, .

CAD / CAM / CAE - софтуерни решения и технологии.

.

АБОНИРАЙТЕ СЕ

Бюлетин

Абонамент за е-бюлетин




Анкета

Как да изглежда форума в частта, касаеща софтуера?
1. Да се раздели по категории - CAD, CAM, CAE
2. Да не се променя
3. Друго - отправете предложения

3C Lab представя

ВЪЗМОЖНОСТИ ЗА СИМУЛИРАНЕ НА

ЗАПЪЛВАНЕТО НА ШПРИЦФОРМИ НА

СЛОЖНИ КОРПУСНИ ДЕТАЙЛИ

 

доц. Георги Тодоров, д-р Милен Койчев, инж. Борислав Романов,

ТУ София, www.3clab.com

 

 

1.            Увод

Времето за развитие на новите изделия непрекъснато се скъсява наложено от високите темпове на навлизане на нови изделия. Същевременно изискванията към дизайна и към качеството на изделията от пластмаса нараства и става ключов фактор за успех на пазара на редица масови продукти като битова електроника, електроинструменти, мобилни апарати и много други. В тази област една от най-използваните технологии за производство на пластмасови корпусни детайли(тела, корпуси, капаци, конструктивни елементи и др.) е шприцването им. Тази технология предопределя в голяма степен и качеството на изделието, което се формира в процеса на запълване  чрез инжектиране под високо налягане. В този етап се формират и редица дефекти-повърхнинни и структурни. Предвиждането и отстраняването на потенциални дефекти от запълването още в етапа на проектиране на пластмасовите корпусни детайли, когато е възможно да се правят промени се превръща във важен етап от този процес. Симулирането на запълването на шприцформа за сложен корпусен детайл в етапа на проектирането му е задача даваща възможност да се намери едно добро решение на конструкцията му чрез максимално взаимно адаптиране спрямо процеса на шприцване при запазване на всички налагани от останалите възли и елементи ограничения. Трябва да се осигури пренасяне на полимерната стопилка с най-малки загуби на налягане и температура и по най-късия път.

Настоящата работа е посветена на симулиране на запълването на шприцформи за сложни корпусни детайли в етапа на проектирането им и изследване на влиянието на факторите на процеса от гледна точка на  най-малка вероятност за потенциални дефекти.

2.           Дефиниция на проблема

2.1.             Фактори определящи запълването

Процеса на запълване се влияе от много фактори. По-долу са описани накратко по-важните от тях:

·         Налягане на шприцване:

Налягането на шприцване е това, което се прилага по време на впръскването на стопения материал във формата.

·         Хидравлично налягане:

Това е налягането подавано от помпите и поддържано в основната хидравлична система на машината.

Съществува директна зависимост между налягането на шприцване и хидравличното налягане наречена коефициент на усилване на машината

·         Затваряща сила:

Това е силата на затваряне която машината може да приложи и поддържа след запълването на формата. Максималната затваряща сила е функция от налягането на шприцване и площта на активната работна повърхнина

·         Температура на шприцване:

Това е температурата, с която стопения материал се шприцва във формата.

·         Температура на инструмента:

Това е температурата по формообразуващата повърхнина на инструмента(матрицата)

 

 

ti – време за шприцване.
Времето необходимо за запълването на формата с течен материал

 

tp – време за уплътняване.
Времето, през което материала е още в течна фаза и се повишава налягането във формата.

tc – време за изстиване.
Времето веднага след уплътняването, през което материала преминава в твърда фаза

 

th – време за задържане.
Сумата от времето за уплътняване и времето за изстиване

 

to – време за отваряне на формата.
Времето необходимо за отваряне на инструмента.

·         Точка на инжектиране:

 

Точката или точките, откъдето стопения материал се шприцва във формата.

По долу ще се изложат грешките получавани при шприцване на пластмаси и възможните причини за тях. Тези грешки могат да се предскажат чрез симулации, да се установят параметрите на процеса на шприцване и да се променят, ако е необходимо. 

 Ако параметрите на шприцформата или на процеса на шприцване не са избрани правилно, то някой от дефектите при шприцването могат да се предскажат преди симулирането. 

 

·          Линии на засрещане

В областите на събиране (линии на засрещане) на полимерната стопилка , в края на пътя на потока на стопилката при шприцването или при разделянето на различните области при шприцването (т.н ребро) се появява област на  черно потъмняване. Понякога шприцформата не е изцяло напълнена в тези точки и там може да се промени повърхнината й  (образува се слой поради отделянето на някои съставки на пластмасата или поради корозия). Причината за това е, че стопилката избутва въздуха в кухината пред нея и тя се компресира. Ако въздухът не може да излезе през делителните линии, вентилационите канали или през избутвачите, топлината се увеличава много и  върху пластмасата се появяват белези от изгоряло – фиг.1.    

       

·          Задържане на въздух

Тази грешка, се среща под различни форми като зависи от причината на задържане на въздуха.  Ако потокът от стопилка е обграден от въздух, повредите се разширяват от непълно пълнене, през маркиране на дефектите върху повърхнината, през обгаряне до ефекта на Diesel за самозапалване. Ако въздухът (въздушната струя) в матрицата на шприцформата е  засмукан,  в стопилката се образува въздушна- газова шупла. Размерът на газовата шупла варира от дребна до едра и често се появява в посоката на потока на стопилката. За разлика от смукнатината на отливката, шуплата може да се появи близко до стената – фиг.2.

·          Издатък по делителната повърхнина,  отливък  

Издатъкът по делителната повърхнина е сравнително голяма издатина върху пластмасата или дребна издатина, която може да падне като се бутне с нокът. Голeмите издатини, които напомнят на ципа на ходилата на птица  също се наричат отливък. Издатъкът по делителната линия  и отливъкът се получават когато стопилката прониква в пролуките, челата и в места на захващане – фиг.3.  

·         Разлики в гланца (блясъка)

Шприцваната пластмасова повърхнина има различни нива на гланц в отделните точки, въпреки че структурата (повърхнината) на матрицата е еднаква - гланцът на цялата повърхнина е твърде висок или не е достатъчно висок. Въобще дълбочината на гланца зависи от това колко добре се възпроизвежда повърхнината на матрицата – фиг.4.  

·         Неравномерност на усилващите стъклени нишки

Усилващите стъклени нишки могат да заформят неравномерни видими  зони с текстура(ефект на драскотини) на турболентност или на недостатъчно хомогенно разпределение в следствие на  турболентност в течението на потока на пластмасата в процеса на инжектиране. Основните фактори определящи този дефект са:

-Скоростта на инжектиране;

-температурата на инструмента;

- температурата на стопилката;

-Завихряне на потока около ребра и други ръбове в инструмента.

·         Ефект на грамофонна плоча 

Ефектът на грамофоната плоча се причислява към белезите на напречните линии в посока на потока на стопилката, която взима формата на концентрични или успоредни бразди върху повърхнината на пластмасовото изделие. Причината за това е, че изпъкналата (издутата) предна страна на стопилката се охлажда повече поради временото намаляване на размера на потока. Когато това се случи, периферното ниво на стопилката се втвърдява и може да стане доста тънко, то се удължава в района пред стопилката и вече не е в контакт със стената на шприцформата. Докато продължава  напълването на формата и налягането расте, за тези области  не много дълго цялата повърхнина натиска срещу стената на шприцформата. Въпреки това, браздите и ивиците между тях остават , което води до въртене (течене) на стопилката отпред. Отделно твърде малкият размер на пълнене също може да причини подобни белези, чрез временото идване на стопилката до спиране пред стеснението или чрез преждевремено превключване (промяна) на налягането на задържане - фиг.6

·         Дефектно пълнене – шприцване с дедозапълване

Върху шприцваните пластмасови детайли има секции които липсват, най-често в областите отдалечени от вертикалния леяк или в областта на тънките стени, защото стопилката не е напълнила изцяло формата. Възможните причини са, че не е измерено достатъчно количество полимер, невърналият се вентил е спукан, налягането е твърде ниско или съпротивлението на пълнене е много голямо. Съпротивлението на пълнене се влияе от вискозитета (лепкавостта), дължината на леяковите канали и от дебелината на стените - фиг.7.    

 

·         Следи от Впръскване

Започвайки от вертикалния леяк, повърхнината на пластмасовото шприцвано изделие е  вълниста, често грапава или матова от стопилката. Това се случва когато поток с много голям размер преминава през място с голямо напречно сечение и няма достатъчен контакт със стената, което е необходимо за получаването на слоест поток. Въпреки, че стопилката влиза във входа на матрицата във формата на струя, възможността да контактува със стената на шприцформата (краткотрайно прилепване) е малка. Резултатът е  прегъване на нишката. Причината за това е, че при охлаждането, повърхнината на нишката не се свързва за дълго правилно със следващата я стопилка. Настрана от вредния ефект от явяването на дефекта, това води и до намаляване на съпротивлението –фиг. 8.

 

 

·         Матови петна по повърхнината на изделието

Матовите петна по повърхнината на изделието покриват значителна област и често се получават около леяка. Понякога те се появяват след смяната на напречното сечение на потока. Причините са в големите напречни напрежения в тези точки и ограниченото прилепване на пластмасата по стената,  което се дължи на смяната на напречното сечение – фиг.9.

·          Всмукнатини 

Всмукнатините са понижаване на повърхнината на пластмасовите шприцвани изделия. Те понякога се установяват само по различния блясък на повърхнината сравнена със заобикалящата я област. Всмукнатините се получават най-често в област на натрупване на стопилка, в корена срещу ребрата. Причината за натрупването на стопилка е увеличаване на размера на свиването в съответната област. Това тегли отделните нива от повърхнината навътре. Понякога всмукнатините се образуват само след бързо изваждане и последвасто продължаване на охлаждането по неблагоприятен начин - фиг.13.

·         Напукване поради напрежения, микронапуквания (Stress cracking, microcracks)

Външни или вътрешни напуквания на шприцваното изделие причинени от напрежения, които са по-малки, отколкото напреженията на счупване се наричат напуквания. При пластмасите напукванията се инициират от микро пукнатини. Най-често локалните вътрешни напрежения предизвикват пукнатините. Нивата на вътрешните напрежения в изделието в резултат на  шприцването влияят силно на процеса. Иницииране на пукнатини е показано на  фиг.14.

·         Тигрова шарка 

Тигровата шарка са периодични напречни сенки върху шприцваната пластмасова повърхнина в посоката на потока на стопилката, които напомнят  шарките на тигрова кожа. Те са причинени от пулсирането на стопилката, което се случва специално в многофазова термопластична система (смесителите) – фиг.15.

·         Деформиране

Пластмасовото изделие се изкривява от правилната форма, като се увива, завърта или накланя под ъгъл. Причина за деформирането е различията в тенденцията на свиванията в отделните части на шприцформата и разликата в свиването на полимерната стопилка в различните посоки – фиг. 16.     

     

·         Линии на засрещане 

Точките в които два полимерни потока на стопилката се срещат по време на запълването  на шприцформата се получава драскотина като нащърбване или локална разлика в цвета или в гланца на повърхнината. Този ефект се изразява в по-тъмни или просветляващи повърхнини или със специални пигменти. Линиите на засрещане се образуват чрез изпъкналите чела на двата потока стопилка, срещащи се челно. Ако температурата и налягането в тази област са много ниски, то леко студената и втвърдена повърхнина в периферните нива на стопилката не за дълго се притягат срещу стената на формата и се появява резка на повърхнината – фиг.17.    

1.           Примерно решение

                Избрания детайл е част от ръчен електроинструмент, по-точно затварящ капак на верижен трион. Неговата сложност се обуславя от една страна от изискването за високо качество на повърхнината, тъй като е видим. От друга страна трябва да бъде достатъчно устойчив на натоварване, също така да има и ниски деформации след шприцване, с оглед на размерите му.

 

Друга особеност на избрания детайл е сложната му геометрия обусловена от функциите му в машината.  Поради сложната форма са направени предварителни изследвания за поява на дефекти. Предварителните изследвания показват , че има опасност от повишени деформации на отделни зони. По-голямата част от останалите потенциални дефекти са по-лесно преодолими. По тази причина по-долу е направено подробно изследване на влиянието на по-важните параметри на процеса върху получениет деформации. Целева функция на изследването е определянето на комбинация от технологични параметри, без интервенция в геометрията на инструмента(като точка на шприцване) с цел да се  получи компонент с възможно най-малки деформации.

 

·       Пъвоначални наблюдения

С оглед на деформациите може да се отделят 2 особено критични зони. Едната е плоската част показана по-долу, където благодарение на тази геометрия могат да се очакват големи деформации.

Друга такава зона е областта на закрепване на детайла към машината. Там също големите деформации биха били критични.

Като обобщение може да се каже, че деформациите от шприцването са особено важни за качеството и годността на изследвания детайл.

.

1.1.             Фактори влияещи на качеството на шприцване в разглеждания пример

 

Тук ще бъдат описани най-важните фактори на процеса влияещи в най-голяма степен на качеството на изделията. С промяната на всеки един от тях може да се управлява годността на получените детайли.

 

Основните фактори, които ще бъдат контролирани са следните:

 

 

Температура на инструмента (матрицата)

Основно ниво - 70є

Температура на впръсквания материал (стопилката)

Основно ниво -260є

Налягане

Основно ниво -90 Mpa

Време за охлаждане

Основно ниво -20 sec

 

 

1.2.             Критерии за оценка

С оглед на оценката на избрания компонент може да бъдат определени следните критерии подредени по важност:

 

Задължително е да са запълнени всички зони на детайла. Този критерий безспорно е най-важен, тъй като без него изобщо няма годен детайл;

 

Минимални деформации. Особено важно е изделието да има минимум деформации с оглед на функциите му в машината;

Линии на засрещане. Важно е да липсват или да бъдат минимизирани, тъй като имат пряко отношение към надеждността на детайла;

 

Време за запълване. Този критерий е важен от гледна точка на подобряването на производителността;

 

Време за изстиване. Също важен критерий с оглед на по-висока производителност.

 

По долу са изследвани отделните фактори и тяхното влияние върху деформациите при удовлетворени критерии за запълване и и липса на линии на засрещане.
3.3 Изследване на влиянието на отделните фактори в/у процеса на запълване

·        Влияние на налягането

 

Налягането е много важен параметър, тъй като има пряко влияние върху запълването на формата. То може да бъде определено в известни граници, като за минимум се вземе най-малкото налягане необходимо за окончателното запълване на формата. Ако се избере много висока максимална стойност това означава по-скъпа машина, а също така и по-високи вътрешни напрежения в детайла. По тази причина са направени предварителни симулации с различни стойности с цел да се избере подходящо налягане. Установено е, че при стойности по-малки от 70 MPa формата остава недозапълнена, което автоматично определя долната граница на налягането. За да се намери подходящото налягане са направени симулации с интервал 5 MPa, като са следени стойностите на деформацията на детайла.

Максималните стойности на деформациите при различните налягания са дадени в следващите таблица и графика към нея:

Налягане(Mpa)

Деформация (mm)

70

1.655

75

1.590

80

1.510

85

1.505

90

1.490

95

1.490

 

Наблюдава се намаляване на деформациите при увеличаване на налягането.

·        Влияние на температурата на инструмента.

 

Температурата на инструмента е друг важен параметър, който трябва да бъде взет под внимание. Ако се използва много висока температура полимера че бъде достатъчно “течен”, но това ще повлияе драматично на производителността. От друга страна ако се избере много ниска стойност, това може да доведе до недозапълване.

В изследването са използвани стойности на температурата в диапазон препоръчван от производителя на материала, а именно от 60°C до 80°C. Направени са симулации за намиране на оптималната температура с оглед на минимална деформация на детайла.

Резултата е обобщен в следващите таблица и графика към нея:

 

 

Температура на инструмента (°C)

Деформация (mm)

60

1.413

70

1.540

80

1.610

Добре се вижда, че оптималната температура в препоръчителния диапазон е 60є C


·         Влияние на температурата на шприцвания материал.

 

Тази температура обикновено е препоръчана от производителя на материала. Тя трябва от една страна да е достатъчно висока, за да се втечни полимера и да не се втвърди по време на запълването и достатъчно ниска, за да не се прегрее.

Препоръчителния диапазон е между 250°C и 270°C. Отново са направени симулации с оглед намирането на оптималната температура, при която деформациите са минимални.

Резултата е обобщен в следващите таблица и графика към нея:

 

 

Температура на впръскване на материала (°C)

Деформации (mm)

250

1.426

260

1.540

270

1.844

 

Оптималната стойност е 250 °C.


·        Влияние на времето за изстиване

Време за изстиване наричаме времето между окончателното запълване на формата и изваждането на готовия детайл. По-дългото време означава по-ниска производителност, докато по-краткото може да доведе до брак поради деформации при изваждането. Избрана е минимална стойност 10 sec.

Резултата е обобщен в следващите таблица и графика към нея:

 

Време за изстиване (sec)

Деформации (mm)

10

1.526

20

1.540

30

1.526

40

1.542

 

Може да се направи извод, че времето за изстиване не оказва голямо влияние върху деформациите.


1.4.            Оценка  на влиянието на различните параметри върху деформациите   и анализ на резултатите

Анализирайки влиянието на изследваните фактори могат да се направят следните по-важни оценки и заключения:

·       Времето за охлаждане има ограничено влияние върху деформациите при изследван диапазон 10-40 секунди. При по-малки времена има силно влияние.

·       Температурата на инструмента влияе отрицателно на деформациите на детайла при повишаването и. Необходимо е да се работи с възможно най-ниската температура осигуряваща добро запълване.

·       Температурата на стопилката (на шприцване) също влияе отрицателно на нивото на деформациите при повишаването аналогично на тази на инструмента. Необходимо е да се работи с възможно най-ниската температура на стопилката, осигуряваща добро запълване.

·       Налягането влияе към намаляване на деформациите при нива на нарастване от 70 до около 90 MPa след което няма съществено влияние. Препоръчва се ниво 90 MPa

На тази основа може да се препоръчат параметрите дадени в таблицата по-долу като оптимални за конкретния пример.

 

Температура на инструмента (матрицата)

60єC

Температура на впръсквания материал (стопилката)

250єC

Налягане

90 Mpa

Време за охлаждане

30 sec

 

 

Анализ на резултатите:

·         Проведените изследвания показват съществени възможности за контрол на  деформациите чрез правилен подбор на параметрите на процеса;

·         Комбинацията от параметрите на процеса  зависи както от общи правила, така и от конкретната геометрия на детайла и мястото на запълването му;

·         Всички изследвани  случаи са с параметри при които няма  опасност от недозапълване на детайла или поява на линии на засрещане;

·         Като цало е предложен   най-добър експертно оценен компромисен резултат на комбинацията от фактори дадени в табл. по-горе.

4.           Заключение

 

·         Анализирани са различните дефекти , появяващи се в процеса на запълване.

·         В изследването е обоснована важността от определяне на най-доброто  комбиниране на  стойностите на технологичните параметри на процеса при избрана предварително точка на запълване.

·         Възможността за симулации в етапа на проектиране са от голяма важност за дизайнера и конструктора на сложни корпусни детайли  с цел постигане на оптимални режими на работа при необходимите качествени показатели при спазване на конструктивните, функционалните и естетичните ограничения към технологията на шприцване;

·         За конкретен сложен корпусен детайл от ръчен електро инструмент е осъществена симулация и е определена най-добър експертно оценен компромисен резултат на комбинацията от фактори даден и в табл. по-горе, редуциращи комплексно дефектите и в най-голяма степен деформациите.