CC BY
29
УДК 678.5
В. В. Курносов, Э. Б. Мулдакашева
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС
Ключевые слова: Компьютерный анализ, процесс изготовления изделий из пластмасс литьем под давлением.
Проведен компьютерный анализ процесса изготовления изделия «поднос» методом литья под давлением с пользованием системы Autodesk Moldflow Insight. Изучено влияние основных технологических параметров процесса (времени впрыска, температуры расплава и формы), а также расположения точек впуска на свойства формуемого изделия, при использовании для изготовления двух марок полиэтилена низкого давления различающихся показателем текучести 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 "tray" molding with the use of Autodesk Moldflow Insight. The effect of the main process parameters (time of injection, the melt temperature and forms), and the location of points on the inlet properties of the molded article, when used for the fabrication of two grades of HDPE different melt mass flow rate.
При изготовлении изделий из пластмасс литьем под давлением с большой длинной пути расплава могут иметь место проблемы, связанные с изменением условий литья в начале и конце заполнения оформляющей полости в процессе впрыска, а также особенностей подпитки в этих областях в процессе выдержки под давлением. Условия заполнения могут быть улучшены использованием не одной, а нескольких точек впрыска, приводящих к сокращению пути расплава. В этом случае важно правильно выбрать расположение мест впрыска расплава, а также правильно подобрать материал изделия и условия его формования.
В данной работе проведен анализ изготовления изделия "поднос" с рассмотрением вариантов впрыска расплава, а также влияния основных факторов процесса на формование изделия с использованием системы компьютерного инжиниринга Autodesk MoldFlow Insight 2012 {1-3}. В качестве прототипа был взято изделие "поднос Flex универсальный 49.5х24.5 см.", поставщик ООО "ГЛАЗУРИТ (рис. 1). Данное изделие отвечает всем требованиям ГОСТ Р 50962-96" «Посуда и изделия хозяйственного назначения из пластмасс», изготовлено из полиэтилена низкого давления (ПЭНД) и представляет собой плоскость (лист) с загнутыми кверху краями, предназначенный для переноски посуды, подачи еды. Изделие прототип изготовляется с использованием двух точек впрыска и имеет проблемы - коробление, а с противоположной стороны от ребер жесткости, которые должны упрочнять конструкцию, наблюдаются утяжины.
Для анализа процесса изготовления изделия «поднос» в работе были выбраны две марки полиэтилена низкого давления с различным показателем текучести расплава -: HE 7007 (ПТР=7 г/10 мин при грузе 2,16кг и температуре 2300С) фирмы Borealis, и Generic Estimates CMOLD (ПТР=15 г/10мин при грузе 2.16 кг и температуре 1900С) фирмы Generic Estimates.
б
Рис. 1 - Изделие "лопатка"
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 [4], сетка была проверена на наличие дефектов и исправлена с помощью соответствующих инструментов программы. Используя средства построений Autodesk MoldFlow Insight, были построены два варианта сетки конечных элементов для литниковой системы (вариант с точками впуска, расположенными, как в изделие прототипе, вариант аналогичный первому, но со сдвигом точек впуска от центра изделия на 1 сантиметр. Для оценки влияния на качество изделия таких факторов, как время заполнения, выдержка под давлением, температура формы и расплава, а также конфигурация литниковой системы в Autodesk MoldFlow Insight выполнялся анализ FLOW/WARP. В данном виде анализа моделируются все стадии литья, а также коробление, при этом предполагается, что охлаждение происходит по всей поверхности равномерно. При рассмотрении
результатов анализа основное внимание уделялось объемной усадке при извлечении изделия (области 1, 2, 3, рисунок 2), а также разнице в усадке при извлечении изделия в соседних областях, обуславливающую степень проявления утяжин вдоль ребер жесткости (4, 5 рисунок 2). При оценке влияния того или иного фактора, остальные факторы фиксировались.
Рис. 2 - Области оценки объемной усадки при извлечении изделия
Было рассмотрено влияние технологических факторов: времени впрыска, температуры расплава и формы, условий выдержки под давлением на усадку и разброс усадки в этих областях для варианта литниковой системы аналогичной изделию прототипу. При этом предполагалось использование полимера HE 7007.
С целью определения влияния времени заполнения на процесс формования изделия были выполнены анализы FLOW. Времен заполнения варьировалось в диапазоне 0.3 - 4 секунд. 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 (рис. 2).
При увеличении времени заполнения максимальное давление литья сначала несколько снижается (от 1 до 1,5 секунды - с 120 до 123 МПа), затем выходит на плато (1,5 - 2 секунды), а при переходе от 2 к 3 секунды начинает возрастать (до 132 Мпа). Таким образом, кривая зависимости имеет U-образную форму, что связано с проявлением влияния охлаждения расплава при течении в прессформе, приводящего к увеличению вязкости и его застыванию на стенках формы. При дальнейшем увеличении времени заполнения наблюдается недолив изделия (при времени заполнения > 3 секунд).
При увеличении времени впрыска усадка снижается во всех точках изделия, за исключением точки 2 (находящейся вблизи впускных литников). При этом разность усадки в точках 4 и 5, характеризующая степень проявление утяжин в области ребра жесткости, с увеличением времени заполнения также снижается. При увеличении времени заполнения с 1 до 3 секунд наблюдается снижение значения усадки сразу после стадии
заполнения (в особенности для точек наиболее удаленных от места впуска - точки 3, 4 и 5), а подпитка расплавом в процессе выдержки под давлением в указанных точках проходит более эффективно, что, по всей видимости, связано с увеличением давления литья.
Следует отметить, что с увеличением времени заполнения разница температуры фронта потока расплава в начале и конце заполнения существенно возрастает (с 8 0С для 1 секунды до 550С для 3 секунд)
Таким образом, можно сделать вывод о том, что для уменьшения коробления и снижения проявления степени утяжин в области ребра жесткости желательно брать время заполнения в диапазоне 2-2,5 секунд. Так же можно отметить, что скорость заполнения, соответствующая малым временам впрыска достаточно велика (при времени заполнения 1 секунда скорость заполнения составляет 242 см3/секунду), и не любая литьевая машина может ее обеспечить. Однако, следует учитывать, что дальнейшее увеличение времени заполнения (выше 3 секунд) ведет к большому разбросу температур расплава в начале и конце заполнения и может привести к недоливу изделия.
С целью определения влияния температуры расплава на качество изделия был проведен анализ MPI/Flow/Warp для полимера НЕ 7007 для температур расплава: 220°С, 240°С, 260°С, 280°С при времени заполнения 2,25с, температуры формы 30 0С и давлении выдержки 97,73Мпа.
При увеличении температуры расплава в данном диапазоне наблюдается снижение максимального давления литья со 125 до 98 МПа, что связано с уменьшением вязкости расплава, с увеличением его температуры. При этом наблюдается некоторое увеличение времени охлаждения (с 5,3 секунд при 220 0С до 7,3 секунд при 280 0С).
С увеличением температуры расплава увеличивается разброс температуры фронта потока расплава в начале и в конце заполнения формы расплавом (при 220 0С - 48 0С, при 280 0С - 73 0С).
С повышением температуры расплава усадка в точке 4 увеличивается, а усадка в точке 5 немного снижается. Соответственно разница в усадке между этими точками, характеризующими степень проявления утяжин, так же увеличивается. Усадка в точке 1 (между точками впуска) с увеличением температуры расплава несколько снижается, в то время как усадка вблизи впуска (точка 2), а так же в наиболее удаленной области (точка 3) увеличивается. При этом коробление изделия несколько снижается (с 7,45 при 220 0С до 7,09 при 280 0С).
На рисунке 3 представлена зависимость объемной усадки от времени для температур расплава 220 и 280 0С. Как видно из графика усадка расплава сразу после заполнения с повышением температуры расплава начинается с большего значения. При этом компенсация усадки в процессе выдержки под давлением, особенно в областях, удаленных от точки впуска, существенно не
улучшается, поэтому в наибольшей степени изменяется усадка в областях, близких к точке впуска (точки 1 и 2). Таким образом, с увеличением температуры расплава несколько уменьшается коробление изделия, однако при этом степень проявления утяжин возрастает. Как показывают результаты исследований, оптимальные значения давления литья, степени проявления утяжин, коробления для данного полимера при времени заполнения 2,25 секунд отмечаются при температуре 220 0С.
Иг«и)>. I №
«Т,
а
MOlTHlrx ЦП*»* JOT FM
1 т>мл
■ THHU
■ тнам
• тагом
I .
б
Рис. 3 -Зависимость объемной усадки от времени для НЕ 7007 (ПТР=7 г/10мин) %) при температуре расплава а) 220 0С, б)240 0С
С целью определения влияния температуры формы на качество изделия были проведены анализы MPI/Flow/Warp для полимера НЕ 7007 с температурами формы 200С, 250С, 300С, 350С и 450С, при одинаковом времени заполнения 2,25 секунд и температуре расплава 2200С, давлении подпитки 97,73 МПа.
С увеличением температуры формы максимальное давление литья снижается (с 130,82 0С до 114,44 0С). При этом наблюдается увеличение времени охлаждения (с 4,8 до 5,9 секунд) и уменьшение разницы температур фронта потока расплава на 5 0С.
Степень проявления утяжин в точках 4 и 5 с повышением температуры формы усадка существенно не изменяется, соответственно не изменяется и разница в усадке между этими точками.
При увеличении температуры формы (с 200С до 450С) наблюдается некоторое увеличение времени выдержки под давлением для точек,
находящихся вблизи пусков литниковых каналов, в то время как в точках удаленных от впуска литниковых каналов выдержка под давлением заканчивается практически в то же самое время при увеличении температуры формы.
Объемная усадка в точках 1, 2 и 3 практически не изменяется, однако при этом коробление изделия несколько снижается (на 16%) при изменении температуры формы от 200С до 450С.
Таким образом, повышение температуры формы способно несколько снизить коробление изделия, при этом усадка, а так же степень проявления утяжин существенно не изменяется. При этом имеет место увеличение длительности цикла из-за увеличения времени охлаждения изделия.
С учетом данных тенденций оптимальной является температура формы равная 250С, при которой оказалось наиболее приемлемым сочетание значений усадки, степени проявления утяжин и коробления.
С целью определения влияния реологических свойств полимера для литья данного изделия было проведено сравнение изготовления изделия «поднос» из ПЭНД (HE 7007 (ПТР=7 г/10мин) фирмы Borealis и Generic Estimates (ПТР=15 г/10мин)). Были проведены анализы MPI/Flow/Warp с фиксированными температурой формы 250С, температурой расплава 2200С, временем впрыска 2,25 секунд и давлением литья 97,73 Мпа.
Давление литья для ПЭНД с большим показателем текучести (15 г/10мин) оказалось приблизительно в два раза меньше, чем у рассмотренного ранее ПЭНД с показателем текучести 7 г/10мин.
Объемная усадка во всех точках для ПЭНД с большим показателем текучести (15 г/10мин), ниже, чем у рассмотренного нами ранее ПЭНД. Также меньше различие усадки в точках 4 и 5, что говорит об уменьшении степени проявления утяжин. Это объясняется более интенсивной подпиткой ПЭНД с большим показателем текучести (рис. 4). Подобная зависимость сохраняется и для коробления. Таким образом, можно рекомендовать для изготовления изделия «поднос» с улучшенными свойствами (с меньшей объемной усадкой, утяжинами, короблением) полимеры с высокими значениями показателя текучести расплава.
С целью определения оптимального расположения литниковой системы были проведены анализы MPI/Flow/Warp для полимера HE 7007 со следующими вариантами расположения точек впуска: две точки впуска (изделие прототип), две точки впуска со сдвигом от центра изделия на 1 см. Данное расположение точек впуска должно обеспечивать большую равномерность заполнения оформляющей полости. Анализ проводился с фиксированными технологическими параметрами: температура формы 25 0С, температура расплава 2200С, время впрыска 2,25 секунд и давление литья 97,73 МПа.
-------------ь-j, л-w
а
< : * !
б
Рис. 4 -Зависимость объемной усадки от времени для а) HE 7007 (ПТР=7 г/10мин); б) HDPE Generic Estimates (ПТР=15 г/10мин)
Для обоих вариантов максимальное давление литья и температура фронта потока расплава практически одинаковые. Время охлаждения изделия для конфигурации с расположением литников со сдвигом от центра на 0,5 секунд меньше, чем с вариантом расположения литников, как в изделии прототипе.
Усадка в точке 1 (между литниками) несколько больше, чем в варианте расположения литников, как в изделии прототипе. В то время как, в остальных точках на изделии усадка меньше, чем для варианта с расположением литников как у изделия прототипа. Кроме того разница усадки в точках 4 и 5, характеризующая степень проявления утяжин, также меньше в варианте с расположением литников, удаленных от центра на 1 см. При этом коробление изделия практически не изменяется.
Таким образом, расположение точек впуска на несколько большем расстоянии обеспечивает более равномерное заполнение расплавом формы и снижает усадку, а также степень проявления утяжин по сравнению с вариантом расположения литников как у изделия прототипа.
Все рассмотренные виды анализа проводились без учета влияния системы охлаждения - предполагалось, что имеет место равномерный отвод тепла по всей поверхности формы. Для учета влияния конкретной системы охлаждения были построены две системы охлаждения: с двумя каналами диаметром 10 мм по краю оформляющей полости вдоль длинной стороны изделия в матрице и пуансоне и с двумя аналогичными каналами в матрице, и с тремя каналами в пуансоне (третий канал проходит между двумя другими, построенными как в первом варианте). После построения систем охлаждения был выполнен анализБ COOL/FLOW/WARP. Анализ показал, что данные системы охлаждения позволяют снизить усадку, разброс усадки в месте утяжин, причем вторая система охлаждения более эффективна. Коробление изделия с использованием систем охлаждения также снижается, однако в большой степени с первым вариантом системы охлаждения.
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. 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, vitaly99@mail.ru; Э. Б. Мулдакашева - студентка гр. 522-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, vitaly99@mail.ru; E. B. Muldakasheva - student group 522-M6 Department. technology for processing of polymers and composites KNRTU.
