto směru poskytuje analýza vstřikovacího procesu pomocí simulačního softwaru, jakým je například Autodesk Moldflow. Pozorný čtenář si jistě všiml, že již neuvádíme původní obchodní název Moldflow. Společnost Moldflow, Inc., se totiž v květnu 2008 stala součástí společnosti Autodesk, Inc. Řešení nově nazvané Autodesk Moldflow je dnes začleněno do skupiny softwarových produktů, která nese název Digital Prototyping a umožňuje stručně řečeno činnosti zaměřené na návrh výrobku a nástrojů přes testování, výrobní řešení až po kvalitu a správu a sdílení dat. Původní název Moldflow Plastics Advisers se nyní změnil na Autodesk Moldflow Adviser (AMA) a původní Moldflow Plastic Insight na AMI Autodesk Moldflow Insight (AMI). Původní struktura softwarových modulů byla zjednodušena z 28 u MPI na 4 AMI produkty a z původních 5 MPA modulů jsou nyní 3 AMA produkty. To je důležité hlavně pro snadnější orientaci potenciálních uživatelů. Lze předpokládat, že fúze Autodesku a Moldflow povede hlavně k vytvoření uživatelsky příjemnějšího prostředí, hlavně v oblasti úpravy modelu, tvorby vtokového a chladicího systému a exportu dat z výpočtových modulů do CAD systémů. Bezesporu se také zvýší možnosti vývoje výpočtových modelů, které popisují chování polymerní taveniny, proudění a hlavně smrštění a deformaci. Předpokládá se, že materiálová databáze bude rychleji rozšiřována o nové polymery.

Obr. 3: Vliv CRIMS modelu smrštění na výpočet rozměrů dílu

AMA Autodesk Moldflow Adviser

AMA Autodesk Moldflow Adviser je expertní nástroj určený zejména pro konstruktéry dílů a forem pro rychlou analýzu v postupných fázích návrhu, popř. pro technology pro ověření nastavených procesních parametrů a kalkulaci ceny výstřiku. Tento nástroj může běžet na pozadí CAD softwaru a konstruktér může v kterékoliv fázi návrhu dílu nebo nástroje provést analýzu. Dostává jednoznačný výsledek s jednoduchým popisem problému a s možností jeho odstranění. To znamená, že tento expertní nástroj nepotřebuje hluboké znalosti problematiky vstřikovacího procesu, reologie a fyziky polymerů. Pracuje na bázi metody konečných prvků a umožňuje výpočty pomocí sítě Dual Domain i 3D (obr. 2).

AMI Autodesk Moldflow Insight

AMI Autodesk Moldflow Insight je nástroj pro hloubkovou analýzu vstřikovacího procesu. Poskytuje bezkonkurenční generování a editaci sítě konečných prvků a množství řešičů. Generátory sítě konečných prvků v AMI umožňují provádět výpočty na síti střednicové plochy, na síti dual domain a na síti objemové s využitím prvků Tetra 4 i Tetra 10.

Výpočtové moduly jsou určeny pro komplexní analýzu vstřikovacího procesu včetně optimalizace DOE, dvoukomponentního vstřikování, zástřiků, analýzy vstřikování se systémem Dynamic Feed, vstřikování s technologií GIT a vstřikování termosetů. Dále je možno analyzovat průhyb jádra ve formě a změnu tloušťky stěny výstřiku a kompletní mechanickou analýzu na síti střednicové plochy a přenos dat do solverů pro strukturální analýzy Ansys, Nastran a Abaqus. Jak AMA, tak AMI obsahují unikátní databázi polymerních materiálů, kde je uvedeno cca 8 000 typů termoplastů s hodnotami technologických podmínek, reologických vlastností, PVT vlastností, teplotních dat, mechanických dat a hodnot smrštění, které umožňují optimalizaci návrhu dílu, nástroje a výroby.

Použitý typ sítě konečných prvků velmi významně ovlivňuje výsledek analýzy, zvláště v případě dílů s velkou tloušťkou stěn a kde jsou velké změny průřezu a tvaru. V tomto případě je nutno použít síť tvořenou objemovými elementy tetrahedrony, aby nedocházelo ke zkreslení výsledků v důsledku nedostatečné interpretace změn tloušťky stěny.

Obr. 5: Příklad vrtaného a nekonvenčního chlazení
Obr. 6: Rozdíl teplot formy DMLS chlazení 81 °C, vrtané 101 °C
Obr. 7: Zástřik s kontakty a průhledný díl s vtokovými ústí

Vliv modelu smrštění na reálné rozměry vstřikovaného dílu

Obvyklým problémem hlavně pro konstruktéry formy je určit hodnoty smrštění polymeru a následně provést korekci dutiny o hodnoty smrštění. Pokud potřebujeme určit přesné smrštění vstřikovaného dílu a optimalizovat kritické rozměry v závislosti na vstřikovacích parametrech, jsou v databázi Moldflow pro část polymerů unikátní data smrštění naměřená ve zkušební formě vybavené teplotními a tlakovými čidly. Ta umožňují korekci výpočtu smrštění z PVT diagramu, který je nedostatečný pro semikrystalické polymery, pomocí tzv. CRIMS (Correct Residual In-mold Stress) modelu, který do výpočtu zahrnuje vznik krystalické fáze a její vliv na smrštění a také vliv orientace makromolekul na smrštění ve směru toku taveniny a kolmo na směr taveniny. Hodnoty smrštění pro CRIMS model jsou naměřeny v testovací formě ve směru toku taveniny a kolmo na směr toku taveniny při variovaném nastavení vstřikovacích parametrů. Pokud bychom počítali smrštění polymeru pouze z PVT diagramu, jak je obvyklé, dostaneme hodnoty značně zkreslené, protože PVT data nezahrnují orientaci makromolekulárních řetězců vlivem smykové rychlosti proudící taveniny, orientaci vláken, případně nárůst krystalické fáze smykovou rychlostí.

Na obrázku 3 je vidět smrštění průměru dílu vstřikovaného za stejných podmínek, ale s použitím CRIMS modelu a bez něj. V případě použití pouze PVT dat bez korekce CRIMS modelem bylo vypočteno smrštění průměru 1,2 %. S korekcí CRIMS bylo vypočteno smrštění 1,96 %. Smrštění reálně vstřikovaného dílu bylo 2 %. Bez provedení korekce tedy vzniká chyba 60 %. Někdy může být smrštění dílu výrazně vyšší než udává výrobce polymeru (obr. 4). Typickým příkladem jsou TPE. Praxe ukázala, že vypočítané smrštění je správné.

Optimalizace chlazení

Zajímavou možnost optimalizace chlazení představuje výroba tvarových vložek formy metodou Direct Metal Laser Sintering. Tato metoda umožňuje pomocí laserového spékání ocelových prášků vyrobit v tvarové části formy téměř libovolný tvar chladicích okruhů výborně kopírujících dutinu i v malých detailech (obr. 5). Zajistí se tak dokonalý odvod tepla. Čas cyklu se zkrátí až o 50 % a teplota formy se sníží v exponovaných místech o 20 °C, stejně jako se zmenší teplotní rozdíly v dutině formy (obr. 6). Sníží se tak výrazně rozdíl objemů v chladnoucím polymeru a tím také deformace dílu.

Deformace zástřiků vlivem tlaku taveniny v dutině

Software také umožňuje výpočet deformace zastřikovaných dílů jak plastových, tak kovových, vznikajících působením tlaku a dotlaku taveniny v dutině formy. Výpočet je vhodný zvláště pro elektrotechnické a elektronické součástky (obr. 7), kde jsou zastříknuty vodivé dráhy apod. Na základě provedených výpočtů může být optimalizován vtokový systém a vstřikovací parametry tak, aby deformace byla minimální (obr. 8).

Obr. 8: Deformace zástřiku vlivem tlaku taveniny v dutině formy

Deformace tvarových částí formy vlivem tlaku polymerní taveniny v dutině

Další možností je výpočet namáhání tvarových částí forem působením tlaku a dotlaku taveniny na exponované díly v sestavě dutiny formy (obr. 9). Výpočet se provádí přímo v AMI modulu. Provedení výpočtu umožňuje provést optimalizaci jak vtokové soustavy a vstřikovacích parametrů, tak konstrukce dílu a tvarové části formy. Kromě deformace tvaru lze spočítat vonMisesovo napětí a hlavně změnu tloušťky stěny vstřikovaného dílu vlivem deformace tvarové části formy (obr. 10).

Obr. 9: Tvárník ve formě a deformace tvárníku působením tlaku taveniny v dutině formy
Obr. 10: Změna tloušťky stěny dílu vlivem deformace tvárníku

Dvoukomponentní vstřikování a následné deformace obou komponent dílu

Dvou- a vícekomponentní vstřikování s sebou nese problémy vyplývající ze vzájemného působení vstřikovaných komponent, což se týká zejména teplot a tlaků v dutině formy. Výpočty zejména 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. 11: Dvoukomponentní vstřikování a deformace obou komponent
Obr. 12: Deformace dílu v Ansys pro variované teploty formy

Mechanická pevnost vstřikovaného dílu

Výsledky výpočtů z Moldflow AMI lze exportovat do řešičů pro strukturální analýzy a v nich dále pokračovat ve výpočtech a optimalizacích pevnosti vstřikovaného dílu. Export je možný do výpočtového softwaru Ansys, Abaqus a Nastran. Exportovat lze například stav reziduální napjatosti po vyhození dílu z dutiny formy (obr. 12) a změny materiálových vlastností vlivem orientace vláken plniva. Znalostí hodnot Youngova modulu ve všech osách, Poissonova čísla ve všech osách a smykového modulu je možné jinak izotropní materiálový model změnit na ortotropní a výrazně tak zpřesnit výpočet. Další možnost ve strukturální analýze představuje zohlednění znalosti výskytu studených spojů, případně lunkrů uvnitř dílu. Kromě optimalizace konstrukčního provedení dílu je potom možné optimalizovat i nastavené vstřikovací parametry, které ovlivňují mechanickou pevnost dílu.

Petr Halaška

Smartplast

www.smartplast.cz

halaska@smartplast.cz

Vydání #1,2
Kód článku: 100124
Datum: 03. 02. 2010
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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