Инженерные расчеты литья термопластов под давлением в Moldex3D R13

Игорь Барвинский
Главный специалист отдела САПР и инженерного анализа, ЗАО «СиСофт»
Александр Пирогов
Ассистент кафедры технологии приборостроения, Университет ИТМО

Широкое распространение систем инженерных расчетов для литья термопластичных материалов под давлением обусловлено сложностью этого технологического процесса, большим количеством факторов, влияющих на качество получаемых изделий, а также высокой стоимостью литьевых форм. Расчетная система Moldex3D, разрабатываемая тайваньской компанией CoreTech System, хотя и стартовала существенно позже своих конкурентов (первая версия появилась лишь в 1995 году), сумела в последние годы не только выйти на уровень лидеров, но и обойти их по целому ряду функциональных возможностей.

Одной из особенностей продуктов Moldex3D является ориентация на 3D­моделирование, интуитивно более понятное начинающим пользователям по сравнению с 2,5D­методами и предоставляющее большие возможности для совершенствования моделей технологического процесса. Разработчикам Moldex3D удалось преодолеть известные проблемы 3D­метода [1], обусловленные главным образом длительностью 3D­расчетов, с помощью метода конечных объемов и новаторских подходов для оптимизации сетки с учетом специфики поведения расплава полимерного материала при течении и охлаждении в условиях литья под давлением. Этому способствовало развитие технологии параллельных вычислений и повышение быстродействия общедоступных компьютеров.

Рассмотрим основные функциональные возможности продуктов версии Moldex3D R13 для моделирования литья под давлением термопластичных материалов и специальных технологий литья, а также наиболее важные изменения [2] по сравнению с их предыдущей версией.

Подготовка модели

К сильным сторонам продуктов Moldex3D относится технология быст­рой подготовки 3D­сетки для модели литьевого изделия и формы в программном модуле Designer, которая облегчает освоение продукта начинающим пользователям. Предусмотрены возможности импорта модели из CAD­систем (с использованием форматов STEP, STL, IGES, Parasolid, NX, CATIA, Rhinoceros, Creo и пр.), а также быстрого построения моделей холодноканальной, горячеканальной или комбинированной литниковой системы и системы охлаждения литьевой формы на основе запатентованной методики с применением твердотельных примитивов.

Библиотека впускных литниковых каналов содержит широкий набор вариантов конструкций с 3D­течением для центрального, точечного, торцевого, веерного, накладного, туннельного и других впускных литниковых каналов. Модель горячеканальной литниковой системы может включать запирающиеся сопла, в том числе для технологии литья «с последовательным впуском» («каскадного литья»), в которой запорные клапаны сопел открываются и закрываются в определенной последовательности. 3D­модель литниковой системы отражает практически все особенности реальной конструкции, например ловушку холодной капли в центральном литниковом канале. В новой версии Moldex3D R13 модель отливки может содержать прибыль для всех моделируемых технологических процессов (прибыль относится к стандартным элементам конструкции при литье деталей оптического назначения).

Технология быстрого построения модели литьевой формы предусмат­ривает автоматическое создание модели охлаждающих каналов с соединительными шлангами, нагревательных элементов, вставок детали (извлекаются из формы при выталкивании отливки), вставок формы, металлических деталей горячего канала. Модели элементов системы нагрева и охлаждения, а также других деталей формы могут быть импортированы из CAD­систем.

К нововведениям версии Moldex3D R13 относится автоматическое построение в модуле Cooling Channel Designer так называемых конформных каналов охлаждения, расположенных эквидистантно от поверхности изделия, которая имеет сложную геометрию.

В режиме eDesign модуля Designer пользователь может выбрать один из пяти вариантов построения 3D­сетки, что позволяет оптимизировать модель в отношении точности и длительности расчетов для решения конкретной задачи.

Дальнейшее развитие в версии Moldex3D R13 получили методы улучшения и модификации построенной 3D­сетки, снижающие трудоемкость «доводки» модели. К полезным нововведениям относятся функции восстановления недостающих частей, устранения закруглений, «сшивания» сеток на контактирующих поверхностях, а также новый метод автоматического улучшения сетки в проблемной области (рис. 1). К уже имеющимся возможностям изменения пользователем толщины участков модели на готовой сетке добавлено изменение толщины бобышек (рис. 2).

Рис. 1. Автоматическое улучшение сетки в проблемной области

Рис. 2. Изменение толщины участка модели

В новой версии расширен функционал модуля Designer для подготовки комбинированных BLM­сеток, содержащих слои тонких призматических элементов в пристенной области литьевого канала, что позволяет точнее определять толщину застывшего поверхностного слоя и диссипативного тепловыделения при течении полимерного расплава, используя существенно меньшее количество элементов сетки. Одним из преимуществ метода конечных объемов являются расширенные возможности комбинирования различных типов элементов при моделировании процессов течения расплава [3].

Модуль Mesh позволяет управлять созданием 3D­сеток из тет­раэдральных, гексаэдральных, пирамидальных, призматических и других элементов. Построение сетки в этом случае осуществляется с помощью Rhinoceros (соответствующая лицензия поставляется в составе лицензии на Moldex3D).

Стадии заполнения, уплотнения и охлаждения в форме

Моделирование заполнения фор­мы расплавом в модуле Flow может выполняться при постоянной объемной скорости впрыска или с использованием профиля скорости впрыска для различных условий переключения на режим управления давлением. Моделирование 3D­течения расплава в литниковой системе позволяет учесть неравномерное распределение температуры в литниковых каналах, связанное с явлением нестационарности течения (зависимости температуры расплава от времени) и оказывающее очень большое влияние на качество изделий, получаемых в многогнездных холодноканальных и горячеканальных формах. В модели течения расплава учитывается его сжимаемость, диссипативное тепловыделение, влияние гравитации (последнее важно для изделий повышенной толщины) и других факторов. Имеется возможность моделирования кристаллизации полимера при охлаждении, включая ориентационную кристаллизацию.

Моделирование стадии заполнения формы может проводиться с учетом вытеснения воздуха потоком расплава. При этом рассчитывается остаточное давление воздуха при его запирании в оформляющей полости и температура полимерного материала, что позволяет оценить опасность эффекта дизеля (подгорания материала при быстром повышении давления воздуха в полости) и других проблем, вызванных ошибками в конструкции системы вентиляции формы.

Рис. 3. Задание технологических условий моделирования процесса литья с использованием интерфейса системы управления литьевой машины NISSEI NC9300T

Одной из интересных возможностей продуктов Moldex3D является способ задания технологических условий, при котором воспроизводится интерфейс системы управления литьевой машины (рис. 3). В новой версии увеличено количество поддерживаемых систем управления.

В результате расчета стадии заполнения пользователь получает подробную информацию о характеристиках полимерного материала в литниковой системе и оформляющей полости, в том числе о распределении температуры и давления, напряжениях и скорости сдвига, линейной скорости течения, толщине застывшего пристенного слоя, времени охлаждения, вязкости, плотности, расположении линий спая на поверхности изделия, температуре расплава при образовании спаев, а также о зависимости от времени давления, распорного усилия и пр. Среди новых результатов версии Moldex3D R13 — поверхности контакта потоков при образовании спаев (рис. 4), позволяющие точнее определить места спаев и выявить случаи негативного влияния сетки на их прогнозирование.

Рис. 4. Поверхности контакта потоков при образовании спаев и прогнозируемые линии спая

Моделирование стадии заполнения предоставляет возможность предотвратить недолив, облой, возникновение подгаров и ряд других дефектов литьевых изделий, обусловленных проблемами этой стадии процесса литья под давлением.

Расчет стадий уплотнения и охлаждения отливки в форме выполняется в модуле Pack для заданных профиля давления выдержки и времени выдержки на охлаждение. Основным результатом расчета стадии уплотнения является распределение объемной усадки полимерного материала, что позволяет выявить и устранить проблемы, связанные с недоуплотнением (утяжины, внутренние усадочные полости и др.), переуплотнением (залипание отливки в форме и пр.) и неравномерным уплотнением (коробление, дефекты текстуры, неравномерный блеск и др.).

Нагрев и охлаждение литьевой формы

Расчет тепловых процессов в литьевой форме при ее нагреве и охлаждении может выполняться для стационарного и нестационарного вариантов. При стационарном расчете в модуле Cool моделируется процесс теплопереноса между отливкой и формой с учетом конструкции системы охлаждения, материалов формы, свойств хладагента, метода управления температурой формы и других факторов, влияющих на процесс отвода тепла от отливки, но расчет выполняется для средней температуры в литьевом цикле. Такой расчет позволяет учесть влияние неравномерности охлаждения на поведение полимерного материала в литьевой форме, оптимизировать конструкцию охлаждающих каналов и технологический режим охлаждения (расход и температуру хладагента и пр.) для обеспечения эффективного и равномерного охлаждения отливки и сокращения цикла литья. На основе расчета могут быть определены требования к термостату формы. В новой версии расширены возможности задания режима управления температурой нагревателей, а также добавлен расчет предварительного нагрева литьевой формы при «плавном пуске» процесса.

Нестационарный расчет охлаждения литьевой формы в модуле Transient Cool позволяет учесть изменения температуры формы в литьевом цикле. Этот модуль также предусматривает расчет при нагреве и охлаждении формы в каждом цикле литья (литье под давлением с вариотермическим термостатированием) для различных способов нагрева.

На практике нередко применяются системы охлаждения литьевых форм, включающие охлаждающие каналы сложной геометрии, например различные турбулизаторы, широкие каналы, а также каналы произвольной формы, подходящие для «конформного» охлаждения (при котором геометрия охлаждающих каналов повторяет геометрию оформляющей полости). Расчет систем охлаждения такого рода можно выполнить с помощью модуля 3D Coolant CFD, в котором моделируется 3D­течение хладагента (рис. 5), что позволяет выявить застойные зоны, а также области неэффективного охлаждения и обеспечить равномерность охлаждения литьевого изделия. В версии Moldex3D R13 может быть задано несколько мест входа и выхода хладагента.

Рис. 5. Температура поверхности охлаждающих каналов при сложном 3D-течении в системе охлаждения пуансона

Влияние тепловых процессов в металлических деталях горячеканальной литниковой системы на равномерность температуры расплава может быть рассмотрено при расчете с использованием модуля Advanced Hot Runner. Этот модуль позволяет оптимизировать конструкцию и мощность нагревателей сопел и распределителя и оценить эффективность регулирования температуры на входе в оформляющую полость. В новой версии добавлена возможность быстрого получения распределения температуры в отдельных металлических компонентах горячеканальной литниковой системы.

Усадка, коробление и остаточные напряжения

В модуле Warp выполняется 3D­расчет напряженно­дефор­ми­ро­ван­ного состояния отливки в закрытой форме и после ее извлечения из формы. Характеристиками этого напряженно­деформированного состояния являются технологическая усадка (умень­шение линейных размеров), коробление (отклонение формы изделия) и остаточные напряжения в изделии после выталкивания из формы, которые подразделяются на термические напряжения и напряжения, определяемые течением расплава при заполнении формы. При расчете учитываются деформации отливки в форме, включая коробление в форме в пределах зазора, возникающего из­за усадки в направлении толщины, и процесс релаксации напряжений в полимерном материале.

Определение причин коробления производится на основе результатов расчета компонентов коробления, вызванного различными факторами, такими как неравномерность объемной усадки, охлаждение отливки или ориентация волокнистого наполнителя. В версии Moldex3D R13 можно определить параметры корректировки размеров литьевой полости в направлении координатных осей для устранения размерного брака, вызванного неравномерностью усадочных процессов.

Большое влияние на усадочное поведение литьевых изделий и стабильность размеров при хранении и эксплуатации оказывают вязкоупругие свойства термопласта, что может быть учтено в модуле Viscoelasticity на основе различных линейных и нелинейных моделей вязкоупругости.

Учет деформаций деталей литьевой формы

Неравномерность распределения давления расплава в оформляющей полости на стадии заполнения является причиной деформаций деталей формы и может оказывать негативное влияние на качество получаемых изделий при литье под давлением.

Модуль Multi­Component Molding позволяет не только выполнить моделирование деформаций знаков и пуансонов под действием градиента давления расплава, но и учесть влияние этих деформаций на течение расплава.

Рис. 6. Результат автоматического выбора мест впуска

Более широкие возможности для моделирования деформаций литьевой формы предоставляет модуль Stress. В версии Moldex3D R13 этот модуль включает расчет деформаций и напряженного состояния формообразующих деталей под действием давления расплава на стадии заполнения, а также тепловой нагрузки при охлаждении отливки.

Автоматическая оптимизация

В модуле Designer версии Moldex3D R13 добавлен метод оценки оптимального расположения впусков на основе учета отношения длины затекания расплава к толщине (рис. 6), при этом некоторые места впуска могут быть предварительно заданы пользователем.

Модуль Expert содержит различные методы решения оптимизационных задач, которые могут применяться для выбора положения впусков, оптимизации конструкции изделия и литниковой системы формы, профилей скорости впрыска и давления выдержки. Этот модуль включает также комплекс методов оптимизации при использовании планирования эксперимента с возможностью широкого выбора контролируемых факторов, выходных характеристик и планов эксперимента.

Разрушение и ориентация наполнителя

С помощью модуля Fiber можно учесть влияние разрушения и ориентации волокнистого наполнителя под действием условий переработки полимерного материала на качество литьевых изделий.

Конечная длина волокна (например, стеклянного или углеродного) в литьевом изделии относится к числу важнейших факторов, определяющих его механические свойства и поведение при усадке или механичес­ком нагружении. Модуль Fiber позволяет спрогнозировать разрушение волокнистого наполнителя в литьевой форме на стадии заполнения под действием течения расплава. Одним из наиболее интересных нововведений в Moldex3D R13 является моделирование разрушения длинного и короткого волокна в материальном цилиндре литьевой машины на стадии пластикации для заданных геометрических параметров шнека и скорости вращения при пластикации (рис. 7). Возможность такого расчета важна для корректного прогнозирования усадки, коробления и остаточных напряжений (рис. 8), поскольку наиболее интенсивное разрушение частиц волокна происходит именно на стадии пластикации.

Рис. 7. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования разрушения волокна в зонах шнека под действием факторов стадии пластикации при переработке полипропилена, содержащего 40% длинного стекловолокна

Модуль Fiber включает расчет ориентации длинного и короткого волокнистого наполнителя, а также частиц наполнителя в виде пластинок (слюды, чешуек алюминия и пр.) в оформляющей полости на стадиях заполнения и уплотнения. Пользователь может оценить неравномерность концентрации наполнителя в отливке из­за явления миграции его частиц при течении расплава. Модуль Fiber также позволяет спрогнозировать на основе различных микромеханических моделей анизотропные свойства композита, например продольный и поперечный модули упругости и пр.

Рис. 8. Результаты расчета среднечисловой длины стекловолокна без учета (а) и с учетом (б) его разрушения при пластикации
(в обоих случаях учитывается разрушение волокна в литниковой системе и оформляющей полости)

Оптические характеристики

В модуле Optics можно спрогнозировать оптические характеристики литьевых изделий, такие как показатель преломления, двойное лучепреломление, и составить интерференционную картину для заданной длины волны источника света. Полученные результаты могут быть экспортированы в программный продукт CODEV и использованы в дальнейшем для расчета оптических систем.

Термообработка и поведение литьевого изделия при эксплуатации

Технологический процесс термообработки, применяемый с целью снижения остаточных напряжений и повышения стабильности размеров литьевых изделий, позволяет смоделировать модуль Stress. В версии Moldex3D R13 такие расчеты могут выполняться для одного или нескольких циклов термообработки.

3D­расчет поведения литьевого изделия при эксплуатации с учетом остаточных напряжений может производиться с помощью этого же модуля для различных условий нагружения.

Специальные технологии литья

В версии Moldex3D R13 расширены возможности моделирования специальных технологий литья.

Модуль Multi­Component Molding применяется для моделирования литья под давлением с металлическими, полимерными и другими закладными элементами. В этом модуле также можно выполнить расчет двухкомпонентного и двухцветного литья под давлением при последовательном впрыске компонентов в одном литьевом цикле. Одновременная подача компонентов через различные места впуска моделируется с помощью модуля Bi­Injection. Модуль Co­Injection предназначен для моделирования сэндвич­литья.

Расчеты литья с газом в модуле Gas­Assisted Injection включают моделирование растекания полимерного расплава на стадии заполнения, движения газа в расплаве, вытеснения газом расплава в незаполненные части оформляющей полости или в прибыль (соответственно в технологии с неполным впрыском или с прибылью), а также уплотнения газом полимерного материала. При расчете литья с водой в модуле Water­Assisted Injection моделируется течение расплава полимерного материала на стадии заполнения, движение воды в полимерном расплаве, уплотнение полимерного расплава давлением воды.

Расчет инжекционно­ком­прес­сионного формования (литья с подпрессовкой) с возможностью подпрессовки на стадиях заполнения, уплотнения и охлаждения в форме может быть выполнен с помощью модуля Injection Compression.

Расчет литья с микровспениванием выполняется в модуле MuCell для технологического процесса, разработанного компанией Trexel. Моделирование включает расчеты стадий заполнения, уплотнения и охлаждения в форме для разных вариантов технологии, в том числе при увеличении объема полости после ее заполнения расплавом (core­back) с помощью подвижного знака или пуансона.

Расчет литья под давлением высоконаполненных композиций на основе металлических и керамических порошков с органическим или полимерным связующим (технологии Metal Injection Molding и Ceramic Injection Molding) выполняется в модуле Powder Injection Molding. Моделирование технологического процесса производится с учетом скольжения расплава относительно стенки и миграции частиц наполнителя при течении расплава (последнее позволяет спрогнозировать неравномерность распределения наполнителя в отливке под действием факторов переработки).

Базы данных

База данных Moldex3D R13 содержит более 7 тыс. марок полимерных материалов. Эти продукты включают также базы данных по характеристикам литьевых машин, хладагентам и материалам литьевых форм. Пользователь может создавать и редактировать свои базы данных.

Интеграция и обмен данными с системами CAD и системами инженерных расчетов

Модуль eDesignSYNC включает полностью интегрированные пре­/постпроцессоры для CAD­систем NX, SolidWorks и Creo. С помощью этого модуля можно подготовить и запустить расчеты, а также просмотреть результаты непосредственно в системе CAD.

Экспорт результатов расчета в системы ABAQUS, ANSYS, LS­DYNA, MSC Marc, MSC Nastran, NX Nastran, NE Nastran и Radioss обеспечивается модулем FEA Interface. В версии Moldex3D R13 расширен перечень экспортируемых результатов, а также появились новые возможности «наложения» результатов на сетку, учитывающие ее особенности в конкретной системе инженерных расчетов.

Модуль Micromechanics Interface позволяет экспортировать результаты расчета для композитов (в модуле Fiber), а также характеристик пористой структуры (в модуле MuCell) в продукты Digimat компании e­Xstream Engineering и Converse компании PART Engineering.

Параллельные вычисления и управление расчетами

Технология параллельных вычислений, реализованная в продуктах Moldex3D R13, позволяет значительно сократить время, необходимое для расчета. В новой версии повышена скорость вычислений и улучшена система управления расчетами, а также добавлена возможность вывода информации о ходе расчетов в браузер персонального компьютера или устройства мобильной связи (рис. 9). 

Рис. 9. Вывод информации о ходе расчета на экран мобильного телефона

Литература

1. Барвинский И., Барвинская И. Компьютерный анализ литья: Подходы и модели // Пластикс. 2009. № 3. С. 50­54; № 4. С. 63­66.
2. Moldex3D R13.0 release note. CoreTech System Co., Ltd., 2014. — 64 p.
3. Kennedy P.K., Zheng R. Flow analysis of injection molds. 2 nd edition. Hanser, 2013. 350 p.

Авторы выражают благодарность компании CoreTech System за предоставленную информацию и иллюстрации.

САПР и графика 12`2014