• Úvod
  • Odborné články
  • Využití programu CAE a optimalizace vstřikování termoplastů, Lubomír Zeman, část 2.

Využití programu CAE a optimalizace vstřikování termoplastů, Lubomír Zeman, část 2.

Využití programu CAE a optimalizace vstřikování termoplastů, Lubomír Zeman, část 2.

Přinášíme vám ve třech částech pokračování odborného článku o problematice využití programu CAE a optimalizaci vstřikování termoplastů, od pana Lubomíra Zemana ze společnosti PLAST FORM SERVICE, s.r.o. ze dne 3.3.2020.

Virtuální a reálná optimalizace procesu vstřikování

Snaha plně popsat – geometricky, fyzikálně – výstřik a odhalit možné vady a provozní problémy již během předvýrobních etap – v procesu návrhu – vede k potřebě používat softwarové nástroje, které kromě získání informací z oblasti geometrie výstřiku, výpočtů a simulací výrobního procesu, umožní zkrácení zavádění výstřiku do sériové výroby, zaručí minimalizaci nákladů, optimalizaci výrobního procesu a dodržení požadovaných kvalitativních parametrů výstřiků.

Dá se říci, že využití různých programů typu CAD,CAE,CAM je již, zejména v oblasti výroby výstřiků z termoplastů pro automobilový průmysl, standardem. Těžištěm celého návrhového procesu je zejména samotný 3D model výstřiku a z něho vycházející vstřikovací forma. 3D model výstřiku, především popis jeho geometrie, jako prakticky jediný podklad, vstupuje v podstatě do všech etap celého životního cyklu výstřiku. Slouží nejen ke geometrické presentaci budoucího výstřiku, ale jeho data se použijí, například, k pevnostním výpočtům, k simulačním a optimalizačním výpočtům, k výrobě dílů technologiemi Rapid Prototyping, k programování výroby obráběcích elektrod, k programování třískového obrábění tvarových dílů vstřikovacích forem, k tvorbě měřících programů, atd.

Zeman 
  


Porovnání nákladů při změnách v etapách přípravy výroby a při změnách ve výrobních etapách

Po vytvoření 3D modelu, který, znovu opakuji, má být zkonstruován na základě poznatků vycházejících ze zásad technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů, přichází na řadu Virtual Prototyping, jehož definice je tato – je to počítačová simulace technického problému daného dílu ve virtuálním prostoru, přičemž stupeň funkčního chování prototypu je srovnatelný s odpovídajícím fyzickým modelem dílu. Virtuálním prototypováním lze zredukovat počet fyzických modelů nebo i zcela vyloučit jejich použití.

V oboru vstřikování termoplastů má tento přístup nezastupitelnou funkci, protože může, při správném provedení, uspořit poměrně značné náklady na konstrukci a výrobu prototypové vstřikovací formy nebo na výrobu dílů některou z metod Rapid Prototypingu.   

3D model výstřiku

Navržený 3D model výstřiku (může být i vypracován metodami reversního inženýrství, v případě, že není k dispozici jeho počítačový návrh, ale existuje reálný díl) není pouze geometrická kopie reálného výstřiku. V pojetí Virtual Prototypingu se může jednat o model geometrický, model matematický – popsaný diferenciálními rovnicemi, model výpočtový – pro numerická řešení, model technologický – ověřující technologické postupy, zejména obrábění, model komplexně popisující navrhovaný výstřik – popis geometrie, hmotové vlastnosti, materiál, barva, atd. Základním a nejčastěji používaným počátkem všech prací ve virtuálním prostoru jsou modely popisující prostorovou geometrii budoucího výstřiku.

Každý model vzniká v nějakém prostředí, v prostředí nějakého programu, kdy daný software určuje jak bude 3D model sestaven a presentován. Geometrický model slouží jako vstupní data pro další inženýrské aplikace systému CAD-CAE-CAM. Zde vystupuje problematika přenosu dat pomocí různých formátů – IGES , STL , SAT,  PARASOLID , STEP, atd.

V zásadě existují dva způsoby modelování a to v závislosti na modelovacím jádru použitém v daném modelovacím programu – modelování objemové a modelování plošné, respektive nejčastěji se v jednom CAD systému oba přístupy spojují a kombinují, potom se jedná o hybridní modelování. Modelovací jádra, ve své podstatě, lze rozdělit na tři základní typy:

- ACIS – používá například Autodesk, Dassault Systéme – jedná se o geometrickou representaci s otevřenou, objektově orientovanou architekturou, která umožňuje hybridní modelování

-PARASOLID – používá například Pro/Engineer , SolidEdge, Visi CAD – objemové jádro s možností modelování ploch

-jádra vyvíjená výrobci 3D systémů – například VariCAD, jádro Antares – a další

3D model umožňuje přímou vizualizaci a optické ověření návrhu pomocí fotorealistického zobrazení modelu s využitím renderovacích nástrojů (rendering = tvorba reálného obrazu na základě počítačového modelu) přímo v daném modeláři nebo v samostatném programu. Kromě fyzikálních vlastností modelu, například objem, plocha povrchu může si konstruktér vytvářet svoji knihovnu opakujících se dílů a tvarů s různými hodnotami rozměrů, má k dispozici knihovny normalizovaných dílů. Dále má možnost hodnotit případné kolizní stavy jak ve vlastním 3D modelu, tak i v sestavě s ostatními díly, což umožňuje odhalit již ve fázi návrhu ve virtuálním světě možné problémy při výrobě reálných výstřiků a jejich sestav.

Samozřejmostí je z 3D modelu generování výkresové 2D dokumentace. U parametrických modelářů je výhodou propojení 2D a 3D náhledů, přičemž změny provedené na 3D modelu výstřiku se automaticky promítnou do 2D výkresu a ten je vždy aktuální ve vztahu ke změnám provedeným na 3D modelu. Systémy umožňují i paralelní konstruování – práci více konstruktérů s modelem. Práce může probíhat v rámci lokální sítě nebo po internetu přes zabezpečené projení.

S postupujícím vývojem CAD systémů se otevřely možnosti využití i oblastí numerické matematiky, jmenovitě metody konečných prvků – MKP (FEM – Finite Element Method). Výhodou těchto implementací systémů MKP do systémů CAD je, že příslušný konstruktér pracující s  konkrétním CAD programem nemusí mít nijak hluboké znalosti a zkušenosti v oblasti inženýrských výpočtů metodou MKP. Tyto MKP - CAD programy umožňují jednoduchý import geometrie výstřiku, jednoduché zadávání okrajových podmínek a zatížení, automatické generování sítě konečných prvků, včetně jejího zjemňování a přechodu mezi tvary sítě (objemové elementy typu – čtyřstěn, šestistěn, jehlan, prizmatický hranol, atd.).   

Standardní moduly CAD – CAM programů

Po uvedení do souvislostí problematiky návrhu 3D modelu výstřiku si připomeneme, dnes obvyklé, moduly CAD/CAM programů používaných v oboru vstřikování termoplastů. 

Jako první musíme uvést 3D modelář s příslušným hybridním modelováním a matematickým jádrem, včetně širokého rozhraní – Parasolid, IGES, CATIA v5,Pro -E,STEP, Solid Works, Solid Edge, ACIS, DXF, DWG, STL,VDA,… - pro přenos dat.

Dále je to modul analýzy zaměřený na ověřování a přípravu modelové geometrie, včetně práce s importovanými daty. Modul obsahuje nástroje pro analyzování modelu výstřiku a umí pracovat s plochami patřícími k tvárníku, k tvárnici, k tvarům zaformovaným v čelistech, atd. Generuje hlavní i vedlejší dělící roviny, vytváří modely tvárníků a tvárnic.

Součástí programového vybavení je modul pro kompletní řešení návrhu vstřikovacích forem, včetně knihoven normalizovaných dílů, ze kterých je možno jednotlivé části forem skládat. Systémy umožňují jednoduché vkládání temperačních kanálů, včetně automatické kontroly případných kolizí kanálů s ostatními konstrukčními prvky formy. Vybavení kanálů je opět možno brát z příslušné knihovny temperačních dílů. Z objemové sestavy vstřikovací formy lze přímo editovat a generovat 2D detailní výrobní výkresy, včetně řezů a kótování. Nástroje správce sestavy umožňují tvorbu kusovníku, včetně označení příslušné pozice v sestavě vstřikovací formy.  

Na sestavu formy a 2D výrobní výkresy dílů formy navazuje modul pro konstrukci a správu vyjiskřovacích elektrod a jejich držáků (podle systému používaným výrobcem formy). Po zkonstruování EDM elektrody a jejího držáku je k dispozici animace pohybu elektrody s kolizní kontrolou, aby nedocházelo ke kolizi mezi elektrodou, případně jejím držákem se sousedními povrchy.

Na konstrukci elektrod navazuje modul pro jejich výrobu frézováním, přičemž se vzory obrábění, obráběcí metody, řezné podmínky, atd. ukládají pro případné použití při výrobě dalších EDM elektrod.

Kromě programového vybavení pro obrábění elektrod CAM programy obsahují software pro CNC obrábění zejména tvarových dílů vstřikovacích forem. Programy obsahují řadu postprocesorů pro možnost využití vytvořených obráběcích programů pro většinu obráběcích CNC strojů používaných při obrábění tvarových dílů vstřikovacích forem. 

Programy jsou určeny jak pro 2D i 3D obrábění, včetně obrábění pětiosého.

Při výše uvedeném krátkém výčtu možností (v reálné nabídce je podstatně více možností než jsou zde v krátkosti a stručnosti uvedeny) nesmíme zapomenout, že v názvu kapitoly jsou uvedeny zkratky CAD/CAM. V obou případech je prostřední slovo ve zkratce, anglické slovo AIDED, což přeloženo do češtiny znamená POMÁHAT/PODPOROVAT/ASISTOVAT. Nelze ho tedy překládat jako UDĚLÁ ZA KONSTRUKTÉRA. Vždy bude platit, že příslušný konstruktér musí na dobré úrovni uživatelsky ovládat práci s příslušným programovým vybavením a potom mu bude daný systém CAD/CAM dobře sloužit, ale bez konstruktérské invence, zkušeností a znalostí, bez zapojení selského rozumu nevznikne výstřik, respektive vstřikovací forma z výstřiku vycházející, která umožní výrobu výstřiků s definovanou kvalitou.  

Lubomír Zeman 
  

Simulační a optimalizační programy – programy CAE

Obecně je možno konstatovat, že programy uvedené v předešlé kapitole, jsou programy více méně konstrukční a výrobní. I tyto programy mají v sobě řadu kontrolních a optimalizačních (zejména programy obráběcí) mechanizmů, ale tyto mechanizmy se týkají  pouze programů jako takových. Nejsou vytvořeny, neslouží základní výrobní technologii, kterou je technologie vstřikování termoplastů. Tuto oblast v programovém balíku CAD/CAE/CAM obhospodařují, jak je uvedeno v jejich definici – viz kapitola 1, programy uvedené pod souborným názvem Computer Aided Engineering – CAE.

V České republice je komerčně nabízena celá řada simulačních programových balíků, vhodných pro použití při řešení možných problémů při vývoji a výrobě výstřiků z termoplastů. Mezi nejčastěji používané je možno zařadit (v abecedním seskupení): CADMOULD, MOLDEX 3D, MOLDFLOW, SOLIDWORS PLASTICS, VISI CAD, atd.   

Kromě standardního procesu vstřikování termoplastů uvedené programy nabízejí simulační výpočty pro další modifikace technologie vstřikování – vícekomponentní vstřikování, vstřikování s využitím tlaku plynu, vstřikování se zástřiky (inserty), zastřikování mikročipů, sekvenční vstřikování, kaskádové vstřikování, vstřikování optických výstřiků, vstřikování s dolisováním, vstřikování strukturně napěňovaných, lehčených materiálů (s fyzikálním nebo chemickým nadouvadlem),vstřikování reaktoplastů.

Stejně jako u ostatních analytických programů i u simulačních programů pro virtuální výpočty používané v předvýrobních fázích vývoje a výroby výstřiků z termoplastů platí známý postulát – KAŽDÁ SIMULACE JE TAK PŘESNÁ,JAK PŘESNÉ JSOU JEJÍ VSTUPNÍ DATA. V tomto případě se zejména jedná o materiálová data předpokládaného vstřikovaného materiálu. K těmto datům je možno přiřadit i technologická procesní data vstřikování konkrétního materiálu.

Materiálová data jsou buď součástí databáze materiálů příslušného simulačního programu nebo je nutno si je vyžádat od příslušného výrobce granulátu. V mnoha případech, když není možno data konkrétního materiálu zajistit, nezbývá než pracovat s daty obdobného materiálu, k němuž požadovaná data byla již naměřena (zde si musíme uvědomit, že získané simulační výsledky nemusí plně odpovídat realitě při vstřikování konkrétního materiálu, pro nějž jsme potřebná data nezískali). Protože se v současné době, zejména z finančních důvodů, již prakticky nevyvíjejí žádné nové polymery, ale vývoj nových materiálů probíhá cestou modifikací stávajících materiálů, vývojem nových kompozitních materiálů a v neposlední řadě výrobou polymerních směsí, je někdy problém, u těchto materiálů, získat potřebná data pro simulační výpočty. Mnohá data nejsou běžně uváděna ani v materiálových listech, ani v databázích porovnávajících vstřikovací materiály mezi sebou, například databáze CAMPUS.

Jako vstupní materiálová a technologická data pro simulační výpočty jsou nejčastěji požadovány – teplota polymerní taveniny, teplota stěny tvarové dutiny formy, teplota vyhození výstřiku z formy, teplota skelného přechodu, hustota materiálu, měrné teplo, součinitel teplotní vodivosti materiálu i tvarových dílů formy, koeficient teplotní roztažnosti, objemová tepelná kapacita, tepelná difuzivita, modul pružnosti v tahu, viskozitní křivky, pvT diagram, Poissonovo číslo (udává podíl deformace tělesa ve směru napětí a kolmo k tomuto směru), obsah plniva, teplotu zamrznutí toku polymerní taveniny, maximální přípustnou hodnotu smykové rychlosti, vstřikovací rychlost (dobu plnění tvarových dutin formy), hodnotu dotlakové fáze – dobu dotlaku a tlakovou úroveň dotlaku.  

Pro simulační výpočty a analýzy je potřeba 3D CAD model výstřiku v některém z přenosových formátů – nejčastěji STL, STEP nebo IGES. Simulační program si tento model převezme a sám si ho automaticky nastaví na své parametry, vygeneruje síť pro výpočty metodou konečných prvků. Tímto způsobem, závislým na konstrukci konkrétního výstřiku, systém automaticky zajistí rozlišení měnících se materiálových veličin (teplot, smykových rychlostí, atd.) podle lokální tloušťky výstřiku. Výpočty jsou teplotně závislé, respektují stlačitelnost polymerních tavenin a počítají se strukturně – viskozním chováním tavenin polymerních materiálů.  

Do „jednoduchých“ analýz je možno zařadit kontrolu tloušťky navrženého výstřiku, která by, podle zásad technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů, měla být v základních tvarech stejná. Kontrola, kromě upozornění na různé tloušťky stěn poskytuje informace pro potencionální umístění ústí vtoku (do místa výstřiku s největší tloušťkou stěny), pro tloušťku žeber napojených na základní stěnu výstřiku, pro rozmístění a průměry temperačních kanálů, aby docházelo k rovnoměrnému lokálnímu odvodu tepla.

Již byla zmíněna možnost dělení (zaformování) 3D modelů výstřiků ve vztahu tvárník – tvárníce – čelisti: tvorba dělících rovin, identifikace uzavřených ploch a objemů. Mezi další analýzy patří analýza úkosů ve vztahu k dělícím rovinám, kontrola přesahu těles při skládání tvarů 3D modelu, analýza porovnávání modelů mezi sebou – zjišťování konstrukčních modifikací a změn, nalézání nadbytečných těles – zejména při práci s importovanými daty v datovém souboru, nalézání malých a jehlových ploch, které by při zaformování mohly tvořit problematická místa, funkce oprav – automatické opravy, kdy pří přenosu dat došlo k jejich poškození.

Mezi již standardní simulační výpočty se řadí – výpočet plnění tvarové dutiny polymerní taveninou, rozložení tlaků při plnění, rozložení teplot, určení doby chlazení; určení polohy typu a počtu ústí vtoku na výstřiku a vznik a umístění studených spojů, optimalizace variantními umístěními; analýza plnění včetně vtokového systému u vícenásobných a sdružených forem – dimenzování a vybalancování (stanovení průřezů jednotlivých rozvodných kanálů) vtokového rozvodu, průběh plnění, poloha studených spojů, místa s uzavíráním vzduchu, tlaky, doba chlazení, stanovení průběhu přídržné síly vstřikovacího stroje; analýza dotlakové fáze – velikost a doba dotlaku, doba cyklu, přídržná síla; výpočet orientace krátkých i dlouhých výztužných vláken, orientace vláken v různých vzdálenostech pod povrchem stěny výstřiku, směr průměrné orientace vláken; analýza teplot na povrchu tvarových dutin formy, analýza temperačního systému formy, optimalizace temperačního systému ve smyslu snížení deformací a zkrácení doby vstřikovacího cyklu.

Do pokročilejších simulací můžeme zařadit software pro tepelnou analýzu – výpočty konvenčních, konformních i pulzních temperačních systémů vstřikovacích forem, výpočty topných systémů forem, výpočty induktivních systémů temperace vstřikovacích forem; simulace horkých rozvodných systémů na vstřikovací formy i výstřik, výpočet přenosu tepla mezi vstřikovací formou a upínacím systémem vstřikovacího stroje, mezi formou a okolím.

K nejdůležitějším výsledkům simulačních výpočtů patří analýzy smrštění a deformací, měření vzdáleností dvou bodů na výstřiku po jeho smrštění, zjišťování smrštěním vyvolané deformace, měření odchylek od rovinnosti, přímosti, kruhovitosti a naklonění stěn.

První část článku byla zveřejněna 3.3.2020. Link »

Třetí část bude zveřejněna 17.3.2020.

Ilustračné foto: ISPE, s.r.o.

  • autor:
  • Lubomír Zeman


Mohlo by vás také zajímat



 

Nejbližší výstavy a semináře