Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 1

Transkriptio

1 Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi School of Technology and Management, Polytechnic Institute of Leiria Käännös: Tuula Höök Tampereen teknillinen yliopisto Kuten lähteissä [1] ja [2] on mainittu, ensimmäiset yritykset tutkia ruiskuvalumuotin täyttymistä on raportoitu jo 1950 luvulla lähteessä Spencer ja Gilmore [3]. He tarkastelivat muotin täyttymistä visuaalisesti ja johtivat havaintoihin perustuen yhtälön, jolla voidaan määrittää muotin täyttymisaika. Johdanto Ruiskuvalun numeerinen simulointi on aloitettu 1970 luvun alkupuolella. Ensimmäiset laskentamallit kehitettiin yksinkertaisten muotojen täyttymisen analysointiin. Käsiteltävät muodot olivat putken muotoisia, pyöreitä tai suorakulmaisia ja virtausmalli oli yksinkertaistettu yksisuuntaiseksi. Lämpötilakenttä oli kaksisuuntainen siten, että toinen koordinaatti laski lämpötilakenttää virtauksen suuntaan ja toinen virtauksen paksuusuuntaan. Laskentamalli on tällöin 1½ ulotteinen. Polymeeria käsiteltiin newtoniaanisena nesteenä. Numeerinen ratkaisu haettiin differenssimenetelmällä. Harry ja Parrot (1970), analysoivat yksiulotteisella mallilla polymeerin virtausta suorakaiteen muotoisen pesän sisällä ja liittivät laskentaan lämpötasapainoyhtälöt. Myöhemmin 1½ ulotteista virtauslaskentamallia pyrittiin soveltamaan monimutkaisiin pesämuoihin hajottamalla monimutkainen muoto yksinkertaisiksi elementeiksi. Menetelmät eivät olleet kovin hyvin yleistettävissä ja ratkaisun tarkkuus riippui hyvin paljon siitä, kuinka jako elementteihin oli tehty. Tarkkuus riippui näin ollen käyttäjän taidoista. Menetelmällinen läpimurto tapahtui, kun myöhemmin kehitettiin yleinen 2½ ulotteinen laskentamalli. Malli esiteltiin ensimmäisen kerran lähteessä Hieber ja Shen, 1980 [4]. Mallissa yhdistettiin elementtimenetelmä ja differenssimenetelmä siten, että elementtimenetelmää sovellettiin muottipesän keskipinnoille ja differentiaalimenetelmää paksuussuunnassa. Painekenttä ratkaistiin kaksisuuntaisesti elementtimenetelmällä. Lämpötila ja nopeuskentät ratkaistiin kolmiulotteisesti käyttäen elementti ja differentiaalimenetelmiä yhdessä. Nykyiset numeerisen simuloinnin ohjelmistot perustuvat kolmeulotteiseen laskentamalliin. Niissä käytetään Navier Stokes yhtälöitä sekä huomioidaan hitausvoimat ja painovoima. Nykyisin on saatavana useita kaupallisia kolmiulotteiseen ruiskuvalun simulointiin tarkoitettuja ohjelmistoja. Tämä kirjoitus käsittelee ruiskuvalumuotin valujärjestelmän testaamista ja simulointia tietokoneavusteisesti CAE (Computer Aided Engineering) ohjelmistoilla. Kirjoituksessa selvitetään muutamia simulaatioita ja näytetään esimerkkejä. Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 1

2 Ruiskuvalukomponenttien kysyntä on kasvanut voimakkaasti ja tuonut mukanaan tarpeen pitää kustannukset kurissa. Kustannukset pysyvät parhaiten hallinnassa, kun optimoidaan sekä kappaleen että muotin suunnittelu. Nykyisin ei ole hyväksyttävää päästää suunnitteluvirheitä valmiiseen muottiin saakka. Ruiskuvaluprosessi on dynaaminen ja monipuolinen sallien kappaleeseen useita vaihtoehtoisia geometrisia muotoja ja monimutkaisuutta. Kappaleet voidaan valaa laajasta valikoimasta erilaisia termoplastisia polymeereja. On tärkeää, että ruiskuvalumuotin suunnittelija käyttää erlaisia optimointi ja simulointityökaluja, jotta vältytään erehdyksiltä. Ruiskuvalukappaleen suunnittelija lyö jo monia asioita lukkoon: muotin valmistettavuuden sekä kaikki vaatimukset muotin suunnittelulle ja ruiskuvalukoneen valinnalle. CAE ohjelmistoilla voidaan analysoida sekä muotin että valettavan kappaleen suunnitelmat teknisestä ja taloudellisesta näkökulmasta. Vaikka ohjelmistot ovat monimutkaistuneet ja kehittyneet, niiden käyttö on yleistynyt, koska tietokoneiden suorituskyky on samalla jatkuvasti parantunut. Tästä syytä on ollut tarpeen kehittää ruiskuvalun simulointiin järjestelmällisiä menetelmiä ja menettelytapoja. Ruiskuvalukappaleen ulkonäköön ja toimintaan liittyvät vaatimukset määrittävät simuloinnin vaatimukset ja tavoitteet. Ruiskuvaluprosessia simuloidaan pääasiallisesti seuraavista näkökulmista: Sisäänvaluportin paikan analysointi Prosessi ikkunan analysointi Muotin täyttymisen analysointi Muottipesän täyttämisen aikana käytettävän paineen ja jälkipaineen analysointi Jakokanavien tasapainottumisen analysointi Jäähtymisen analysointi Vääntymien ja kutistumien analysointi Jos CAE ohjelmiston tuottamat tulokset osataan tulkita oikein, kappaletta, muottia tai ruiskuvalukoneen säätöarvoja voidaan optimoida useilla tavoilla. Simuloinnilla voidaan parhaassa tapauksessa: ja lyhentää ruiskuvalukoneen valukiertoa 10 30%; pienentää muotin korjausten ja testisarjojen kustannuksia 30 50% pienentää huomattavasti tuotannon ylösajoon kuluvaa aikaa Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 2

3 Sisäänvaluportin paikan analysointi Analyysiin kuuluu tavallisimmin useiden vaihtoehtoisten sisäänvaluportin kohtien analysointi. Vertailussa otetaan huomioon seuraavat yksityiskohdat: Prosessoitavuus: määritetään kuinka hyvin muotti täyttyy eri vaihtoehdoissa Pienin ruiskutuspaine: määrittää ruiskuvalukoneen sulkuvoiman tarpeen Geometriset rajoitteet: analysoidaan ruiskutettavan aineen ylitäyttyminen Seinämänpaksuus: analysoidaan kappaleen seinämänpaksuus täyttymisen näkökulmasta Analyysien kautta pyritään selvittämään kuinka paljon ja minkä tyyppisiä valuvikoja kappaleeseen voi muodostua täyttymisen aikana. Sisäänvaluporttien paikka ja geometria vaikuttaa ruiskuvalukappaleen laatuun seuraavien parametrien kautta: Muotin täyttymisprofiili Yhtymäsaumojan ominaisuudet ja paikat Polymeeriketjujen suuntautuneisuus Mitanpitävyys Imujen kontrollointi Kutistumien ja kutistumaonteloiden kontrollointi Muottipesän painejakauma Loukkuun jäänyt ilma ja epätäydellinen täyttyminen Jäännösjännitykset Vääntymät ja tasomaisuus Prosessi ikkunan analysointi Analyysilla pyritään selvittämään parhaat mahdolliset ruiskuvalun prosessointiolosuhteet: muottilämpötila, ruiskutusaika ja jähmettymislämpötila. Jos sisäänvaluporttien sijainnit analysoidaan muutamalla erilaisella ruiskutusprofiililla (paine, leikkausnopeus ja lämpötila), löytyy paras vaihtoehto helpommin. Valettavan raaka aineen vaikutus paineeseen ja leikkausnopeuteen analysoidaan myös. Analyysi antaa suosituksia ruiskutusajasta, muotin lämpötilasta ja sulan lämpötilasta. Nämä voidaan käyttää lähtötietoina perusteellisempaan virtausanalyysiin. Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 3

4 Muotin täyttymisen analysointi Muotti täyttyy portilta eteenpäin siten, että sula hakeutuu vähiten vastusta tarjoavia reittejä pitkin muottipesän läpi. Porttikohta on tärkeä valita oikein, jotta muotti täyttyisi kokonaan ja mahdollisimman tasaisesti. Täyttymisen analysointi näyttää kuinka sula käyttäytyy muottipesän sisällä. Analysoitavia muuttujia ovat esimerkiksi ylikuumentuminen ja leikkausjännitykset. Täyttymisanalyysi antaa kuvan, kuinka hyvin muoviraaka aine täyttää muottipesän. Tavallisesti tehdään myös toinen analyysi, jolla arvioidaan seuraavat parametrit kappaleen eri kohdista: Täyttymisajan luotettavuus Ruiskutuspaineen vaikutus Muovisulan eturintaman lämpötila Yhtymäsaumojen sijainti Loukkuun jääneen kaasun sijainti Päätavoitteena on yhtymäsaumojen ja loukkuun jääneen ilman ennustaminen. Näitä vikoja tulisi välttää kohdissa, joilla on visuaalisia vaatimuksia. Virtauksen eturintaman lämpötiloja analysoidaan myös, jotta voidaan ennustaa ja ehkäistä materiaalivaurioita. Muottipesän täyttämisen aikana käytettävän paineen ja jälkipaineen analysointi Muottipesän täyttöpaineen ja jälkipaineen yhtäaikainen analysointi on tärkeää, jotta voidaan ennustaa täyttöpaineen suuruus ja tarvittava aika. Nämä ovat tärkeitä prosessointiparametreja, joiden arvot täytyy välittää myös tuotantohenkilöstölle. Analyysin aikana käsitellään kolme tärkeää vaihetta: täyttyminen, virtaus ja jälkipaine. Jakokanavien tasapainottumisen analysointi Jotta jakokanavien tasapainoa voitaisiin tutkia, täytyy aluksi analysoida muotin täyttyminen. Kun täyttymisen aikaiset olosuhteet ovat selvillä, voidaan määrittää painejakauma muotin täyttymisen ja jälkipainevaiheen välissä tapahtuvan paineen laskun aikana. Tällä tiedolla voidaan laskea ja optimoida jakokanavien poikkipintaalat monipesäisessä muotissa. Tavoitteena on saada kaikki jakokanavat täyttymään yhtä aikaisesti, samaan paineeseen ja lämpötilaan. Tasapainottumisen analyysi voi antaa vihjeitä myös pesien sijoittelun muuttamiseen. Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 4

5 Jäähtymisen analysointi Jäähtymisanalyysi antaa mahdollisuuden optimoida jäähdytyskanavien sijainnit. Tavoitteena on saada kappale jäähtymään mahdollisimman tasaisesti, minimoida valukierron ajat, eliminoida kappaleen vääntymät ja vähentää valmistuskustannuksia yleisesti. Jäähtymisanalyysin kautta voidaan: Optimoida kappaleen ja muotin rakenne siten, että jäähtyminen tapahtuu tasaisesti ja pienimmällä mahdollisella valukierron ajalla Tarkastella lämpötilaeroja muotin keerna ja pesäpinnoilla Minimoida epätasainen jäähtyminen ja sen myötä muodostuvat jäännösjännitykset, jolloin kappaleen vääntyily vähenee tai poistuu kokonaan Ennustaa lämpötilat kaikissa muotin osissa: kappale, jakokanavat, jäähdytyskanavat, insertit Ennustaa tarvittava jäähtymisaika kappaleelle ja kanavistolle ja niiden kautta valukiertoon kuluva kokonaisaika Analyysin kautta voidaan saavuttaa seuraavia laskentatuloksia: Kappale: Muottipesän pinnan lämpötilajakauma Keerna ja pesäpintojen välisen lämpötilaeron jakautuminen Muovin keskimääräisen lämpötilan jakautuminen ulostyönnön aikana Muovin maksimilämpötilojen jakautuminen ulostyönnön aikana Kappaleen kuumimman kohdan sijainti ulostyönnön aikana Jähmettyneen kerroksen paksuusjakauma Kappaleen osien syvyyssuuntaiset lämpötilaprofiilit Muotti: Inserttien ja jakopinnan pintalämpötilojen jakaumat Lämpötilaeron jakautuminen inserteissä ja jakopinnoilla Muotin ja jäähdytyskanavien ulkopintojen lämpötila Painehäviö jäähdytyskanavissa Lämpötilaerot jäähdytysnesteessä Virtausnopeus jäähdytyskanavissa Reynoldsin luku jäähdytyskanavissa Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 5

6 Vääntymien ja kutistumien analysointi Analyysin kautta saa tietoa ruiskuvalukappaleen vääntymien ja kutistumien syistä. Analyysi ennustaa myös, missä muodonmuutoksia tulee tapahtumaan. Tulokset antavat mahdollisuuden optimoida suunnittelua, materiaalinvalintaa ja prosessointiparametreja, jotta vääntymät voidaan hallita sopivasti ennen kuin muotti on valmistettu. MPI/Warp ohjelmistopaketin avulla voidaan tutkia ja optimoida vaativatkin kohteet, joissa vaaditaan hyvää mitanpitävyyttä, erinomaista ulkonäköä ja tarkkaa sovitusta toisiin kappaleisiin. Vääntymien analysointi mahdollistaa: Kappaleella muotista poistamisen jälkeen olevan muodon ennustamisen ennen kuin muottia on valmistettu Yksi ja monipesäisten muottien analysointi Kutistumien ja vääntymien skaalaaminen, jotta ne voidaan havaita paremmin Vääntyneen geometrian tallentaminen STL muodossa, jolloin sitä voidaan käyttää referenssinä muotin mitoituksessa Koko valujakson aikana muodostuvien jäännösjännitysten laskeminen mukaan lukien lämpötila ja painejakaumien vaikutukset, muoviraaka aineen ominaisuudet, polymeeriketjujen suuntautumisen ja kappalegeometrian vaikutukset Kappaleen jäännösjännitysten visualisointi seinämän poikkileikkauksen suunnassa Juuri ennen ulostyöntöä vaikuttavien jännitysten (muotti estää kutistumista) ja ulostyönnön jälkeen vaikuttavien jännitysten (vapaa kutistuminen) määrittäminen Simulointiesimerkkejä CAE (Computer Aided Engineering) ohjelmistoilla Kaikkein yleisimmin käytetty ruiskuvalun simulointiohjelmisto on MoldFlow. On kuitenkin olemassa muitakin uusia ohjelmistopaketteja, joilla voidaan ennustaa ruiskuvalun parametreja. Näissä uusissa ohjelmistoissa on joitakin kiinnostavia ominaisuuksia, esimerkiksi metallien ruiskuvalun (Metallic Injection Moulding, MIM) simulointi, jauheruiskuvalun (Powder Injection Moulding PIM) simulointi, superkriittistä fluidia (SFC, esimerkiksi hiilidioksidi CO2 tai typpi N2) hyödyntävän microcellular injection moulding menetelmän simulointi ja muiden erikoismenetelmien simulointi. Nykyisin on yleisesti saatavilla ja käytössä neljä ohjelmistopakettia: MoldFlow ( Moldex3D ( ) SoftSigma ( ) SimPOE Mold ( ) Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 6

7 Seuraavissa kuvissa on esitetty täyttymisanalyysi ja kuvia tosellisesta täyttymistilaneesta. Simulaatio on tehty Moldex3D ohjelmistolla Täyttymisvaihe ja todellisen kappaleen täyttyminen (Portugalilaisen muotinvalmistajan käyttöön luovuttama kuva: MD Molds) Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 7

8 Seuraavissa kuvissa esitetään jäähdytyskanavien optimointia sylinterimäisellä muotilla. MouldFlow ohjelmistolla on testattu useita jäähdytyskanavarakenteita. Simulointia on tehty osana uuden tuotteen suunnitteluprosessia. (Kuvat luovuttanut käyttöön VANGEST Group) Muotti keerna Jäähdytyskanavien rakenne 1 Jäähdytyskanavien rakenne 2 Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 8

9 Jäähdytyskanavien rakenne 3 ABS Prototyyppi Ruiskuvalettu osa Lopputuote Seuraavassa kuvassa on metallien ruiskuvalun (Metallic Injection Moulding, MIM) täyttymisen simulointi. Kuvan uovuttanut käyttöön SigmaSoft. Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 9

10 Lähteet [1.] J. J. van der Werf ja A. H. M. Boshouwers, INJECT 3, A Simulation Code for the Filling Stage of the Injection Moulding Process of Thermoplastics, PhD Thesis, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, May [2.] I. Barros, Modelação do Comportamento Térmico de Moldes de Injecção, PhD Thesis, Universidade do Minho, Guimarães, June [3.] R. S. Spencer ja G. D. Gilmore, Some flow phenomenon in the injection moulding of polystyrene, Journal of Colloid Science, Vol. 6, No. 2, 1951, p [4.] C. A. Hieber ja S. F. Shen, A finite element / finite difference simulation of the injection molding filling process, Journal of Non Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 7, No. 1, 1980, p [5.] Mold making handbook, edit. Gunter Mennig, 2nd edition, Hanser/Gardner Publishing, Inc., ISBN , 1998 [6.] Mold engineering, Herbert Rees, Hanser/Gardner Publications, Inc., ISBN , 1995 [7.] Understanding injection Mold Design, Herbert Rees, Hanser Publishers, ISBN , 2001 [8.] Injection molds : 108 proven designs, Hans Gastrow, edits. E. Lindner and P. Unger, 2nd edition revised with new mold designs, Hanser Publishers, ISBN , 1993 [9.] How to make injection molds, Georg Menges, Walter Michaeli e Paul Mohren, 3rd ed., Munich : Hanser, ISBN , 2001 [10.] Plastics mold engineering handbook, John Harry Dubois (Toim.), Wayne I. Pribble (Editor), Kluwer Academic Pub; 4th edition, ISBN ,1987 [11.] Engineering Polymers, part and mold design a design guide, Bayer Corporation, Pittsburgh, 2000 [12.] HASCO, DME ja CUMSA electronic catalogues [13.] [14.] [15.] [16.] Ruiskuvalumuotin testaaminen ja simulointi 10