XXIV Skup TRENDOVI RAZVOJA: “DIGITALIZACIJA VISOKOG OBRAZOVANJA ”, Kopaonik, 21. - 23. 02. 2018.

172

Paper No.T1.6-3 10025

MOGUĆNOSTI UNAPREĐENJA PROCESA INJEKCIONOG PRESOVANJA PRIMENOM NUMERIČKE SIMULACIJA

Ljiljana Stefanović1, Mladomir Milutinović2, Dragiša Vilotić3, Saša Ranđelović4

1,2,3Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, Srbija 4Univerzitet u Nišu, Mašinski fakultet, Niš, Srbija

1ljiljanastefanovic@uns.ac.rs, 2mladomil@uns.ac.rs, 3viloti@uns.ac.rs, 4sassa@masfak.ni.ac.rs Kratak sadržaj: Projektovanje tehnološkog procesa injekcionog presovanja je kompleksan inženjerski zadatak

koji zahteva veliko iskustvo i znanje iz različitih oblasti tehnike. Zbog toga su poslednjih godina razvijeni specijalni softveri koji tehnolozima i konstruktorima alata za injekciono presovanje znatno olakšavaju i ubrzavaju posao. Primenom numeričkih simulacija i radom u digitalnom okruženju drastično se smanjuju troškovi procesa injekcionog presovanja jer se u velikoj meri eliminiše potreba za tzv. “trial and error” procedurom (probaj i popravi), dok se istovremeno povećava kvaliteta proizvoda kao rezultat simultane analize i optimizacije parametara procesa.

U ovom radu, na konkretnim primerima, prikazane su neke od mogućnosti softverskog paketa Moldex3D u procesu projektovanja procesa injekcionog presovanja uključujući predikciju potencijalnih grešaka na delovima dobijenih ovom tehnologijom.

Ključne reči: Numerička simulacije, Moldex3D, Injekciono presovanje

NUMERICAL SIMULATION OF INJECTION MOLDING PROCESS Abstract: Design of injection molding process is a complex task that requires a huge experience and

knowledge from different technical fields. Therefore, a number of special software has been developed recently which facilitate and accelerate the work of technicians and mold design engineers. By using numerical simulations and digital environment, the costs of injection molding process are reduced considerably since experimental verification, i.e. "trial and error" procedures are minimized to the greatest extent. At the same time the quality of the product increases as a result of comprehensive analysis and optimization of the process parameters.

In this paper, a few case study is given in which Moldex3D software package is employed for analysis of injection molding process and part error prediction

Key words: numerical simulation, Moldex3D, injection molding

1. UVOD

Polimerni materijali spadaju među najvažnije tehničke materijale koji se primenjuju u skoro svim industrijskim granama (autoindustriji, elektrotehnici, telekomunikacijama, hemijskoj, farmaceutskoj, građevinarstvu, itd.), sa trendom daljeg proširivanja oblasti primene. Iz tog razloga broj novih polimernih materijala, u prvom redu tehničkih plastika, permanentno raste kao i obim proizvodnje, tako da je danas proizvodnja plastike po volumenu prevazišla proizvodnju čelika [1].

Postoji veliki broj postupaka za proizvodnju polufabrikata, delova i komponenti od polimernih materijala, od kojih su najvažniji: ekstrudiranje, injekciono presovanje, duvanje, termoforming, itd. Prema broju izrađenih jedinica proizvoda injekciono presovanje, danas, predstavlja najčešće korišćenu tehnologiju za preradu polimernih materijala. Radi se o visokoproduktivnom cikličnom postupku za proizvodnju delova konačnih dimenzija kod koga se polazni materijal (najčešće u obliku granula) prvo zagreva i prevodi u rastopljeno stanje, a zatim ubrizgava u temperirani alat (kalup) u kome se rastop solidifikuje i hladi do temperature potpunog očvrščavanja. Na mehanička svojstva, tačnost dimenzija i kvalitet površine brizganog dela najveći uticaj imaju pritisak i temperatura. Ovo su varijabilni parametri koji zavise ne samo od faze procesa, već i od pozicije u sistemu, što znači da rastopljena plastika teče i očvršćava pod različitim lokalnim termo-mehaničkim uslovima. Dalje, termodinamičke osobine rastopa, kao što su viskoznost, entalpija i specifična zapremina, menjaju se istovremeno sa temperaturom rastopa. Drugim rečima, ključni faktor za uspešnu proizvodnju delova injekcionim presovanjem leži u pravilnom podešavanju profila pritiska i temperaturnog polja duž pravca toka rastopljenog materijala, odnosno njihov monitoring i održanje u projektovanom opsegu tokom celog procesa.

Projektovanje procesa injekcionog presovanja predstavlja predstavlja pravi inženjerski izazov, jer kao što je navedeno, radi se o složenom termodinamičkom i reološkom sistemu sa velikim brojem varijabli. Poslednjih godina, ovaj posao je olakšan jer se u tu svrhu razvijeni odgovarajući CAE softveri namenjeni za simulaciju procesa injekcionog presovanja, a koji baziraju na metodi konačnih elemenata (MKE) ili metodi konačnih zapremina (MKZ). Numeričke simulacije omogućavaju istovremenu analizu velikog broja procesnih varijabli, odnosno evaluaciju i optimizaciju različitih rešenja u kratkom vremenu. Pored toga, MKE model i numeričke simulacije

1

XXIV Skup TRENDOVI RAZVOJA: “DIGITALIZACIJA VISOKOG OBRAZOVANJA ”, Kopaonik, 21. - 23. 02. 2018.

173

pružaju virtuelnu percepciju realnog procesa i obezbeđuju veliki broj informacija kojima se smanjuju nepoznanice u procesu i omogućavaju inženjerima da predvide i eliminišu većinu potencijalnih grešaka još u ranom stadijumu razvoja procesa i konstrukcije kalupa, čime se u velikoj meri izbegava “trial and error” procedura [2].

Softverski paketi namenjeni za simulaciju procesa injekcionog presovanja mogu biti moduli u okviru CAD softverskih paketa ili usko specijalizovani softveri. Pouzdanost ovih softvera je visoka i neprekidno se povećava kroz poboljšanje postojećih ili razvoj novih matematičkih modela, što iskustva iz industrijske prakse to nedvosmisleno potvrđuju.

U ovom radu kroz odgovarajuće primere prikazane su neke od mogućnosti numeričkih simulacija za analizu i optimizaciju procesa injekcionog presovanja. Simulacije su izvedene u softverskom paketu Moldex3D, koji predstavlja vodeći CAE proizvod u ovoj oblasti (prva simulacija tečenja materijala u procesu injekcionog presovanja na Windows platformi urađena je u ovom softveru).

2. ANALIZA I INTEPRETACIJA REZULTATA NUMERIČKIH SIMULACIJA

Softverski paket Moldex 3D omogućava potpunu vizuelizaciju i analizu svih faza procesa injekcionog presovanja, uključujući i detekciju potencijalnih odstupanja fizičko-mehaničkih i geometrijskih karakteristika delova od projektovanih. Karakteristične analize i rezultati dobijeni pomoću Moldex3D softvera obuhvataju [3]:

• proveru pravilnog popunjavanja kalupnih šupljina, • predikciju mesta na kojima je moguća pojava zarobljenog vazduha (air traps), linija spajanja- zavarivanja

(weld lines) dva fronta rastopljene plastike i ulegnuća (sink marks) usled naknadnog skupljanja dela, • procenu vremena ciklusa • prikaz temperaturnog polja rastopa i pritiska u kalupnoj šupljini po fazama, • prikaz rasporeda i veličinu zaostalih naponi u delovima nakon ubrizgavanja, • prikaz deformacija i skupljanja otpreska nakon hlađenja, • izbor optimalne lokacije, broja , tipa i dimenzija ulivka, • sagledavanje uticaja naknadnog pritiska na parametre procesa i geometriju dela itd. Numeričke analize kod većine softvera za simulaciju procesa injekcionog presovanja, uključujući i Moldex3D,

vezane su za faze procesa. U tom smislu, polazna analiza odnosi se na proces ubrizgavanja rastopljenog materijala u kalup (Filling analysis), pri čemu se kao izlazni rezultati dobijaju: vreme popunjavanja kalupne šupljine (sl.1), raspored pritiska u kalupu i ušću, prikaz (ne)popunjenosti kalupne šupljine (short shot), prikaz orijentacije vlakana (sl.2), potrebna silu zatvaranja kalupa itd. Na osnovu napredovanja fronta rastopljenog materijala mogu se proveriti balansiranost toka, proveriti valjanost lokacije ušća i doprinos svakog pojedinačnog ušća popunjavanju kalupa (sl.3), predvideti oblasti u kalupu koje se zadnje popunjavaju ili eventualni zastoji u toku (dovode do smanjenje debljine zidova otrpreska), precizno identifikovati pozicija linija zavara kao i mesta podložna pojavi zarobljenog vazduha (sl.4). Zarobljen vazduh i linije hladnog spoja (linije zavara) nastaju usled susreta struja rastopljenih polimera koji teku u suprotnim smerovima. Linije zavarivanja smanjuju jačinu proizvoda i dovode do estetskih defekata. Kako bi se povećala jačina zavarenih slojeva i umanjio izgled šava može se povećati temperature kalupa, rastopa ili izvršiti promena položaja ušća. Kroz nekoliko iteracija može se doći do optimalnog rešenja gotovog dela. Eliminisanje gasnih uključaka se može izvršiti tako što se prilikom izrade alata postavlja veći broj segmenata za odvođenje gasova [3].

Slika 1. Vreme popunjavanja kalupne šupljine [3] Slika 2. Prikaz orijentacije vlakana [3]

2

XXIV Skup TRENDOVI RAZVOJA: “DIGITALIZACIJA VISOKOG OBRAZOVANJA ”, Kopaonik, 21. - 23. 02. 2018.

174

Slika 3. Analiza doprinos pojedinačnih ušća popunjavanju kalupne šupljine [3]

Slika 4. Dispozicija linija zavara i zarobljenog vazduha [3]

Naknadni pritisak je veoma bitan parametar koji utiče na tačnost i kvalitet krajnjeg proizvoda. Završetkom punjenja kalupne šupljine, prelazi se na naknadni pritisak (tzv. faza pakovanja) koji treba dopunskim punjenjem kalupne šupljine da izravna neravnine na otpresku koje nastaju zbog skupljanja materijala usled hlađenja. Pomoću numeričkih simulacija (Packing analysis) može se pouzdano odredi vrednost i vreme delovanja naknadnog pritiska (sl.5). Na kvalitet otpreska bitno utiče i stanje površina, odnosno eventualno prisustvo površinskih defekata. U ovoj fazi, usled zapreminskog skupljanja rastopa može doći do pojave usahlina ili praznina (sink marks) na otpresku. Moldex3D omogućava pouzdanu identifikaciju grešaka ovoga tipa, a dobijeni rezultati govore ne samo o lokaciji grešaka već i o veličini ulegnuća. Ako je indikator pozitivan, to znači da pakovanje (količina ubrizganog materijala) nije dovoljno i da može doći do pojave usahlina. Sa druge strane, negativni indikator ukazuje da je ubrizgano više materijala nego što je potrebno, odnosno da treba smanjiti vreme dejstva naknadnog pritiska.

Slika 5. Distribucija naknadnog pritiska [3] Slika 6. Usahline na površini otpreska [3]

Analiza hlađenja (Cooling analysis pored prikaza temperaturnog polja unutar i na površini obraka i proračuna

potrebnog vreme hlađenja, kao izlazni podatak daje i procenu efikasnosti rasporeda kanala za hlađenje i time direktan uvid u troškove eksploatacije kalupa. Nedostatci u sistemu hlađenja, kao što je pojava neuravnoteženog hlađenja, vruće tačke (hot spots) itd., ukazuju da je potrebno izvršiti redizajn (optimizaciju) sistema hlađenja što za posledicu obično ima i smanjenje vremena ciklusa. Takođe podaci o vremenu potrebnom da se u svakoj oblasti dostigne temperatura izbacivanja (sl.7) mogu poslužiti za dodatnu optimizaciju vremena ciklusa. Naime, maksimalno proračunato vreme predstavlja samo okvirno vrem ciklusa, ali u zavisnosti od položaja izbacivača to vreme može biti kraće. Ako izbacivačke igle nemaju direktan kontakt s mekim površinama na otpresku, onda se vreme ciklusa može smanjiti. U nekim situacijama analiza efikasnosti hlađenja pokazuje da neki od projektovanih kanala za hlađenje nemaju funkciju, odnosno nisu potrebni (sl.8) te da ih stoga na realnim alatima treba izostaviti.

Tokom hlađenja otpreska može doći do pojave znatnih deformacija u vidu njegovog krivljenja ili vitoperenja. Deformacije se javljaju zbog nejednakog skupljanja u pojedinim zonama otpreska kao posledica nejednakog hlađenja u kalupnoj šupljini, zaostalih napona i naknadne kristalizacije nakon njegovog vađenja iz kalupa pri preradi kristalastih plastomera. Zbog toga je analiza deformacija (warpage analysis) veoma bitna i predstavlja jedan od glavnih benefita primene numeričkih simulacija. Dobar numerički model (sl.9) pruža potpunu sliku deformisanog dela, podatke o odstupanju geometrije od željene (ukupno i po pravcima), vrednost skupljanja, kritična područja.. Dobijeni podaci mogu se izvesti i iskoristiti za redizajn dela radi kompenzacije skupljanja i deformacija.

3

XXIV Skup TRENDOVI RAZVOJA: “DIGITALIZACIJA VISOKOG OBRAZOVANJA ”, Kopaonik, 21. - 23. 02. 2018.

175

Slika 7. Distribucija vremena potrebnog za postizanje temperature izbacivanja [3]

Slika 8. Analiza efikasnosti kanala za hlađenje [3] Slika 9. Deformacije otpreska [3]

3. ZAKLJUČAK

U radu su demonstrirane neke od mogućnosti CAE softverskog paketa Moldex3D namenjenog za simulacije procesa injekcionog presovanja. Moldex3D, kao i njemu slični softveri, predstavljaju moćan i danas nezaobilazni alat za projektovanje procesa injekcionog presovanja. Putem numeričkih simulacija može se brzo izvršiti provera usvojenih parametara procesa i izvršiti verifikacija konstruktivnog rešenja alata/kalupa, odnosno uočiti eventualne greške i defekti na otpresku, nedostaci u konstrukciji dela i kalupa, validnost usvojenog materijala i parametara procesa. Na bazi dobijenih rezultata onda se može pristupiti njihovoj optimizaciji, koja se najčešće izvodi kroz automatizovani iterativni postupak. Drugim rečima uključivanjem numeričkih simulacija u proces projektovanja može se bitno podići kvalitet delova/otpresaka, redukovati troškovi vezani za modifikacije kalupa i ubrzati priprema novih proizvoda naročito dizajn novih alata, ubrzati montaža alata (setup time), tj. generalno smanjiti vreme ciklusa i ukupni troškovi.

4. LITERATURA

[1] Nikolić S., Modeliranje procesa injekcionog brizganja plastičnih masa u zatvorenim alatima, Magistarski rad, Mašinski fakultet, Niš, 2015.

[2] Ranđelović S., Milutinović M., Nikolić S., Pepeljnjak T., Movrin D., Application of FEM for analysis of injection molding process and mold design, International Conference on Innovative Technologies, Septembar 2017. Ljubljana, Slovenija.

[3] General Benefits of Moldex3D Simulation, brošura

4