CC BY
198
В. В. Курносов, Ю. В. Перухин, О. В. Стоянов КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС
ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Ключевые слова: Компьютерный анализ, процесс изготовления изделий литьем под давлением.
Проведен компьютерный анализ процесса изготовления изделия «образец для испытаний» методом литья под давлением с пользованием системы AutodeskMoldflow Insight 2012. Изучено влияние основных технологических параметров процесса (времени впрыска, температуры расплава и формы, давления подпитки), а также размера литниковой системы на свойства формуемого изделия при использовании для изготовления разных полимеров: двух марок полиэтилена, а также полистирола и ударопрочного полистирола. На основании полученных данных даны рекомендации по получению изделий наилучшего качества.
Keywords: Computer analysis of the process of manufacturing products by injection molding.
A computer analysis of the manufacturing of a product "test sample" method of injection molding with the use of Autodesk Moldflow Insight 2012. The influence of the main process parameters (injection time, melt temperature and shape, charge pressure) as well as the size of the runner system on the properties of the formed product when used for the manufacture of various polymers, two grades of polyethylene and polystyrene and plastic. Based on the findings
recommendations for getting the best quality products.
В процессе формования изделий литьем под давлением полимер претерпевает существенные химические и физико-механические превращения, которые определяются как технологическими условиями изготовления (временем заполнения, температурами полимера и пресс-формы и т.д.), так и свойствами полимера, а также конструктивными особенностями изделия и технологической оснастки его изготовления. Для того чтобы увидеть особенности этого процесса уже на стадии его проектирования могут быть использованы пакеты компьютерного инжиниринга, использующие методы конечных элементов, конечных разностей для моделирования процессов течения, теплообмена, расчета нагрузочных состояний. В данном случае была использована программа Autodesk MoldFlow Insight 2012 [1].
В работе представлен анализ изготовления изделия “образец для испытаний” в соответствии с ISO 294 для проведения физико-механических исследований различных полимеров. Для изготовления этого изделия уже существует пресс-форма, получены пробные образцы литьем под давлением. На образцах отмечается ряд дефектов, но наиболее существенный: утяжины проходящие по центру рабочего участка лопаток (рис.1). В связи с этим в работе была поставлена задача: рассмотреть влияние природы полимеров на свойства получаемых изделий, обратив наиболее серьезное внимание на усадку и степень проявления утяжин в указанных областях и предложить возможные способы улучшения этих показателей.
Учитывая специфику изделия для проведения анализов были выбраны полимеры из списка наиболее часто исследуемых: в базе данных Moldflow Insight были взяты два кристаллических полимера с высокой и низкой текучестью: полиэтилен низкого давления Hostalen GA 7260 (показатель текучести расплава 18г/10 мин., температура 190°C, масса груза 2.16 кг) и полиэтилен низкого давления Hostalen GС 7260 (показатель текучести расплава 8г/10 мин.,
температура 190C°, масса груза 2.16 кг) и два аморфных полимера с высокой и низкой вязкостью - ударопрочный полистирол Polystyrol 432B (показатель текучести расплава 23.4 г/10 мин., температура 190C°, масса груза 2.16 кг) и полистирол Lacqrene 1541 (показатель текучести расплава 12 г/10мин., температура 190C°, масса груза 2.16 кг). Целью исследований являлось достижение максимально возможной точности размеров формуемых образцов из выбранных полимеров при их изготовлении в одной и той же оформляющей полости.
Рис. 1 - Изделие “образец для испытаний”
Твердотельная модель изделия была передана в Autodesk MoldFlow Insight, где по ней была построена поверхностная сетка конечных элементов для выполнения анализа с использованием метода Dual-Domain [2]. Используя средства построений MoldFlow Insight, строится сетка конечных элементов для литниковой системы и системы охлаждения (рис. 2).
Для оценки влияния на качество изделия таких факторов, как время заполнения, выдержка под давлением, температура формы и расплава, давление подпитки, а также конфигурация литниковой системы выполнялся анализ FLOW. В данном виде анализа моделируются все стадии литья, при этом предполагается что охлаждение происходит по всей поверхности - равномерно. При
рассмотрении результатов анализа основное внимание уделялось объемной усадке при извлечении изделия, а также разнице в усадке в соседних областях, обуславливающую степень проявления утяжин вдоль продольной оси лопаток. Для этого выполнялось сравнений величин объемной усадки при извлечении изделия в областях, представленных на рис. 3. При оценке влияния того или иного фактора, остальные факторы фиксировались.
Рис. 2 - Сетка конечных элементов для изделия, литниковой системы и системы охлаждения
Рис. 3 - Области изделия, для которых
осуществлялось сравнение величин объемной усадки при извлечении изделия
С целью определения влияния времени заполнения на процесс формования изделия были выполнены анализы FLOW для времен заполнения в диапазоне 0.5 - 2.5 секунд. На основе изучения проведенных анализов были проведено сравнение изменения объемной усадки при извлечении изделия, разницы в объемной усадке, а также давления литья и температуры фронта потока расплава в начале и конце заполнения.
Как показало сравнение, с увеличением времени впрыска расплава в оформляющую полость, объемная усадка уменьшается для всех полимеров для всех исследованных времен заполнения. Объемная усадка, а также разброс усадки в изделии для аморфных полимеров меньше чем у кристаллических. Различие в объемной усадке рассматриваемых марках полистирола
незначительно, несмотря на что показатель текучести расплава Polystyrol 432B в два раза выше
чем у Lacqrene 1541. В то время, когда усадка при увеличении времени впрыска уменьшается, разность между максимальным и минимальным значениями усадки в соседних областях, определяющая степень проявления утяжин практически не изменяется. Это происходит вследствие того, что усадка уменьшается в равной степени в областях с минимальными и максимальными значениями усадки.
В данном диапазоне изменения времени заполнения, для всех полимеров наблюдается снижение давления литья (например: для Hostalen 7260GA с 69.17 МПа при 0.5 секунды до 51.32 МПа при 2.5 секунды). С увеличением времени впрыска наблюдается увеличение разности температур фронта потока расплава в начале и конце заполнения. Это связано с тем, что при больших значениях времен заполнения формы начинает играть роль теплообмен между расплавом и стенками формующей полости. Следует отметить, что для кристаллических полимеров этот прирост более существенен (с 3,5°С до 44,1°С при времени впрыска расплава от 0,5°С до 2,5 секунд), чем для аморфных полимеров (с 0,6°С до 4,1°С при времени впрыска расплава от 0,5 до 2 секунд).
Таким образом, можно сделать вывод, что с увеличением времени заполнения в исследуемом диапазоне во всех рассмотренных полимерах объемная усадка уменьшается; разность усадки, обуславливающая степень проявления утяжин, не изменяется и даже может увеличиваться.
С целью определения влияния температуры расплава на качество изделия был проведен анализ Flow для рассматриваемых марок полимеров. Температура расплава изменялась от 200°C до 260°C, при этом фиксировались время заполнения, температура формы, давление подпитки.
Как следует из данных анализов при повышении температуры расплава значение объемной усадки возрастает для всех полимеров. Для аморфных полимеров с повышением температуры расплава происходит рост степени проявления утяжин. У кристаллических полимеров зависимость не имеет однозначного характера.
Разница температур фронта потока расплава в начале и в конце заполнения для кристаллических полимеров возрастает вместе с повышением температуры расплава (с 5,7°С до 9,8°С для
полимера Hostalen GA 7260 и с 5,2°С до 8,70С для полимера Hostalen GC 7260). Для аморфных полимеров разница температур фронта потока расплава в начале и в конце заполнения практически не изменяется при изменении температуры расплава.
Таким образом, повышение температуры расплава неэффективно так как влечет за собой рост усадки и возможное увеличение степени проявления утяжин. Рекомендуемые значения температур расплава близки к минимально допустимым для данного полимера.
С целью определения влияния температуры формы на качество изделия были проведены анализы Flow для всех рассматриваемых полимеров
с температурой формы в интервале от 25°С до 60°С, с фиксированными значениями времени заполнения, температуры расплава и давления подпитки.
Как видно из данных результатов анализов с повышением температуры формы наблюдается рост объемной усадки во всех областях изделия. Также имеет место некоторое увеличение разброса усадки в соседних областях, характеризующих степень проявления утяжин. С повышением температуры формы также увеличивается время охлаждения изделия. Поэтому рекомендуется использовать минимально возможную температуру формы для достижения наилучшего качества изделия.
Выдержка под давлением служит для компенсации объемной усадки при охлаждении изделия в форме. Время выдержки под давлением зависит от конструктивных особенностей формы, системы охлаждения, параметров переработки материала и определяется временем полного застывания расплава в каком-либо участке литниковой системы или в формующей полости. Однако эффективность процесса подпитки во многом определяется давлением выдержки. Для оценки влияния данного параметра на качество изделия был проведен анализ Flow при различных давлениях подпитки и фиксацией остальных
условий: времени заполнения, температур расплава и формы.
Как следует из результатов анализов, с повышением давления выдержки наблюдается снижение объемной усадки для всех марок
исследуемых полимеров. Однако степень проявления утяжин при этом увеличивается. Это является следствием того, что утяжины по краям лопаток (области с минимальными значениями усадки) уменьшаются значительно быстрее, чем в областях в центре лопаток (области с
максимальными значениями усадки) (рис.4). Таким образом, увеличение давления выдержки
сопровождается снижением значений усадки, но в то же самое время степень проявления утяжин несколько возрастает.
Рис. 4 - Объемная усадка при извлечении изделия в системе Moldlow
Качество заполнения и подпитки может быть улучшено путем увеличения размеров литниковой системы. Была построена литниковая система с увеличенными размерами центрального, разводящих каналов и увеличенной высотой
впускного канала и проведен анализ FLOW. Проанализировав данные, полученные в результате этих анализов, можно сделать вывод, что с увеличением размеров элементов литниковой системы наблюдается заметное снижение давление литья (например для Hostalen GA 7260 с 61.27 МПа до 46.83 МПа), снижение усадки (от 10 до 50 %). Однако в то же самое время степень проявления утяжин при этом несколько возрастает.
Система охлаждения форм для литья под давлением ответственна за равномерное и интенсивное охлаждение отливки по всему объему. Одновременное окончание охлаждения отливки по всей ее поверхности устраняет одну из главных причин коробления. Следовательно, основные требования, предъявляемые к конструкции систем охлаждения, заключаются в обеспечении однородного температурного поля при максимальном отводе тепла из зоны отливки и минимальном - из зоны литниковых каналов. Для учета влияния системы охлаждения в MoldFlow Insight необходимо выполнения анализа FLOW/COOL. Была построена система охлаждения, аналогичная существующей (рис. 1). Она
представляет собой каналы, которые расположены с двух сторон изделия таким образом, чтобы охватить его максимальную площадь. Поперечное сечение каналов круглое с диаметром каналов составляет 6 мм. Расстояние от оси охлаждающих каналов до поверхности формующей полости составляет 14 мм. Анализ FLOW/COOL показал, что применение системы охлаждения несколько уменьшает время охлаждения и влечет за собой снижение значений объемной усадки практически во всех областях изделия. При этом разница в усадке, приводящая к образованию утяжин мало изменяется.
На основании проведенных исследований можно сформулировать следующие рекомендации для получения качественных изделий:
рассмотрено влияние времени заполнения, показано, что в исследованном диапазоне наблюдается снижение усадки, однако возможно усиление степени проявления утяжин. Учитывая, что с увеличением времени заполнения увеличивается разница в температуре фронта потока расплава не рекомендуется использовать время заполнения больше 1 - 1.5 сек.;
повышение температуры расплава и формы ведет за собой повышение усадки для всех рассматриваемых полимеров, кроме того возможен небольшой рост степени проявления утяжин. Также увеличивается время охлаждения изделия. Поэтому рекомендуется использовать минимально возможную температуры как формы так и расплава для достижения наилучшего качества;
увеличение давления выдержки
сопровождается снижением значений усадки, повышая качество изделия, но в то же самое время степень проявления утяжин несколько возрастает;
с увеличением размеров элементов литниковой системы наблюдается заметное снижение давление литья, снижение усадки и
улучшение качества изделия. Однако в то же самое время степень проявления утяжин возрастает;
используемая система охлаждения достаточно эффективна при данной конструкции литниковой системы и расположения толкателей.
Литература
1. Autodesk Moldflow Insight 2012 Beta. What’s new in this release. Autodesk, Inc., 2010. - 20 p.
2. Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Компьютерный анализ литья: подходы и модели // Пластикс, 2009, № 3, с. 50-54
© В. В. Курносов - канд. техн. наук, доц. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, vitaly99@mail.ru; Ю. В. Перухин - канд. хим. наук, доц. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, ov_stoyanov@mail.ru.
