ì r FEM SIMULACE VSTŘIKOVÁNÍ PLASTOVÉHO VÍKA ......Katedra konstruování stroj ½ Fakulta...

Katedra konstruování stroj

Fakulta strojní

K 5 PLASTOVÉ

3.1 FEM SIMULACE VSTŘIKOVÁNÍ PLASTOVÉHO

VÍKA POPELNICEdoc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. a kolektiv

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem

a státním rozpo tem eské republiky

verze - 1.0

Hledáte kvalitní studium?

Nabízíme vám jej na Kated e konstruování stroj

Katedra konstruování stroj je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západo eské univerzit v

Plzni a pat í na fakult k nejv tším. Fakulta strojní je moderní otev enou vzd lávací institucí

uznávanou i v oblasti v dy a výzkumu uplat ovaného v praxi.

Katedra konstruování stroj disponuje modern vybavenými laborato emi s po íta ovou technikou,

na které jsou nap . student m pro studijní ú ely neomezen k dispozici nové verze p edních CAD

(Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systém . Laborato e katedry jsou ve všední dny

student m pln k dispozici nap . pro práci na semestrálních, bakalá ských i diplomových pracích, i

na dalších projektech v rámci univerzity apod.

Kvalita výuky na kated e je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na

kterém se pr b žn , zejména po absolvování jednotlivých semestr , podílejí všichni studenti.

V sou asné dob probíhá na kated e konstruování stroj významná komplexní inovace výuky, v rámci

které mj. vznikají i nové kvalitní u ební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro

podporu výuky. Jeden z výsledk této snahy máte nyní ve svých rukou.

V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na kated e také do spolupráce s p edními

strojírenskými podniky v plze ském regionu i mimo n j. ada student rovn ž vyjíždí na studijní stáže

a praxe do zahrani í.

Nabídka studia na kated e konstruování stroj :

Bakalá ské studium (3roky, titul Bc.)

Studijní program B2301: strojní inženýrství

(„zam ený univerzitn “)

B2341: strojírenství

(zam ený „profesn “)

Zam eníStavba výrobních stroj a za ízení

Dopravní a manipula ní technika

Design pr myslové techniky

Diagnostika a servis silni ních vozidel

Servis zdravotnické techniky

Magisterské studium (2roky, titul Ing.)

Studijní program N2301: Strojní inženýrství

Zam eníStavba výrobních stroj a za ízení

Dopravní a manipula ní technika

Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz

Západo eská univerzita v Plzni, 2013

ISBN

© doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D.

Ing. Luboš Řehounek, Ph.D.

Výpočtová zpráva FEM simulace vstřikování plastového víka popelnice

Č. reportu : 002 Datum 2.1.14 Stav konstrukce : NÁVRH

Předch. r.č. : - Zpracoval Řehounek Produkt : Víko popelnice Verze : 1 Interní r. č. : - Výkres/specifikace - Č. dílu/sestavy -

Projekt : KA 05 03 Počet dodaných vzorků : 0 Název OPVK ENGINEERING spol. s r.o.

Zákazník : OPVK Engineering Počet testovaných vzorků : 0 Adresa Univerzitní 22, 30614 Plzeň Česká republika Výrobek : Víko popelnice Počet destruovaných vzorků : 0

Důvod výpočtu : FEM simulace vstřikování Tel: +420 377 638 203

Parametry výpočtu : viz. Tab. 1 e-mail:

Stručný popis zadání : Cílem této výpočtové zprávy je ukázat hlavní kroky nastavení simulace vstřikování plastového dílu a tomu odpovídající výstupy analýzy kompletního procesu vstřikování. Hlavním úkolem simulace vstřikování je zejména posouzení vyrobitelnosti navrženého vstřikovaného dílu, doporučení vhodného umístění vtoků a predikce výsledného smrštění, deformací a zbytkových napětí dílu pro navržené technologické parametry výrobního procesu. Ve zprávě budou porovnány výsledky analýz pro různé způsoby reprezentace dutiny vstřikovací formy (pomocí 2.5D a 3D sítě) při stejném nastavení parametrů simulovaného výrobního procesu. Pozornost bude věnována v nemalé míře i materiálové databázi a možnostem simulace vstřikování materiálů s plnivy, zejména pak skelných vláken. Jako vzorový model posloužilo víko popelnice, které je vyráběno nejčastěji z polypropylenu (PP), ať již samotného či vyztuženého skelnými vlákny. Dokumentovány zde budou i různé možnosti výpočtu chlazení, které modul Solidworks Plastics nabízí.

Výchozí CAD model víka popelnice:

Použitý FEM software : Solidworks Plastics Advanced, verze 2014 Jména příjemců zprávy: Vopička, Malíř

Podpis výpočtového oddělení :

Předáno dne : Předáno kým : Podpis : Kontroloval :

2.1.2014 Řehounek

Hodnocení konstrukce: Funkční - uvolnit k dalším procesům

Vyhovující. ANO [ X ] NE [ ]

Osoba zodpovědná za konstrukci Robert Novák

Povolení úprav odsouhlasil : Ing. Karel Rozumný

Rozsah úprav :

Datum : Podpis konstruktéra : -

2.1.2014

KA 05 03.1Stránka 3



Zadání výpočtové analýzy:

a. Představit hlavní kroky zadání simulace vstřikování plastového dílu v Solidworks Plastics.

b. Zhodnotit vyrobitelnost navrženého dílu a doporučit vhodné umístění vtoku na základě

simulací na 2.5D i 3D výpočtové síti.

c. Dokumentovat vliv použitého základního materiálu PP včetně vlivu přítomnosti skelných

vláken. Ke srovnání byly zvoleny materiály HOSTACOM CR1171G od výrobce BASELL a

CELSTRAN PP GF30 od výrobce Ticona.

d. Srovnat možnosti výpočtu chlazení v závislosti na použití 2.5D nebo 3D výpočtové sítě.

e. Prezentovat výsledky predikovaného smrštění, deformací a zbytkových napětí.

Výše uvedené body zadání byly zohledněny při specifikaci jednotlivých analýz v tabulce 1.

Tab. 1: Stručná charakteristika řešených analýz

Analýza č. Popis

1 Analýza s materiálem HOSTACOM CR1171G bez přidaných skelných vláken, na

2.5D výpočtové síti, uvažována ideálně chlazená forma, umístění vtoku podle

prvotního doporučení výpočtového modulu

2 Analýza s materiálem CELSTRAN PP GF30 s hmotnostním podílem skelných vláken

ve výši 30%, na 2.5D výpočtové síti, uvažována ideálně chlazená forma, umístění

vtoku podle prvotního doporučení výpočtového modulu

3 Jako analýza č. 2, umístění vtoku upraveno podle výsledků předešlé analýzy.

4 Jako analýza č. 3, ideálně chlazená forma nahrazena soustavou chladicích kanálů

5 Analýza s materiálem HOSTACOM CR1171G bez přidaných skelných vláken, na 3D

výpočtové síti, uvažována ideálně chlazená forma, umístění vtoku podle prvotního

doporučení výpočtového modulu

6 Analýza s materiálem CELSTRAN PP GF30 s hmotnostním podílem skelných vláken

ve výši 30%, na 3D výpočtové síti, uvažována ideálně chlazená forma, umístění

vtoku podle prvotního doporučení výpočtového modulu

7 Jako analýza č. 6, umístění vtoku upraveno podle výsledků předešlé analýzy

8 Jako analýza č. 7, ideálně chlazená forma nahrazena soustavou chladicích kanálů




Ještě než přejdeme k prezentaci výsledků jednotlivých variant, je namístě uvést, že Solidworks

Plastics disponuje velmi obsáhlou materiálovou databází. Po volbě materiálu jsou v systému

automaticky přednastaveny všechny materiálové a technologické parametry na doporučené

hodnoty. Uživatel tak není odkázán na volně dostupné materiálové listy, které obsahují více či méně

omezený počet materiálových a procesních parametrů – viz obr. I a obr. II.

Obr. I: Ukázka materiálového listu – HOSTACOM CR1171G (LyondellBasell Industries)




Obr. IIa: Ukázka materiálového listu – CELSTRAN PP GF30 (Ticona), materiálové

charakteristiky




Obr. IIb: Ukázka materiálového listu – CELSTRAN PP GF30 (Ticona), procesní parametry




1. Analýza č. 1 – materiál HOSTACOM CR1171G bez vláken, 2.5D síť

Označení 2.5D síť je třeba chápat tak, že prostor vstřikovací dutiny je pro uživatele viditelně

reprezentován pouze povrchovou sítí (viz obr. 1-1). Mezi vzájemně nejbližšími uzly na

protilehlých stěnách dutiny je pak vytvořena jakási vnitřní reprezetace tloušťky, dále

rozdělena na standardně 15 vnitřních ůzlů, které sloužít na výpočet sledovaných průřezových

charakteritik vstřikovaného materiálu (např. průměrná teplota přes tloušťku či podíl zamrzlé

tloušťky materiálu). Nad tímto vnitřním členěním objemu nemá uživatel žádnou kontrolu, ani

nemá možnost ho bohužel jakkoliv vizualizovat.

Obr. 1-1: Ukázka povrchové sítě dutiny víka popelnice – CELSTRAN

Pokud nemáme k dispozici výrobní list podobného výrobku, spouštíme první analýzy

s nastavením na základě automaticky nastavených doporučených procesních hodnot, které

můžeme podle potřeby upravit (viz obr. 1-2a).




Obr. 1-2a: Procesní parametry pro fázi plnění (nahoře) a dotlaku (dole)

Konkrétně pro polypropylen je doporučováno držet hodnotu dotlaku na úrovni blížící se

maximální hodnotě vstřikovacího tlaku a jen pozvolna tuto hodnotu snižovat, abychom

kompenzovali objemové smrštění materiálu při postupném chladnutí až do okamžiku, než

zatuhnou přístupové cesty ke vzdáleným oblastem dutiny či vtokové ústí. Příklad časového

profilu dotlaku pro polypropylen je uveden na obr. 1-2b.

Systém nabízí možnost odhadu doporučené polohy vtoku nebo více vtoků na základě velmi

rychlé (řádově sekundy trvající) analýzy geometrie dutiny metodou minimalizace délek

tokových drah. Pro náš analyzovaný díl je toto doporučené umístění vtoku zobrazeno na

obr. 1-3.

Materiálové charakteristiky pro zvolený materiál HOSTACOM CR1171 G bez vláken jsou

uvedeny v obr. 1-4.




Obr. 1-2b: Časový profil dotlaku

Obr. 1-3: Doporučená poloha vtoku na základě analýzy minimalizace délek tokových drah




Obr. 1-4: Hlavní materiálové charakteristiky pro HOSTACOM CR1171 G v Solidworks Plastics




Výsledky analýzy č. 1:

Obr. 1-5: Rozložení času naplnění jednotlivých částí dutiny (čas 3s dodržen) – fáze PLNĚNÍ

Obr. 1-6: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy vykazují velký rozdíl) – fáze PLNĚNÍ




Obr. 1-7: Rozložení průměrné teploty taveniny přes tloušťku na konci plnění – fáze PLNĚNÍ

Obr. 1-8: Rozložení teploty ve střední vrstvě taveniny na konci plnění – fáze PLNĚNÍ




Obr. 1-9: Podíl zamrzlé tloušťky taveniny na konci plnění – fáze PLNĚNÍ

Obr. 1-10: Objemové smrštění taveniny na konci plnění (naším cílem je během dotlaku toto

objemové smrštění do značné míry kompenzovat dodatečnou taveninou) – fáze PLNĚNÍ




Obr. 1-11: Rozložení tlaku v tavenině na konci dotlaku – fáze DOTLAKU

Obr. 1-12: Objemové smrštění taveniny na konci dotlaku – fáze DOTLAKU




Obr. 1-13: Rozložení průměrné teploty taveniny přes tloušťku na konci dotlaku

Obr. 1-14: Rozložení teploty ve střední vrstvě taveniny na konci dotlaku




Obr. 1-15: Predikované rozložení zbytkových napětí po vyjmutí z formy

Obr. 1-16: Predikovaná deformace dílu po dochlazení na pokojovou teplotu – zvětšeno 20x




2. Analýza č. 2 – materiál CELSTRAN GF 30 se skelnými vlákny, 2.5D síť

Obr. 2-1: Hlavní materiálové charakteristiky pro CELSTRAN GF 30 v Solidworks Plastics






Obr. 2-3: Čelo taveniny při naplnění 88% objemu dutiny (fialové terčíky označují místa

s rizikem uzavření vzduchu) – fáze PLNĚNÍ




Obr. 2-4: Čelo taveniny při naplnění 93% objemu dutiny (fialové terčíky označují místa

s rizikem uzavření vzduchu) – fáze PLNĚNÍ











Obr. 2-9: Objemové smrštění taveniny na konci plnění – fáze PLNĚNÍ





Kromě obrázků rozložení hodnot různých veličin v dutině formy je možné vyhodnocovat i

globální charakteristiky, jako např. průběh potřebné uzavírací síly (viz obr. 2-11) nebo časové

průběhy vybraných veličin v uzlových bodech (viz obr. 2-12).

Obr. 2-11: Časový průběh potřebné uzavírací síly na základě rozložení tlaku v dutině formy




Obr. 2-12: Ukázka časových průběhů tlaku a teploty ve zvolených uzlových bodech




3. Analýza č. 3 – CELSTRAN GF 30, 2.5D síť, posunuté vtokové ústí

Oproti analýze č. 2 je zde provedena pouze mírná změna polohy vtoku směrem blíže

k pantům do oblasti, kde se díky přítomnosti značky recyklace vyskytuje lokální zesílení

tloušťky stěny. Takovéto umístění by bylo vhodné i z hlediska přispění k zamezení

předčasného zamrznutí vtokového ústí.

Obr. 3-1: Modifikovaná poloha umístění vtokového ústí

Pozitivní efekt této drobné změny polohy vtokového ústí bude nejlépe patrný z polohy čela

taveniny při naplnění 98% objemu dutiny (viz obr. 3-3) a z poklesu hodnoty potřebného

plnicího tlaku z původní hodnoty 17,75 MPa na hodnotu 16,85 MPa (viz obr. 3-4).






Obr. 3-3: Čelo taveniny při naplnění 98% objemu dutiny – fáze PLNĚNÍ




Obr. 3-4: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy vykazují malý rozdíl) – fáze PLNĚNÍ





4. Analýza č. 4 – jako analýza č.3, doplněná o návrh reálného chlazení

Chladicí kanály byly navrženy jako dva okruhy vrtaných kanálů o průměru D16.

Obr. 4-1: Společný nástroj pro tvorbu chladicích a vtokových kanálů kruhového průřezu

Obr. 4-2: Návrh dvou okruhů chladicích kanálu
















Obr. 4-8: Objemové smrštění taveniny na konci plnění (naším cílem je během dotlaku toto

objemové smrštění do značné míry kompenzovat dodatečnou taveninou) – fáze PLNĚNÍ




Obr. 4-9: Rozložení teploty chladicí vody v chladicích kanálech (vstupní teploty byly zadány

30 °C pro oba okruhy, průtok 2 l/min pro horní okruh a 1.5 l/min pro dolní okruh)

Obr. 4-10: Rozložení střední teploty dílu zprůměrované během cyklu vstřikování-dotlak-

chlazení ve formě




5. Analýza č. 5 – materiál HOSTACOM CR1171G bez vláken, 3D síť

Obr. 5-1: Ukázka 3D sítě v Solidworks Plastics vytvořené pro tenkostěnný díl





Obr. 5-2: Rozložení času naplnění jednotlivých částí dutiny (čas 3s nedodržen) – fáze PLNĚNÍ

Obr. 5-3: Čelo taveniny při naplnění 98% objemu (černě jsou naznačeny studené spoje)




Obr. 5-4: Rozložení plnicího tlaku – fáze PLNĚNÍ





Kromě obrázků rozložení hodnot různých veličin na povrchu dutiny je možné v případě

použití 3D výpočtové sítě vyhodnocovat i rozložení některých veličin na rovinných řezech.

Obr. 5-6: Ukázka rozložení teploty taveniny v rovinných řezech – stav na konci fáze plnění

Obr. 5-7: Ukázka rozložení tlaku v tavenině v rovinných řezech – stav na konci fáze plnění




6. Analýza č. 6 – materiál CELSTRAN GF 30 se skelnými vlákny, 3D síť

Obr. 6-1: Orientace vláken zobrazená přes rozložení doby plnění (čas 3s nedodržen)

Obr. 6-2: Orientace vektorů rychlosti na konci plnění – směry souhlasí s orientací vláken na

konci plnění (viz obr. 6-1)




Obr. 6-3: Rozložení plnicího tlaku – fáze PLNĚNÍ

Hodnota maxima plnicího tlaku v místě vtokového ústí na obr. 6-3 souhlasí se špičkou

časového záznamu vstupního tlaku v okamžiku přepnutí z plnění na dotlak. Jelikož

simulujeme proces vstřikování bez vtokové soustavy, byl by reálný plnicí tlak typicky ještě

řádově o 10-15% vyšší v důsledku tlakových ztrát ve vtokové soustavě.

Obr. 6-4: Časový záznam vstupního tlaku v místě vtokového ústí









Obr. 6-7: Ukázka rozložení teploty taveniny v rovinných řezech – stav na konci fáze dotlaku

Obr. 6-8: Ukázka objemového smrštění v tavenině v rovinných řezech – na konci fáze dotlaku




7. Analýza č. 7 – materiál CELSTRAN GF 30, 3D síť, posunuté vtokové ústí

Obr. 7-1: Orientace vláken zobrazená přes rozložení doby plnění (čas 3s nedodržen)

Obr. 7-2: Orientace vektorů rychlosti na konci plnění – směry souhlasí s orientací vláken na

konci plnění (viz obr. 7-1)




Obr. 7-3: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy stále vykazují velký rozdíl)





Obr. 7-5: Ukázka rozložení teploty taveniny v rovinných řezech – stav na konci fáze dotlaku

Obr. 7-6: Ukázka rozložení objemového smrštění v rovinných řezech – na konci fáze dotlaku




Obr. 7-7: Průběhy potřebné uzavírací síly, vstupního tlaku a objemového toku taveniny




8. Analýza č. 8 – jako analýza č.7, doplněná o návrh reálného chlazení

Chladicí kanály byly navrženy jako dva okruhy vrtaných kanálů o průměru D16 a objemově

nasíťována kromě vstřikovací dutiny a chladicích kanálů byla i jednoduchá forma.

Obr. 8-1: Povrchové sítě vstřikovací dutiny,chladicích kanálů a jednoduchá formy

Obr. 8-2: Řez objemovou sítí vstřikovací dutiny, chladicích kanálů a jednoduché formy






Obr. 8-4: Rozložení plnicího tlaku (opačné konce formy stále vykazují velký rozdíl)




Obr. 8-5: Ukázka rozložení teploty taveniny v řezech – stav na konci fáze dotlaku

Obr. 8-6: Ukázka objemového smrštění v rovinných řezech – stav na konci fáze dotlaku




Obr. 8-7: Rozložení teploty povrchů formy na konci chlazení (při otevření formy)

Obr. 4-10: Rozložení střední hodnoty tepelného toku během výrobního cyklu skrz stěny

chladicích kanálů – červené oblasti odvádí z formy teplo největší měrou


Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu

č. CZ.1.07/2.2.00/ .0 „

“.

doc. Ing. Martin Hynek Ph.D., Ing. Luboš Řehounek, Ph.D.

Date post:	07-Mar-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	1 times
Download:	0 times

ì r FEM SIMULACE VSTŘIKOVÁNÍ PLASTOVÉHO VÍKA ......Katedra konstruování stroj ½ Fakulta...

Documents