Témata
Reklama

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.

Reklama
Reklama
Reklama
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

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 100124
Datum: 03. 02. 2010
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Firmy
Související články
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.

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.

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.

Související články
Horké trysky jako nový standard

Studené plnicí kanály doprovázejí odvětví vstřikování plastů od prvopočátku. I dnes často vypadá tento způsob plnění dutiny jako ten nejjednodušší a nejelegantnější. Proč má tedy smysl zabývat se aplikací horkých trysek i do malých sérií a malých forem? Srovnejme oba způsoby plnění a porovnejme ekonomické přínosy.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Inteligentní řešení pro vstřikování plastů

Automatizace, výrobní technologie, optimalizace procesů a služby jsou nedílnou součástí filozofie rakouské společnosti Engel. Ta svá systémová řešení v oblasti zpracování plastů představila v říjnu pod mottem „více než stroj“ na veletrhu Fakuma 2015 v německém Friedrichshafenu.

Plasty pomáhají modernizovat strojírenství

S pokračujícím vývojem nových materiálů se mění i materiálová skladba strojírenských výrobků a zařízení. V současné době si již nelze rozvoj téměř všech strojírenských odvětví bez použití plastových materiálů představit. Vývoj pak ukazuje, že plasty budou hrát ve strojírenství stále významnější úlohu.

Jaká tajemství skrývá výroba razítek?

Představte si obyčejné moderní razítko. Připadá vám, že vyrobit je musí být velice jednoduché? Možná byste se divili. Složitá vulkanizace, vstřikolisovna s 21 vstřikolisy, obtížný proces barvení, to vše velmi náročné na stabilitu procesu. Tolik jen stručně o tom, s čím se během výroby razítek musíme u nás, v Colopu v Borovanech, denně potýkat. Chcete se dozvědět víc? Pak vás zvu ke čtení následujících řádků.

Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Absorbér energie, izolace nebo kreativní materiál?

Vypadá jako polystyren, ale není to polystyren. Rozdíl poznáte nejpozději ve chvíli, kdy jej vezmete do ruky. Řeč je o expandovaném polypropylenu, materiálu, který pod obchodním názvem Arpro vyrábí globálně působící japonská společnost JSP. Vnitřní struktura dílů z něj vyrobených na první pohled připomíná díly z pěnového polystyrenu, ale jejich vlastnosti jsou zcela rozdílné.

Nové vstřikovací jednotky pro vstřikovací stroje

Společnost Engel Austria od základu přepracovala své hydraulické vstřikovací jednotky a na veletrhu K 2016 od 19. do 26. října v Düsseldorfu představila novou generaci úspěšných řad vstřikovacích strojů Engel victory a Engel duo, které díky inovativním funkcím dosahují vyšší přesnosti, ergonomie a účinnosti.

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

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.

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.

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