Newsletter / TS Raport 
Zamów

Projektowanie i konstrukcja 

15 maja 2016

Symulacja zamiast kosztownych prób

Symulacja odgrywa kluczową rolę podczas opracowywania skomplikowanych części wykonywanych z tworzyw sztucznych. Możliwość konfiguracji rzeczywistych parametrów, np. ciśnienia, a także takich właściwości, jak kurczliwość czy odkształcanie, sprawia, że symulacja zastępuje pracę wielu specjalistów, co pozwala zmniejszyć nakłady pracy i koszty produkcji.

Europejska branża formowania wtryskowego, pod względem technologicznym, zalicza się do światowej czołówki. Niemniej jednak musi mierzyć się z coraz to większymi wyzwaniami na rynku międzynarodowym, a konkurenci dysponują znacznie niższą strukturą kosztów. Z uwagi na szeroko dostępną wiedzę przyszłości tej branży w Europie należy doszukiwać się w rozwoju i produkcji skomplikowanych części, a tym samym – w wykorzystywaniu złożonych metod formowania wtryskowego. Jednak jak dotąd stosowano metodę prób i błędów. Zmiany w formie wtryskowej wprowadzane są po jej wykonaniu, a to z kolei rodzi potrzebę wykonywania licznych prób. Takie podejście jest kosztowne i czasochłonne.

Projekt Pro4Plast Projekt Pro4Plast został zapoczątkowany z myślą o wspólnym opracowaniu systematycznego podejścia do planowania produkcji: od pomysłu po proces przygotowany do produkcji seryjnej. Projekt Pro4Plast był projektem realizowanym w ramach 6 programu ramowego badań zbiorowych Komisji Europejskiej (FP6).

Kluczowa pomoc

W ramach sponsorowanego ze środków Unii Europejskiej projektu Pro4Plast opracowano systematyczne podejście oraz oprogramowanie dla systemu kierowania rozwojem produktu (PDGS). W ten sposób możliwe jest uporządkowanie procesu opracowywania produktu, jego systematyzacja oraz optymalizacja. Jedna z najważniejszych zmian dotyczy przesunięcia procesu decyzyjnego. Obecnie decyzje są podejmowane na późnym etapie rozwoju, a chodzi o to, aby zapadały na wcześniejszych etapach (tzw. planowanie początkowe). Niemniej jest to możliwe, jeżeli dostępne są wszystkie niezbędne informacje. Symulacja procesu formowania wtryskowego to wręcz konieczne narzędzie, które można wykorzystywać w różnych fazach produkcji.

Wypraski wtryskowe z wkładkami oraz zapraski stanowią bardzo dużą część złożonych wyrobów z tworzyw sztucznych produkowanych w Europie. Dotąd producenci i projektanci nie dysponowali solidnym oprogramowaniem do wykonywania obliczeń, które ponadto byłoby łatwe w użyciu. W branży formowania wtryskowego, którą tworzą przede wszystkim fi rmy średniej wielkości, potrzebne jest oprogramowanie, które jest łatwe w obsłudze (nawet jeśli nie jest używane na co dzień) i które jest w stanie szybko dostarczać precyzyjne odpowiedzi w zakresie zachowania komponentów i materiałów wykorzystywanych w procesie formowania wtryskowego. W związku z tym jednym z kluczowych zagadnień w ramach projektu była kompilacja oprogramowania do symulacji procesu formowania wtryskowego dla wyprasek z wkładkami oraz dla zaprasek.

Portretowanie i manipulowanie geometriami

Rozpoczęto prace (na zasadzie przykładu) w oparciu o istniejące oprogramowanie do symulacji Cadmould 3D-F. Główne wymagania określone w specyfi kacji: program potrafi dokonywać odczytu, w części z tworzywa sztucznego lub wkładce, która ma być symulowana albo w częściach, które mają zostać zaprasowane, w formacie STL (standardowy język triangulacyjny).

Ponadto, użytkownik ma możliwość portretowania wszystkich geometrii i manipulowania nimi za pomocą interfejsu grafi cznego. Wkładki lub części, które są zaprasowywane wchodzą w bezpośredni kontakt z nowym wtryskiwanym materiałem. Automatyczne określenie utworzonej w ten sposób powierzchni styku musi być możliwe. W tym celu powinno posłużyć oprogramowanie przeznaczone dla małych i średnich przedsiębiorstw.

Oprogramowanie wykorzystuje standardową wartość w celu przenoszenia ciepła między wkładką lub elementami, które mają być odlane a nowo wtryskiwanym materiałem. Użytkownik może jednak zmienić tę wartość. Podobnie ustawiane są temperatury wkładek. W przypadku odlewanych części, jak te produkowane w obrotowej formie, istnieje możliwość odczytu i ustalenia rozkładu temperatury wynikającego z pierwszego procesu formowania wtryskowego. Ponadto, wyliczenie kurczliwości i odkształcania musi uwzględniać mechaniczne i termiczne zachowanie wkładów lub odlewanych części.

Dodatkowe funkcje zostały opracowane w następujących etapach:

  • wdrożenie nowych możliwości obliczeniowych,
  • prowadzenie wstępnych testów wiarygodności,
  • wyliczenie prawdziwych części testowych,
  • wykonanie testu oceniającego.

Wyniki poszczególnych testów zostały przekazane w celu dalszego rozwoju oprogramowania symulacyjnego. Po zakończeniu projektu firmy partnerskie otrzymały prototyp zaawansowanego oprogramowania.

Testowanie oprogramowania symulacyjnego

Testy wiarygodności nowo wdrożonych możliwości obliczeniowych dały pozytywny wynik. Rysunek 1 pokazuje układ przepływu w przypadku panelu z aluminiową wkładką w kształcie pierścienia, przy czym połowa wystaje poza panel. Opóźnienie w wypełnianiu obszaru wkładki jest wyraźnie widoczne, tak jak zmiana temperatury we wkładce na różnych etapach procesu formowania wtryskowego. Kurczliwość i odkształcanie części testowej przedstawiono na Rysunku 2. Symulacja pozwala ustalić skutki kurczliwości przez wkładkę w sposób przekonujący.
    
 

Wstępne obliczenia rzeczywistych części również pokrywają się z prawdziwą sytuacją. Pokazują to wyniki obliczeń odkształceń dla części technicznej z metalową wkładką (Rys. 3). Po przeprowadzeniu testu praktycznego z udziałem rzeczywistych wyprasek jakość wyników wygenerowanych przez opracowane oprogramowanie została poddana naukowej ocenie.

Obniżenie nakładów testowych 

Prace nad narzędziem do oceny oraz testy były koordynowane przez partnerów projektu: Instytut Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych (IKV), Uniwersytet w Aachen, TNO (holenderską organizację zajmującą się badaniami w naukach stosowanych) oraz Simcon Kunststoff technische Software GmbH z Würselen w Niemczech. Organizacja TNO zajęła się formowaniem wtryskowym oraz pomiarem części testowych, a fi rma Simcom zestawiła dane z wynikami symulacji. Podczas planowania eksperymentów stosowano także zasadę planowania początkowego. Tym samym programista przeprowadził symulację planowanych eksperymentów, uwzględniając warianty geometryczne, materiałowe i procesowe.

Następnie odbyły się testy praktyczne i informacyjne. Rysunek 4 pokazuje różne warianty uzyskanych części testowych. Podczas procesu modyfi kowano objętość przepływu wtrysku, temperaturę topnienia, czas utrzymywania ciśnienia oraz poziom utrzymywania ciśnienia. Ocenie poddano:

  • Temperatura formy jako funkcja czasu
  • Profil ciśnienia w czasie, w pobliżu punktu wtrysku i daleko od niego
  • Wymiary wypraski 1–8 (Rys. 5 u góry)

Rysunek 5 przedstawia porównanie wyników kurczliwości i odkształcenia dla pomiaru i symulacji przy ośmiu różnych długościach. Na Rysunku 6 dla przykładu przedstawiono porównanie zmierzonego i symulowanego profi lu ciśnienia w dwóch punktach pomiaru w serii testowej. Wyraźnie widać, że symulowane ciśnienie oraz wyniki kurczliwości i odkształcenia pokrywają się doskonale ze zmierzonymi wartościami.

      

Pod koniec realizacji projektu Pro4Plast małe i średnie firmy partnerskie przy udziale klientów zrealizowały oryginalne projekty przemysłowe, aby ustalić wpływ wykorzystania PDGS i symulacji formowania wtryskowego na czas i koszt nowych przedsięwzięć (Rys. 7). W przypadku więcej niż połowy projektów okazało się, że można zmniejszyć liczbę przeróbek, czas wprowadzenia na rynek, a także koszt o 21%–40%.

Symulowane realia

Na podstawie zrealizowanych projektów przemysłowych udowodniono, że zastosowanie podejścia strukturalnego do opracowywania produktu przyniosło oczekiwane rezultaty.

Symulacja formowania wtryskowego stanowi jedno z najważniejszych narzędzi umożliwiających planowanie początkowe. Sama symulacja umożliwia już znaczące oszczędności. Obniża czas wprowadzenia produktu na rynek i podnosi jakość formowania. A co więcej, jest narzędziem, które łatwo się obsługuje i daje realistyczne obliczenia w krótkim czasie. Rynek komponentów z tworzyw sztucznych w Europie nieustannie się rozwija, jednak brakuje doświadczonych i odpowiednio wykształconych specjalistów. W małych i średnich przedsiębiorstwach takie systemy, jak PDGS i oprogramowanie symulujące formowanie wtryskowe mogą w pewnym stopniu rekompensować niedostateczną wiedzę. Muszą więc stać się standardowym narzędziem w całym sektorze tworzyw sztucznych.

Artykuł ukazał się w TS Raport 77/2016

AUTOR - DR PAUL F. FILZ, ur. w 1957 roku, jest dyrektorem zarządzającym w firmie Simcon kunststoff technische Software Pierwotnie tekst ukazał się w Kunststoff e International 2/2010 Carl Hanser Verlag, Munich, Germany

 

Na górę