Programy CAE mogą być postrzegane jako systemy samodzielne, gdzie analiza strukturalna zapewnia poprawną informację o sztywności i niezawodności wypraski lub formy, a analiza przepływu mówi wiele o sposobie wypełniania gniazda. Ale jakie są rzeczywiste warunki brzegowe procesu formowania wtryskowego? Czy wszystkie założenia dotyczące wtrysku i kształtu gniazda formującego są prawidłowe? Odpowiedzi na wiele z tych pytań można uzyskać, łącząc programy analityczne w taki sposób, że same określają warunki, pozwalając na interakcję różnych programów.
Jerzy Dziewulski
W 2001 roku w Aachen w Niemczech, podczas Spotkania Użytkowników Cadmould, firma Simcon przedstawiła podstawy i możliwości przeprowadzenia tzw. analizy sprzężonej (coupled analysis) w budowie form wtryskowych.
W pierwszym podejściu, finansowanym przez COSMOS (projekt ESPRIT), sprzężenie zostało zaprogramowane i przeprowadzone pomiędzy Cadmould i MARC. W tym partnerstwie Cadmould dostarczył analizę procesu wypełnienia, co zwykle robi. W sprzężonej symulacji z oprogramowaniem do analizy strukturalnej generowana jest jednak dodatkowa informacja o tym, w jaki sposób powierzchnia gniazda jest lokalnie obciążana przez siły indukowane przez wtryskiwany stop. Może to stanowić poważny problem, gdy skomplikowane kształty wypraski wymagają form wielogniazdowych, z suwakami lub cienkimi rdzeniami. Elementy formy, które nie są wystarczająco sztywne, mogą chwilowo lub trwale się ugiąć, a nawet złamać z powodu tych sił.
Rys. 1
Poza naprężeniem mechanicznym w formie, które może powodować uszkodzenie konstrukcji, może wystąpić sprzężenie zwrotne odkształceń formy z wypełnianiem gniazda. Jeśli odkształcenia korpusu formy i cienkich ścianek stają się duże z powodu wysokiego ciśnienia wtrysku, może to spowodować częściowe lub całkowite zdławienie dróg przepływu. Jest to tym ważniejsze, że jest to proces samoczynnie sprzężony: – zredukowany przekrój przepływu spowalnia przepływ → przekrój blokuje się wcześniej, a przepływ jest bardziej niezrównoważony → siły poza centrum wzrastają; również przesunięty rdzeń zwiększy szczelinę przepływu po jednej stronie i zmniejszy ją po przeciwnej stronie → przepływ będzie łatwiejszy na pierwszej stronie i utrudniony z drugiej strony → obszar pod ciśnieniem będzie się odsuwać coraz bardziej od pozycji pierwotnej.
Zjawiska „nadmiernych deformacji formy” i „niedrożności ścieżki przepływu” wynikają z asymetrycznych obciążeń na ścianach, suwakach i rdzeniach form. Oczekuje się, że wystąpią podczas wypełniania gniazda. W wielu przypadkach obciążenia szczytowe pojawią się pod koniec wypełnienia, gdy większość obszarów gniazda zostanie wypełniona, a ciśnienie wtrysku gwałtownie wzrośnie, gdy trzeba będzie wypełnić pozostałą objętość gniazda. Mogą jednak występować przypadki, w których stop musi przejść krytyczne obszary formy na wcześniejszym etapie wypełniania. Również kształt gniazda może być zbyt złożony, aby przewidzieć czas maksymalnego obciążenia lub odkształcenia z góry, w którym to przypadku dokładna wartość tego krytycznego czasu powinna być częścią wyników symulacji.
Powyższe rozważania ilustrują konieczność ścisłego powiązania obu symulacji ze stałą wymianą informacji między nimi.
Sprzężony proces symulacji jest całkowicie kontrolowany przez Cadmould. Nie wymaga interakcji użytkownika z oprogramowaniem do analizy strukturalnej. Przydatna może być jednak podstawowa wiedza na temat możliwości przetwarzania końcowego oprogramowania do analizy strukturalnej, w celu oceny wszystkich aspektów wyników.
Analiza strukturalna oparta jest na bryłowej czworościennej siatce MES. Wpływ zmieniających się właściwości materiału w zapraskach przewodzących ciepło nie jest uwzględniany. Obliczenia siły mocującej za pomocą oprogramowania do analizy strukturalnej i efektów termicznej ekspansji nie są uwzględnione w aktualnej wersji programu, ale mogą zostać – dla przyszłych wersji – rozszerzone o nowe funkcje1. Obecnie, deformacja zaprasek jest liczona przez integralny moduł w Cadmould V10 w oparciu o analizę sprzężoną.
W artykule opiszemy dwa przykłady, w których dzięki analizie sprzężonej można było przewidzieć problemy z delikatnymi zapraskami i wiotkimi stemplami, oraz stosunkowo szybko znaleźć właściwe rozwiązanie.
Przykład 1 – obtrysk zapraski
Zapraską jest blacha stalowa o grubości 1 mm, szerokości 15 mm, przegięta w kształcie długiej litery Z (Rys.1). Blaszana zapraska jest obtryskiwana tworzywem PP w formie dwugniazdowej (Rys. 2).
Rys. 2
Grubość ścian wypraski jest równomierna dla całego kompletu i wynosi 1,5 mm. Ze względu na wielkość zamówienia postanowiono produkować wypraski w prostej dwugniazdowej formie zimnokanałowej.
Zapraska jest wstawiana w gniazda formujące i trzymana za wolne końce zaciśnięte przez formę. Mimo prostoty tematu, postanowiono sprawdzić zachowanie się zapraski podczas fazy wypełniania gniazd, korzystając z symulacji. Symulacje przeprowadzono w programie Cadmould V10. Co zobaczyliśmy po pierwszej analizie?
Płynący front tworzywa przepchnął zapraskę i docisnął do gniazda formy po przeciwnej stronie przewężki (Rys. 3).
Rys. 3
Wiotka zapraska poza miejscami zamocowania doznała deformacji równej grubości ściany wypraski 1,5 mm (Rys. 4).
Rys. 4
Jak można przeciwdziałać takiej deformacji? Padła propozycja, żeby podeprzeć zapraskę kilkoma kołkami umieszczonymi w podziale formy. Na takie rozwiązanie nie zgodził się klient i istniała obawa, że zapraska obróci się wokół osi Z. Poza tym należałoby przebudować formę i wyposażyć gniazda formy w suwaki, niezbędne do wycofania kołków przed wypchnięciem wypraski. Następne proponowane rozwiązanie to takie zasilenie wypraski, aby front tworzywa płynął równomiernie po obu stronach zapraski.
Przewężka została przyłożona w osi wypraski i ramię po prawej stronie zostało wypełnione poprawnie. Tworzywo płynąc przez zakręty zapraski tak ją przemieściło, że lewe ramię zetknęło się z gniazdem i powstał niewypełniony obszar wypraski (Rys. 5).
Rys. 5
Na filmie z animacją wypełniania można było zobaczyć, że widoczna bardzo duża deformacja prawej strony zapraski powstała po wypełnieniu tej strony. Dzięki temu zapraska nie zetknęła się z formą, ale po wypchnięciu wypraski dozna ona poważnych deformacji, które przeniosły się z zapraski na wypraskę (Rys. 6).
Rys. 6
Okazało się że to rozwiązanie nie spełnia warunków uzyskania poprawnej wypraski.
Co jeszcze można zrobić aby rozwiązać problem? Jeden z konstruktorów zaproponował, aby w zaprasce, naprzeciwko przewężki, wprowadzić otwór, przez który tworzywo będzie wypełniało drugą stronę wypraski, co powinno zapewnić równomierne wypełnianie obu stron (Rys. 7).
Rys. 7
Na rysunku 8 widzimy, że wypełnianie wypraski jest idealne i wydaje się, że ten pomysł jest rozwiązaniem właściwym.
Rys. 8
Analiza wykazała, że największe deformacje zapraski nie przekraczają 0,02 mm (Rys. 9).
Rys. 9
Czy to wystarczy? Doświadczeni specjaliści wiedzą, że symulacje są wykonywane w warunkach wyidealizowanych, a tego typu zapraska może być wymiarowo niepowtarzalna. I tutaj tkwi niebezpieczeństwo, że pomiędzy wynikami analizy a docelowym procesem obtrysku mogą powstać różnice uniemożliwiające poprawną produkcję.
Aby uniezależnić proces produkcyjny od wahań wymiarowych zapraski, zaproponowano kolejne rozwiązanie, bardziej jednak kłopotliwe od poprzedniego. Polega ono na doprowadzeniu tworzywa systemem kanałów na obie strony zapraski (Rys. 10).
Rys. 10
Kanały doprowadzające należy precyzyjnie zbalansować, tak aby tworzywo równomiernie wypełniało obie strony. Może to być bardzo trudne, gdyż dla cieczy nienewtonowskich, jakimi są tworzywa, zmiana prędkości przepływu może mieć duży wpływ na balans wypełniania. A więc wtryskarka musi bardzo dokładnie utrzymywać zadane parametry procesu. Analizy wykonane dla tego rozwiązania wykazały, że bardzo małe zmiany średnic kanałów oraz wymiarów zapraski mają duży wpływ na poprawność wypełniania formy.
Temat zatem jest bardzo trudny do opanowania i konstruktor musi dokładnie przewidzieć i przemyśleć wszystkie mogące zaistnieć problemy. Przy kalkulacji wykonania formy należy uwzględnić dodatkowe eksperymenty, konieczne do ostatecznego opanowania sytuacji.
Przykład 2 – wiotki stempel
Musujące tabletki witaminowe są często pakowane przez producentów w długie tuby o stosunkowo małej średnicy. Rocznie, tylko w Polsce, produkuje się takich opakowań setki tysięcy. Tuby są zdobione albo poprzez nadruk, albo poprzez naklejenie etykiety samoprzylepnej. Producenci takich opakowań mają problem z uzyskaniem prostej, nie przegiętej jak banan, wypraski. Taka wygięta wypraska sprawia duże kłopoty przy zdobieniu zewnętrznej powierzchni. Stąd ciągłe tarcia pomiędzy wtryskowniami a drukarzami.
Wymiary przykładowej wypraski (Rys. 11) – średnica zewnętrzna: 29 mm; długość: 145 mm; grubość ścian: 1 mm, jednakowa dla całej tubki.
Rys. 11
Zastanówmy się, co jest przyczyną wyginania się wypraski. Jeśli pomierzymy wygiętą wypraskę, to okaże się, że ma ona ściany o nierównej grubości. Im różnica w grubości jest większa, tym bardziej wygięta jest wypraska. I to jest odpowiedź na nasze pytanie. A teraz zastanówmy się, dlaczego wypraska ma nierówne ściany, mimo że narzędziownia dokłada wszelkich starań aby elementy formujące były precyzyjnie wykonane, a stempel poprawnie zaryglowany względem matrycy. Oczywistym jest, że żadnego elementu formującego nie da się wykonać idealnie i jakieś różnice we współosiowości stempla i matrycy będą istniały. Z pomiarów dobrze wykonanej formy wynika, że różnice te są nie większe niż 0,02 do 0,04 mm. Wypraska, którą się zajmiemy, wykazuje różnice na grubościach ścian rzędu 0,1 do 0,2 mm. Dlaczego? Dlatego że wiotki stempel pod naporem nierówno płynącego frontu tworzywa przegina się. Analiza sprzężona pozwoli sprawdzić nam to zjawisko. We wszystkich formach na takie wypraski, wypraska zasilana jest centralnie – w dno. Do obliczeń założyliśmy, że stempel jest przesunięty z osi matrycy o 0,05 mm, czyli różnica na grubości ścian wynosi 0,1 mm.
Na rysunku 12 widzimy, że przy takim braku centrowania front tworzywa płynie nierówno, szybciej na grubszej ścianie i wolniej na cieńszej ścianie. Jaki to będzie miało wpływ na ugięcie stempla i różnicę w grubości ścian?
Rys. 12
Stempel odchylił się aż o 0,12 mm, a różnica grubości ścian wypraski przy jej dnie wyniosła 0,22 mm (Rys. 13).
Rys. 13
Możemy podejrzewać, że wygięcie wypraski będzie spore i wypraska nie będzie się nadawać do operacji zdobienia.
Czy można w jakiś sposób spowodować, aby stempel nie odchylał się podczas fazy napełniania gniazda? Okazało się, że można i jest to sposób znany specjalistom od bardzo dawna. Skorzystajmy zatem z niego.
Grubość ściany w stożkowym przejściu dna została pocieniona na 0,4 mm (Rys. 14).
Rys. 14
Sprawdźmy jak teraz będzie wypełniana wypraska i jak będzie się zachowywał stempel dla tych samych warunków jego położenia względem matrycy.
Wypełnianie wypraski jest podobne jak dla poprzedniego przypadku (Rys. 15), ale deformacje stempla są dwukrotnie mniejsze.
Rys. 15
Stempel odchylił się o 0,06 mm, a różnica grubości ścian wypraski przy jej dnie wyniosła 0,16 mm (Rys. 16).
Rys. 16
Wygięcie wypraski będzie mniejsze i jest szansa, że wypraska będzie się nadawać do operacji zdobienia. Jeśli nie, narzędziownia musi poprawić współosiowość stempla wobec matrycy.
Program wylicza również naprężenie zastępcze w najbardziej wytężonym miejscu na stemplu.
Wyliczone naprężenie jest bezpieczne (Rys. 17) i naszemu stemplowi nie grozi zniszczenie.
Rys. 17
Znam przypadek, gdzie w dużej formie na półkę łazienkową o długości 600 mm (półka w postaci wysokiego na 110 mm wąskiego korytka), po pierwszym wtrysku doszło do wyłamania stempla. Gdyby konstruktor dysponował odpowiednim programem i przeprowadził właściwe analizy, z pewnością nie doszłoby do takiej katastrofy.
Programy do analiz cały czas są rozwijane. Ciągłe usprawnienia programowe dają nowe możliwości konstruktorom do przewidywania skutków podejmowanych decyzji projektowych. Warto je poznawać i korzystać z nich jak najczęściej.
Jerzy Dziewulski
artykuł pochodzi z wydania 5 (128) maj 2018
