CC BY
17
УДК 678.5
В. В. Курносов, А. Ю. Маврина КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ «БЛЮДЦЕ УНИВЕРСАЛЬНОЕ» ИЗ ПЛАСТМАСС ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Ключевые слова: Компьютерный анализ, процесс изготовления изделий из пластмасс литьем под давлением.
Проведен компьютерный анализ процесса изготовления изделия «блюдце универсальное» методом литья под давлением с пользованием системы Autodesk Moldflow Insight. Изучено влияние основных технологических параметров процесса (времени впрыска, температуры расплава и формы), на свойства формуемого изделия, при использовании для изготовления двух марок полипропилена с различной вязкостью расплава.
Keywords: Computer analysis of the process of manufacturing products from plastic by injection molding.
A computer analysis of the process of manufacturing the product "universal saucer" molding with the use ofAutodesk Moldflow Insight. The effect of the main process parameters (time of injection, the melt temperature and mold), the properties of the formed product, when used for the manufacture of two grades of polypropylene with different melt viscosity.
Качество процесса литья под давлением термопластов определяется большим количеством факторов, учесть которые на стадии проектирования можно только с использованием компьютерных систем, моделирующих этот процесс. В данной работе проведен анализ изготовления изделия «блюдце универсальное» с рассмотрением влияния основных факторов процесса на формование изделия с использованием системы компьютерного инжиниринга Autodesk MoldFlow Insight 2012 {1-4}. В качестве прототипа был взято изделие, изготавливаемое методом литья под давлением в городе Москва, компанией ООО «НПЦ «НовАгроТех» (рис. 1). Данное изделие служит как садовая декоративная принадлежность для ухода за растениями, так же возможно его применение в быту, в том числе и для контакта с пищевыми продуктами. Изделие изготовлено из полипропилена. Размеры изделия: d=20 см, высота 4 см, толщина 1мм. Для повышения прочности изделия в нем присутствуют два круговых ребра жесткости, однако с другой стороны от их расположения в изделии аналоге наблюдаются утяжины. Данное изделие изготавливается с использованием горячеканального литника с диаметром 3 мм, сделанного по центру в дно изделия.
Для проведения анализов в базе данных MPI были выбраны две марки полипропилена (изотактические, среднего давления) с различными показателями текучести: Chisso K 4017H с ПТР=12 г/10 мин. при грузе 2,16 кг и температуре 230°С фирмы Chisson Petrochemical Company и Chisso K 5028F с ПТР=22 г/10 мин. при грузе 2,16 кг и температуре 230°С, фирмы Chisso Petrochemical Company. (Эти полимеры имеют отечественные аналоги: Бален 01130 и Бален 01250, выпускаемые заводом «Уфаоргсинтез»). Данные полимеры имеют высокую стойкость к термоокислительному старению, повышенную устойчивость к выцветанию и устойчивость при контакте с моющими средствами.
б
Рис. 1 - Изделие "блюдце универсальное"
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 [5], сетка была проверена на наличие дефектов и исправлена с помощью соответствующих инструментов программы.
Для оценки влияния на качество изделия таких факторов, как время заполнения, выдержка под давлением, температура формы и расплава в Autodesk MoldFlow Insight выполнялся анализ FLOW/WARP. При оценке влияния того или иного фактора, остальные факторы фиксировались. В данном виде анализа моделируются все стадии литья, а также коробление, при этом предполагается, что охлаждение происходит по всей
поверхности равномерно. Для оценки качества изделия, использовались значения усадки в областях 1,2,3,4,5 (рисунок 2). Данные точки расположены на различных расстояниях от точки впуска, что позволяет оценить усадку в различных областях изделия и связанное с ним коробление. Различие усадки в областях 1,2 может быть использовано для оценки степени проявления утяжин в этой области. Различия в областях 3,4 позволяет оценить степень проявления утяжин в области второй зоны проявления утяжин. При рассмотрении результатов анализа основное внимание уделялось объемной усадке при извлечении изделия, а также разнице в усадке при извлечении изделия в соседних областях, обуславливающую степень проявления утяжин вдоль ребер жесткости (1 и 2, 3 и 4 рисунок 2).
Рис. 2 - Измерение усадки в различных областях изделия
С целью определения влияния времени заполнения на процесс формования изделия были выполнены анализы FLOW/WARP для полимеров Chisso K 4017H и Chisso K 5028F, при этом время заполнения варьировалось в диапазоне 0,3 - 1,4 секунд. Параметры формования: температура формы 40°С, температура расплава 220°С, время выдержки под давлением 10 секунд, давление выдержки - 68МПа. На основе изучения проведенных анализов были проведено сравнение изменения максимального давления литья, температуры фронта потока расплава в начале и конце заполнения, а также объемной усадки при извлечении изделия и разницы в объемной усадке для указанных областей утяжин (рис. 2).
При увеличении времени заполнения максимальное давление литья у обоих полимеров увеличивается, что говорит о существенном влиянии процесса охлаждения расплава при заполнении формы. Причем у Chisso K 4017H, как величины значений максимального давления, так и степень увеличения давления (85,7 МПа для времени заполнения 0,3 секунды и 106,8 МПа для времени заполнения 1,4 секунды), больше чем у менее вязкого Chisso K 5028F (соответственно 54,4 МПа и 68,1 МПа). Усадка в изделии во всех анализируемых зонах сначала несколько снижалась при переходе от 0,3 до 0,5 секунд, а потом изменялась не столь существенно. Усадка наиболее значительна в точке 5, наиболее удаленной от точки
впрыска (рис. 2). Далее усадка снижается, причем различие в усадке 3 и 4 больше чем 2 и 1 (различие в усадке этих областей характеризует степень проявления утяжин). Следует отметить, что усадка во всех точках, особенно в наиболее удаленных областях у СЫббо К 4017Н меньше, чем у СЫббо К 5028Б. На рисунке 3 представлена зависимость усадки от времени в процессе выдержки под давлением при одном времени заполнения. Для СЫббо К 4017Н начальное значение усадки меньше, чем у СЫббо К 5028Б, кроме того, усадка более эффективно уменьшается в процессе подпитки, особенно в областях удаленных от точки впрыска расплава. Данный вид зависимости обусловлен более высоким давлением литья для СЫббо К 4017Н (при данном времени заполнения максимальное давление литья - 87,6 Мпа) чем у менее вязкого СЫббо К 5028Б (55,6 Мпа). Максимальное коробление в изделие для обоих образцов, при увеличении времени заполнения снижается (со значения 1,49 мм до 1,28 мм в исследованном интервале времени заполнения для полимера марки СЫббо К 4017Н и со значения 1,44 мм до 1,28 мм для полимера марки СЫббо К 5028Б).
■ TfcW
• тззя
* TlEJd
б
Рис. 3 - Изменение объемной усадки в процессе выдержки под давлением (при времени заполнения 0.5 секунд): а) СЫззо К 4017Н; б) СЫ««о К 5028Р
Таким образом, можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальные условия формования изделия обеспечивается при временах от 0.5 секунд до 1 секунды. Изделие, изготовленное из полимера марки СЫббо К 4017Н, обладает меньшим
а
значением усадки, степенью проявления утяжин в областях 1,2 и 3,4, чем Chisso K 5028F, при этом имеет практически одинаковое коробление.
Так же можно отметить, что скорость заполнения, соответствующая малым временам впрыска достаточно велика (при времени заполнения 0,3 секунда скорость заполнения составляет 158 см3/секунду), и не любая литьевая машина может ее обеспечить.
С целью определения влияния температуры расплава на качество изделия был проведен анализ MPI/Flow/Warp для полимеров Chisso K 4017H и Chisso K 5028F для температур расплава: 190°С, 200°С, 220°С, 240°С, 260°С, 280°С, при времени заполнения 0.5 секунд, температуры формы 40°С и давлении выдержки 68 МПа.
При увеличении температуры расплава, давление литья снижается для обоих полимеров (с 110 МПа до 58 МПа для Chisso K 40^ и с 71 МПа до 37 МПа для Chisso K 5028F). Уменьшается также разница в температуре фронта потока расплава в начале и в конце заполнения (195 °С для 190°С, 280,7°С для 280°С марки Chisso K 4017H и 191,7 °С для 190°С, 280,2 °С для 280°С марки Chisso H 5028F), при этом наблюдается существенное увеличение времени охлаждения (от 3,2 секунд до 5,6 секунд для марки Chisso K 4017H, от 2,9 секунд до 5,4 секунд для Chisso H 5028F).
Усадка во всех областях изделия имеет тенденцию к некоторому уменьшению с ростом температуры, при этом значение усадки несколько ниже в случае с полимером марки Chisso H 4017 H во всех точках.
Разброс усадки, определяющий степень проявления утяжин для области 1 и 2, с увеличением температуры снижается, в области 3 и 4 изменение усадки слабо выражено.
Такой вид зависимости обусловлен тем, что при повышении температуры расплава усадка непосредственно после заполнения формы увеличивается во всех областях изделия (рис. 4), однако в процессе выдержки под давлением более эффективно компенсируется, особенно вблизи точки впуска.
Коробление с увеличением температуры, снижается, в случае обоих полимеров, при этом величина коробления, практически одинаковая.
Таким образом, учитывая существенную зависимость времени охлаждения от температуры расплава, можно рекомендовать температуру расплава в диапазоне 220-240°С.
С целью определения влияния температуры формы на качество изделия были проведены анализы MPI/Flow/Warp для полимеров Chisso K 4017H и Chisso K 5028F с температурами формы: 25°С, 30°С, 40°С и 60°С, при одинаковом времени заполнения 0.5 секунд, температуре расплава 220 и давлении выдержки 68 МПа
При увеличении температуры формы, давление литья снижается для обоих полимеров (с 91,1 МПа до 82,5 МПа для Chisso K 40^ и с 57,8 МПа до 52,4 МПа для Chisso K 5028F), при этом время охлаждения расплава повышается (с 3,7 секунд до
4,7 секунд для полимера марки Chisso K 4017^ и с 3,4 секунд до 4,2 секунд полимера марки Chisso K 5028F).Разница в температуре фронта потока расплава в начале и конце заполнения уменьшаются.
а
б
Рис. 4 - Изменение объемной усадки в процессе выдержки под давлением для Chisso K 4017H: а) температура расплава 190оС; б) температура расплава 240оС
С повышением температуры расплава усадка, степень проявления утяжин и коробление мало изменяются. Учитывая, что повышение температуры увеличивает время охлаждения, а следовательно и длительность цикла литья и мало влияет на усадку, степень проявления утяжин и коробление, рекомендуется температура формы 250С - 400С.
Для оценки влияния размеров литника на качество изделий, были построены горячеканальные литники с впуском в центр дна изделия. Анализ FLOW/WARP проводился для Chisso K 4017H при одинаковых значениях времени заполнения 0,5 секунды, температуры расплава 220°С, температуры формы 40°С и давлении подпитки 68 МПа, при значениях диаметра горячеканального литника: 3мм, 4мм, 7мм.
С увеличением диаметра литника наблюдается снижение давления литья, причем наиболее значительное при переходе от 3мм к 4мм (122,9 Мпа для 3мм, 100,4 МПа для 4мм и 93,4 МПа для 7мм).
Усадка, а также различие в усадке в областях 1, 2 (в большей степени) и 3, 4 (в меньшей степени), характеризующее степень проявления утяжин в этих областях и коробление изделия уменьшаются,
причем наиболее существенно при переходе от диаметра 3 мм к 4 мм. Уменьшение усадки, при увеличении диаметра канала объясняется повышением эффективности подпитки, особенно в областях близких к точке впуска.
Таким образом, могут быть рекомендованы следующие параметры процесса изготовления изделия «Блюдце универсальное»:
• рекомендуется использовать марку полипропилена, обладающую большей вязкостью -СЫББО К 4017Н;
• наиболее оптимальные условия формования изделия: время заполнения 0,5 - 1 секунды; температура расплава - 220-240°С; температура формы 25-40°С; используется горячеканальный литник диаметром от ~4 мм.
Литература
1. Курносов В.В., Перухин Ю.В., Стоянов О.В. Компьютерное моделирование процесса изготовления изделий из пластмасс литьем под давлением. // Вестник Казан. Технол. ун-та. 2012 Т15, №14. С. 111-114
2. Курносов В.В., Косолапов Д.С., Перухин Ю.В., Стоянов О.В. Компьютерное моделирование процесса изготовления изделия "лопатка" из пластмасс литьем под давлением. // Вестник Казан. Технол. ун-та. 2013 Т.16, №10. С. 169-172
3. Курносов В.В. Перухин Ю.В., Хабибулина А.Р., Жуков Я.Р. Оптимизация конструктивных и технологических параметров процесса изготовления изделий "вешалка". // Вестник Казан. Технол. ун-та. 2013 Т.16, №17. С. 209-211
4. Курносов В.В., Мулдакашева Э.Б. Компьютерный анализ процесса литья под давлением при проектировании изделий из пластмасс // Вестник Казан. Технол. ун-та. 2015 Т: 18, №7 С.: 243-246
5. Autodesk Moldflow Insight 2012 Beta. What's new in this release. Autodesk, Inc., 2010. - 20 p.
© В. В. Курносов - канд. техн. наук, доц. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected]; А. Ю. Маврина - студентка гр. 525-М6, каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ.
© V. V. Kurnosov, Ph.D., assistant professor of technology for the processing of polymers and composites KNRTU, [email protected]; A. Y. Mavrina - student group 525-M6 Department. technology for processing of polymers and composites KNRTU.
