Литье пластмасс. Публикации. Injection molding. Publications

Карта сайта

Предыдущая публикация:
Влияние места впуска на коробление

Следующая публикация:
Локализация Moldex3D

Программные продукты Moldex3D (версия 15) для инженерных расчетов процессов переработки полимерных материалов
Moldex3D (release 15) software for computer-aided engineering of polymeric materials processing

Барвинский И.А. (АО «СиСофт»)

Опубликовано: 19.01.2018.

Содержание:

Moldex3D eDesign
Moldex3D Professional
Moldex3D Advanced
Базы данных
Параллельные вычисления
Интеграция и обмен данными с системами CAD и системами инженерных расчетов
Новое в версии Moldex3D R15
Структура предложения для 3D-расчетов в Moldex3D R15
Литература

Программные продукты Moldex3D R15 [1-4] применяются для инженерных расчетов литья под давлением, а также других методов переработки полимерных материалов (термопластов, реактопластов и резин) с использование метода конечных объемов. Эти продукты позволяют решать на основе 3D-подхода различные практические задачи, такие как проверка на технологичность конструкции деталей, расчет литьевых форм, прогнозирование дефектов и поведения полученных деталей при эксплуатации, выбор оптимальных конструкторско-технологических решений при проектировании новых деталей и литьевых форм, а также анализ причин брака, выявленного после изготовления формы в тех случаях, когда предварительные расчеты не проводились.
Moldex3D R15 поставляется в комплектах или отдельными модулями для рядов Moldex3D eDesign, Moldex3D Professional и Moldex3D Advanced, которые различаются методами 3D-расчетов и соответствующим инструментарием для работы с сетками. Расчеты выполняются с использованием метода конечных объемов.

Moldex3D eDesign

     Moldex3D eDesign используется для 3D-моделирования литья под давлением термопластов, реактопластов и резин по методу eDesign с автоматическим построением 3D-сетки заданного уровня.
     Для термопластичных материалов с помощью Moldex3D eDesign можно провести отработку конструкции литьевой детали на технологичность, учитывая особенности марки материала и характеристики литьевого оборудования, выбрать места впуска, спрогнозировать дефекты литьевых деталей, определить их причины и найти конструкторско-технологические решения, позволяющие устранить выявленные проблемы, выполнить расчет литниковой системы и определить технологический режим литья под давлением, обеспечивающий получение качественной продукции.

Базовый комплект Moldex3D eDesign

Комплект Moldex3D eDesign включает модули Designer, Project, Flow, Pack, Warp, Cool, Transient Cool, MCM и 4xPP (модуль PP рассмотрен ниже в разделе «Параллельные вычисления»).

Designer

     Модуль Designer предназначен для подготовки 3D-сетки, используемой при расчете по методу eDesign. Модель литьевой детали может быть импортирована в Designer в форматах STEP, STL или IGES (о других форматах см. ниже). Для расчетов процесса литья под давлением с металлической арматурой, а также двухкомпонентного литья (требуется модуль MCM) применяются модели вставок детали.
     Модель литниковой системы (холодноканальной, горячеканальной или комбинированной) с 3D-течением расплава полимерного материала можно создать автоматически или «вручную» в модуле Designer. Ее также можно импортировать из CAD-систем.
     Имеется библиотека типовых 3D-конструкций впускных литниковых каналов: центрального, точечного, торцевого, веерного, накладного, нескольких вариантов туннельного и «бананообразного» туннельного, а также туннельного канала с впуском «в ножку» (через вырез в толкателе) и пр. Модель отливки может содержать ловушку для «холодной капли» (напротив центрального и в разводящих литниковых каналах), «зацепы» и прибыль для учета их влияния на литьевой процесс.
     Для модели горячеканальной литниковой системы предусмотрены различные виды горячеканальных сопел, включая сопла с запорным клапаном. В технологии «каскадного литья» (с «последовательным впуском») запирающиеся сопла можно объединить в группы, что позволяет синхронизировать режим открытия и закрытия сопел.
     Модель литьевой формы применяется для тепловых (нагрева-охлаждения) и механических (напряженно-деформированного состояния) расчетов. Она состоит из блока формы, контуров охлаждения и вставок формы. При необходимости (в случае высокой температуры формы для термопластов, литье с вариотермическим термостатированием или при переработке реактопластов) модель формы может включать электрические и индукционные нагреватели. Мастер каналов охлаждения помогает быстро создать модель охлаждающих контуров, содержащих каналы охлаждения с определенным поперечным сечением и соединительные шланги. Можно использовать библиотеку конструкций охлаждающих каналов, охлаждающие каналы с фонтанирующей трубкой или перегородкой.
     Вставки формы применяются в случае, когда необходимо учесть влияние материала вставок, если он отличается от материала блока формы (например, в случае теплопроводных вставок), а также воздушных и пр. зазоров между деталями формы на процесс литья, расчета деформаций знаков и пуансонов.
     Модуль Designer позволяет задать расположение и геометрические параметры вентиляционных каналов для расчета процесса с учетом вытеснения воздуха из литьевой формы потоком расплава, условия закрепления узлов сетки для расчетов деформаций знаков и пуансонов, термообработки или поведения литьевой детали при эксплуатации, а также граничные условия для других видов расчетов.
     Уровень сетки, задаваемый значением от 1 до 5, определяет густоту сетки, а также количество элементов и, таким образом, влияет на точность и длительность расчетов. Уровень 1 соответствует наименьшей густоте сетки и минимальному количеству элементов, что значительно сокращает время, необходимое для расчета, одновременно понижая его точность. При уровне 5 получаются сетка с максимальной густотой и наибольшим количеством элементов. Расчеты, выполненные для такой сетки, дают максимальную точность, но требуют очень большого времени. Построенная автоматически в модуле Designer 3D-сетка используется для расчета без проверок и доработок.

Рис. 1. Рабочее окно модуля Designer

Рис. 2. Мастер впускных литниковых каналов

Рис. 3. Мастер впускных литниковых каналов. Создание модели туннельного канала с впуском через вырез в толкателе (впуск «в ножку»)

Рис. 4. Мастер каналов охлаждения. Создание модели охлаждающих контуров

Project

     Пре-/постпроцессор Project применяется для задания условий расчета, работы с базой данных по материалам и литьевым машинам, управления расчетами, вывода текстовых и графических результатов, автоматической подготовки отчетов и других задач, решаемых при проведении расчета.
     Мастер технологического режима позволяет задать параметры процесса с учетом характеристик литьевой машины (они берутся из базы данных Moldex3D или персональной базы данных пользователя). Для литьевых машин ряда производителей (Arburg, CLF, ENGEL, Fanuc, FCS, JSW, Mitsubishi, NIIGATA, NISSEI, Sodick, SUMITOMO, TOSHIBA и Victor Taichung) условия литья под давлением можно задать с помощью виртуальных контроллеров в том виде, как они задаются в системе управления литьевой машины. Количество поддерживаемых систем управления литьевых машин увеличивается в каждой версии Moldex3D. Если расчет выполняется без использования базы данных по литьевым машинам, требуемые характеристики литьевого оборудования определяются в ходе расчета.
     С помощью Мастера отчета можно автоматически создать отчет о результатах моделирования технологического процесса в форматах HTML, PPT или PDF по предварительно заданному шаблону.

Рис. 5. Рабочее окно модуля Project

Рис. 6. Мастер технологического режима

Рис. 7. Задание условий расчета с помощью виртуального контроллера e-motion литьевой машины ENGEL

Flow

     Модуль Flow позволяет выполнить 3D-расчет заполнения литьевой формы расплавом термопластичного материала и спрогнозировать недолив, облой и другие дефекты, формирующиеся на этой стадии процесса литья под давлением. Используется модель течения сжимаемого расплава в нестационарных (при изменении температуры расплава во времени в процессе заполнения формы) неизотермических условиях (с учетом влияния охлаждения через стенки оформляющей полости и диссипативного тепловыделения в расплаве).
     Для большей достоверности результатов течение расплава моделируется как 3D-течение, как в оформляющей полости формы, так и в литниковой системе. 3D-моделирование течения расплава в оформляющей полости дает возможность адекватного учета движения расплава на входе в полость, в областях повышенной толщины, разнотолщинности, эффекта ускоренного движения фронта расплава вблизи торцевых стенок (из-за влияния диссипативного тепловыделения), прекращения течения в застойных зонах (например, вблизи углов), изменения направления и скорости течения при образовании спаев.
     3D-моделирование течения расплава в литниковой системе позволяет учесть негативное влияние нестационарности на равномерность распределения температуры расплава при течении в разветвляющихся каналах, что может вызывать несбалансированное заполнение, недолив, повышенное колебание усадки или другие проблемы.
     Условия расчета задаются с помощью Мастера технологического режима для постоянной скорости впрыска или с использованием профиля скорости впрыска. При необходимости можно учесть влияние гравитации на течение.
     Графические результаты моделирования стадии заполнения литьевой формы включают подробную информацию о поведении полимерного материала на стадии заполнения, в частности при формировании спаев: угол схождения потоков и температуру фронтов расплава при образовании спая.
     Можно получить результаты для промежуточных моментов времени. Для наглядного представления графических результатов расчета применяются анимация, разрезы, сечения, представления в виде изолиний, изоповерхностей, векторов, зависимости от времени и распределения в направлении толщины и др.
     Если расчет выполнялся с учетом вытеснение воздуха из литьевой формы потоком расплава (в модуле Designer должны быть заданы положение и размеры вентиляционных каналов), результаты включают остаточное давление и температуру воздуха в оформляющей полости, позволяющие оценить опасность недолива (из-за запирания воздуха), эффекта дизеля (подгорания расплава полимера при его быстром сжатии) и других проблем, вызванных неадекватной вентиляцией литьевой формы.
     В результате расчета пользователь получает детальную информацию о процессе литья и поведении полимерного материала для того, чтобы предпринять необходимые шаги, направленные на устранение явлений, оказывающих негативное влияние на качество получаемых деталей.
     Автоматические алгоритмы выявления проблем и система «подсказок» облегчают оценку результатов расчета начинающими пользователями.
     Для реактопластов и резин модуль Flow позволяет смоделировать течение и отверждение полимерного материала, спрогнозировать дефекты и проблемы, возникающие при литье под давлением и других процессах переработки, а также выбрать оптимальные решения для их предотвращения.
При расчете течения расплава в модуле Flow можно учитывать скольжение (или кажущееся скольжение) полимерного материала относительно стенки литьевой формы путем задания коэффициента трения или критического напряжения сдвига. Условие скольжения снижает потери давления при течении расплава и повышает длину затекания. Это явление наблюдается при течении высоконаполненных термопластов, а также реактопластов и резин.

Рис. 8. Результаты расчета для стадии заполнения. Температура фронтов расплава при образовании спаев

Рис. 9. Результаты расчета для стадии заполнения. Вклад впусков

Рисунок 10. Результаты расчета для стадии заполнения. Путь течения (режим трассировки частиц)

Рисунок 11. Результаты расчета для стадии заполнения. Время охлаждения детали и холодноканальной литниковой системы (представлено на сечениях в 2-х плоскостях)

Pack

Модуль Pack позволяет выполнить 3D-моделирование стадий уплотнения (выдержки под давлением) и охлаждения отливки в форме (выдержки на охлаждение) без учета влияния неравномерности нагрева-охлаждения литьевой формы (влияние неравномерности нагрева-охлаждения можно учесть с помощью модулей Cool, Transient Cool или 3D Coolant CFD).

Расчет уплотнения осуществляется для ступенчатого или линейного профиля давления выдержки (задается в Мастере технологического режима с учетом конструкции литниковой системы и литьевой детали, характеристик и особенностей литьевой машины).

При «каскадном» литье в модуле Pack предусмотрен технологический процесс с дополнительным открытием запирающихся сопел при подпитке, что обеспечивает более равномерное уплотнение отливки.

Для моделирования охлаждения отливки в форме необходимо либо задать время выдержки на охлаждение (встроенный калькулятор позволяет предварительно оценить время, необходимое для охлаждения), либо выбрать условиях расчета опцию автоматического определения требуемого времени выдержки на охлаждение.

Графические результаты расчета уплотнения включают:

- Распределение объемной усадки;

- Распределение максимальной (в направлении толщины) объемной усадки;

- Распределение глубины утяжин;

- Распределение плотности;

- Изменение распорного усилия во времени;

- Изменение веса детали во времени;

- Изменение веса деталей с литником во времени и др.

Моделирование уплотнения позволяет предотвратить проблемы, вызванные высокой (недоуплотнение), низкой (переуплотнение) и неравномерной объемной усадкой: утяжины, внутренние усадочные полости (пузыри), залипание отливки в форме при выталкивании, дефекты текстуры, неравномерный блеск, коробление, высокие остаточные напряжения и пр.

Рис. 12. Результаты расчета для стадии уплотнения. Максимальная объемная усадка (области недоуплотнения)

Рис. 13. Результаты расчета для стадии уплотнения. Объемная усадка (области переуплотнения)

Рис.14. Результаты расчета для стадии уплотнения. Расплавленная сердцевина при окончании выдержки под давлением

Рис. 15. Результаты расчета для стадии уплотнения. Расход расплава во впускном литниковом канале

Warp

В модуле Warp выполняется 3D-расчет технологической усадки, коробления и остаточных напряжений в литьевых деталях после их извлечения из литьевой формы.

При моделировании напряженно-деформированного состояния литьевой детали учитываются термические и ориентационные напряжения, деформации (технологическая усадка и коробление), а процессы релаксации напряжений, которые происходят в отливке, пока она находится в закрытой форме, а также эластическое восстановление после извлечения отливки из формы.

Расчет может выполняться с учетом влияния изменения механических характеристик слоев литьевой детали при охлаждении отливки в форме, что повышает точность прогнозирования технологической усадки, коробления и остаточных напряжений.

Результаты расчета для отливки после ее извлечения из литьевой формы включают:

- Значения технологической усадки для выбранных размеров;

- Распределение деформаций отливки (суммарных перемещений для поверхности, вызванные технологической усадкой и короблением, а также перемещений в направлении координатных осей);

- Распределение термических остаточных напряжений (интенсивность по Мизесу, главные напряжения и напряжения сдвига);

- Распределение ориентационных остаточных напряжений (интенсивность по Мизесу, главные напряжения, максимальные главные напряжения, напряжения сдвига);

- Распределение времени релаксации для ориентационных остаточных напряжений;

- Неплоскостность (отклонение от заданной базовой плоскости);

- Зависимости остаточных напряжений и прочих характеристик от координаты в направлении толщины.

Для выявления характера коробления можно получить диаграммы расчета деформаций с заданным коэффициентом масштабирования, с учетом изотропной или анизотропной технологической усадки, в том числе с использованием анимации.

Для оценки отклонений формы детали, например, с требованиями к радиальному биению, выбранный контур для заданного поперечного или другого сечения детали можно экспортировать в программу MS Excel.

Экспорт деформированной геометрии детали в формате STL позволяет использовать результаты расчета коробления в «компенсационной» методике, когда формообразующие детали литьевой формы изготавливают с заданным отклонением формы оформляющей полости, чтобы при известном короблении получить деталь с требуемой геометрией.

В анализе причин коробления можно оценить вклад составляющих коробления, вызванных неравномерным уплотнением, неравномерным охлаждением и неравномерной макромолекулярной ориентацией.

Для кристаллизующихся термопластов можно учесть влияние кристаллизации (в том числе ориентационной) на напряженно-деформированное состояние отливки, включая технологическую усадку, коробление и остаточные напряжения. Расчет кинетики кристаллизации полимера проводится на основе модифицированной модели Накамуры.

Для учета влияния ориентации жестких волокнистых наполнителей на усадочные процессы необходимо использовать модуль Fiber.

Рис. 16. Результаты расчета коробления. Деформации детали в направлении оси Z (деформации увеличены в 15 раз для наглядности)

Рис. 17. Результат расчета технологической усадки для выбранной пары узлов

Рис. 18. Результат расчета остаточных напряжений. Интенсивность термических остаточных напряжений по Мизесу

Рис. 19. Результат расчета деформаций для детали (слева), для фрагмента детали в центре) и контур для сечения, экспортированный в программу MS Excel в равнении с границами допуска (справа)

Cool

Модуль Cool используется для стационарного теплового 3D-расчета литьевой формы с заданной конструкцией системы нагрева-охлаждения, при котором процесс теплопереноса моделируется для средних значений температуры точек формы в литьевом цикле.

Подготовка модели литьевой формы для теплового расчета осуществляется в модуле Designer для блока формы заданного размера с учетом всех элементов конструкции формы, влияющих на теплоперенос.

Технологический режим охлаждения, задаваемый с помощью Мастера технологического режима, включает условия для контуров охлаждения (температуру и расход хладагента), метод параметры регулирования температуры нагревателей, а также время нахождения литьевой формы в раскрытом состоянии. Расчет может выполняться для заданного времени выдержки на охлаждение или с автоматическим определением продолжительности стадии выдержки на охлаждение.

Модуль Cool позволяет получить три вида графических результатов расчета: для литьевой формы, для контуров охлаждения и для отливки.

Для литьевой формы можно получить распределения температуры на модели блока формы и вставок формы для заданного сечения.

Результаты для контуров охлаждения включают:

- Эффективность охлаждения;

- Распределение температуры хладагента с учетом его разогрева при течении в охлаждающих контурах;

- Распределение числа Рейнольдса с учетом влияния повышения температуры хладагента в контурах на динамическую вязкость хладагента (при заданном расходе);

- Распределение давления хладагента в охлаждающих контурах (при заданном расходе).

Среди результатов для отливки:

- Время, необходимое для охлаждения отливки;

- Распределение расплавленной сердцевины, при ее наличии;

- Распределение относительной толщины застывших пристенных слоев полимерного материала;

- Распределение температуры отливки перед ее выталкиванием;

- Распределение максимальной (в направлении толщины) температуры отливки перед ее выталкиванием;

- Распределение среднеобъемной температуры отливки перед ее выталкиванием;

- Распределение разницы температур оформляющей полости со стороны пуансона и матрицы.

     Расчет в модуле Cool позволяет учесть влияние конструкции детали и литьевой формы, а также технологического режима нагрева-охлаждения формы на процесс литья, выявить и устранить причины неэффективного или неравномерного охлаждения детали, оптимизировать технологический режим нагрева-охлаждения литьевой формы для получения качественных деталей и сокращения литьевого цикла. Одной из задач расчета, решаемых с помощью модуля Cool, является определение требований к характеристикам термостата литьевой формы.

Рис. 20. Результаты расчета нагрева-охлаждения литьевой формы для блока формы. Температура блока формы для нескольких сечений

Рис. 21. Результаты расчета нагрева-охлаждения литьевой формы для блока формы. Температура блока формы для сечения

Рис. 22. Результаты расчета нагрева-охлаждения литьевой формы для контуров охлаждения. Температура хладагента в охлаждающих каналах

Рис. 23. Результаты расчета нагрева-охлаждения литьевой формы для отливки. Разница температур со стороны пунсона и матрицы

Transient Cool

     Модуль Transient Cool позволяет повысить точность моделирования тепловых процессов в литьевой форме, поскольку 3D-расчет нагрева-охлаждения формы выполняется в нестационарных условиях: с учетом изменения температуры точек формы в литьевом цикле.
     В дополнение к результатам стационарного расчета в модуле Transient Cool можно получить график изменения температуры формы от времени в нескольких последовательных циклах литья (используется для оценки эффективности нагрева-охлаждения и стабильности технологического процесса).
     К дополнительным возможностям модуля Transient Cool относится моделирование предварительного нагрева литьевой формы для сокращения времени подготовки к процессу литья.
     Интегрированная методика расчета предполагает полную синхронизацию данных о неравномерности нагрева-охлаждения литьевой формы, ее влияние на течение, уплотнение и охлаждение полимерного материала и напряженно-деформированное состояние отливки, что позволяет повысить точность расчета по сравнению с традиционной методологией последовательного расчета.
     Этот модуль позволяет также выполнить расчет процесса литья под давлением с вариотермическим термостатированием, при котором стадии заполнения формы и уплотнения отливки проводятся при более высокой температуре формы, чем стадия выдержки на охлаждение, что позволяет получить детали с улучшенным внешним видом (с повышенным блеском, при отсутствии следов спаев и пр.).

Рис. 24. Результаты расчета нагрева-охлаждения литьевой формы для отливки. Температура при окончании охлаждении отливки в форме (перед открытием формы)

Рис. 25. Результаты расчета нагрева-охлаждения литьевой формы для нестационарного процесса. Изменение средней температуры оформляющей поверхности формы в 2-х последовательных циклах литья (наблюдается нестабильность температуры формы)

MCM

Модуль МСМ (Multi-Component Molding) используется для 3D-моделирования литья под давлением с металлической и прочей арматурой (литье со вставками, литье на металлическое основание и пр.), а также для расчетов процессов двухкомпонентного (двухцветного) и многокомпонентного (многоцветного) литья под давлением, включая литье с закладными (предварительно отлитыми) полимерными деталями и литье с последовательным впрыском компонентов в одном литьевом цикле. Проведение расчетов не требует связанности сеток, что существенно сокращает время подготовки модели. Отливка может одновременно содержать арматуру или полимерные закладные элементы из различных материалов.

Дополнительные модули для Moldex3D eDesign

В дополнение к базовому комплекту Moldex3D eDesign предлагается ряд модулей, расширяющих возможности 3D-расчета и подготовки моделей: Studio, Fiber, Expert, Stress, Viscoelasticity, 3D Coolant CFD, AHR, Foam Injection Molding и PIM.

Studio

Новый пре-/постпроцессор Studio ленточного типа предназначен для подготовки модели и создания сетки для отливки и литьевой формы, задания условий расчета и вывода результатов моделирования по методу eDesign. Модуль Studio, объединяющий функции модулей Designer и Project, должен полностью заменить их в следующих версиях продукта. В настоящее время поставляется бета-версия модуля Studio.

Fiber

В модуле Fiber моделируются процессы разрушения, неравномерной концентрации и ориентации жестких волокнистых наполнителей, в том числе стеклянного или углеродного волокна, оказывающие очень большое влияние на внешний вид, механические свойства, усадку и коробление литьевых деталей.

Модуль Fiber позволяет смоделировать разрушение длинного и короткого волокна в материальном цилиндре литьевой машины при пластикации, в каналах литниковой системы и оформляющей полости литьевой формы, а также ориентацию длинного и короткого волокна на стадии заполнения под действием 3D-течения расплава полимерного материала в оформляющей полости.

При расчете разрушения волокна на стадии пластикации (загрузки) учитываются геометрические параметры шнека литьевой машины и технологический режим пластикации.

В результате расчета получают зависимость длины волокна от координаты вдоль шнека, в том числе длина волокна на выходе из сопла литьевой машины.

Результаты расчета для стадии заполнения включают:

- Распределение длины волокнистого наполнителя;

- Распределение концентрации наполнителя;

- Распределение степени ориентации волокна.

Модуль Fiber также дает возможность моделирования при литье под давлением неравномерной концентрации дисперсных наполнителей (минеральных и пр.), а также ориентации наполнителей и пигментов с частицами в форме чешуек или пластинок (слюды, алюминия и др.). Неравномерная ориентация последних является причиной ухудшения внешнего вида спаев в литьевых деталях.

Рис. 26. Результаты расчета разрушения длинного стекловолокна волокна на стадии пластикации. Зависимость средней длины волокна от координаты в направлении длины шнека

Рис. 27. Результаты расчета ориентации стекловолокна в детали из стеклонаполненного ПА6

Expert

Модуль Expert предназначен для решения задач оптимизации конструкции и технологического режима, в том числе с использованием метода планирования эксперимента (DOE):

     - Оптимизации мест впуска;
     - Оптимизации конструкции литьевой детали (толщин стенок, расположения ребер и пр.);
     - Оптимизации конструкции литниковой системы, системы нагрева –охлаждения литьевой формы и пр.
     - Оптимизации профилей скорости впрыска и давления выдержки с учетом особенностей литьевой машины.

Stress

Модуль Stress для Moldex3D eDesign позволяет выполнить 3D-расчеты технологического процесса термообработки (для одного или нескольких циклов термообработки) литьевой детали (требуется модуль Viscoelasticity), напряженно-деформированного состояния отлитой детали в целях прогнозирования ее поведения при эксплуатации (в условиях кратковременного нагружения) без учета или с учетом остаточных напряжений.

Viscoelasticity (VE)

     Модуль Viscoelasticity дает возможность учесть влияние вязкоупругости полимерного материала на формирование напряженного состояния детали в форме и после извлечения из формы (важно при расчете технологической усадки, коробления, остаточных напряжений, термообработки и в других случаях).
     При расчете для области затвердевания могут использоваться модели вязкоупругого поведения: модель Уайта-Метцнера, Фан-Тьен Таннера (PTT), Гиезекуса, Олдройда-В, K-BKZ и др. Для твердого тела применяется обобщенная модель Максвелла.

3D Coolant CFD

В модуле 3D Coolant CFD выполняется расчет нагрева-охлаждения литьевой форме с моделированием 3D-течения хладагента в каналах произвольной геометрии, в том числе при «конформном» охлаждении формы. Такой расчет позволяет оценить эффективность охлаждающих каналов нетрадиционной или сложной геометрии, выявить участки каналов с пониженной эффективностью и застойные зоны, что расширяет возможности конструктора литьевой формы.

Рис. 28. Модель участка традиционного охлаждающего канала (слева) и результат расчета трехмерного течения хладагента (справа). Скорость течения хладагента (низкая скорость течения хладагента соответствует застойной зоне)

Рис. 29. Модель системы охлаждения произвольной геометрией каналов (слева) и результат расчета трехмерного течения хладагента (справа). Скорость течения хладагента.

AHR

Модуль AHR (Advanced Hot Runner) предназначен для 3D-расчета процессов теплопереноса в соплах и распределителях горячеканальной литниковой системы литьевой формы, с учетом конструкции и мощности нагревателей, расположения датчиков температуры, наличия зазоров, метода регулирования температуры и прочих влияющих факторов.
Расчет в модуле AHR позволяет оценить влияние конструкции горячеканальной системы на неравномерность нагрева расплава полимерного материала в литниковых каналах, предотвратить его перегрев, а также повысить эффективность регулирования температуры в зоне впрыска.

Рис. 30. Модель блока литьевой формы с горячеканальной литниковой системой

Рис. 31. Модель литниковых каналов и электрических нагревательных элементов горячеканальной литниковой системы

Рис. 32. Результат расчета температуры в литниковых каналах горячеканальной литниковой системы. Неравномерность температуры вызывает перегрев полимерного материала

Foam Injection Molding

С помощью модуля Foam Injection Molding можно сделать расчет литья под давлением с физическим микровспениванием по технологии MuCell компании Trexel, а также литья под давлением с химическим вспениванием. В последнем варианте может применяться вспенивающая добавка (порофор) экзотермического или эндотермического типа. Технологии литья со вспениванием позволяет получить литьевые детали (в том числе с большой толщиной стенок) с пористой внутренней структурой для снижения веса и предотвращения утяжин.

Рис. 33. Результаты расчета литья с микровспениванием азотом по технологии MuCell для детали из полипропилена, содержащего длинное стекловолокно. Продвижение расплава (слева), размер пор (в центре) и количество пор (справа)

PIM

Модуль PIM (Powder Injection Molding) применяется для расчетов процессов изготовления заготовок в MIM-технологии (Metal Injection Molding) и инжекционном формовании керамики (Ceramic Injection Molding). В качестве сырья используются соответственно композиции металлических или керамических порошков с полимерным или органическим связующим, полученным на основе полиформальдегида (POM), смесей парафиновых восков с полиэтиленом и пр. Моделирование проводится с учетом явления миграции металлических или керамических частиц при заполнении формы, а также кажущегося скольжения формовочной массы относительно стенки формы.
С помощью модуля PIM можно спрогнозировать и предотвратить появление дефектов «зеленых» заготовок путем изменения конструкции или технологического режима формования.

Рис. 34. Результаты расчета неравномерной концентрации металлического порошка в детали, изготовленной по MIM-технологии (слева) и готовая отливка (справа)

Рис. 35. Результаты расчета коробления детали, изготовленной по MIM-технологии (слева) и готовые отливки (справа)

CCD

Модуль CCD (Cooling Channel Designer) автоматически создает модель системы «конформных» охлаждающих каналов, располагающихся на заданном расстоянии (эквидистантно) от сложных оформляющих поверхностей литьевой формы. Модуль выполняет автоматическое соединение каналов в контур. Полученная модель системы охлаждения экспортируется в модуль Designer.

Рис. 36. Модель «конформных» охлаждающих каналов, созданная в модуле CCD (слева) и модель системы охлаждения после экспорта в модуль Designer (справа)

Moldex3D Professional

Ряд Moldex3D Professional позволяет выполнять расчеты по методу eDesign (для автоматически построенной 3D-сетки) или по методу BLM (с использованием усовершенствованных BLM-сеток, содержащих до 5 граничных слоев призматических элементов), что позволяет повысить точность расчетов при уменьшении их длительности. Применение гексаэдрических сеток для каналов литниковой системы и системы охлаждения расширяет возможности при создании модели (в частности, можно быстро задавать различные типы соединений разводящих литниковых каналов, переходов к впускным литниковым каналам, а также соединений охлаждающих каналов).

Базовый комплект Moldex3D Professional Basic + Pack

Базовый комплект Moldex3D Professional Basic + Pack содержит модули Designer, Designer BLM, Project, Flow, Pack, и 4xPP. Основные функциональные возможности этих модулей рассмотрены выше. О модуле PP см. ниже в разделе «Параллельные вычисления».

Базовый комплект Moldex3D Professional

Базовый комплект Moldex3D Professional включает модули Designer, Designer BLM, Project, Flow, Pack, Warp, Cool, Transient Cool, 3D Coolant CFD, MCM и 8xPP. Основные функциональные возможности этих модулей рассмотрены выше. О модуле PP см. ниже в разделе «Параллельные вычисления».

Designer BLM

Модуль Designer BLM предназначен для подготовки 3D-сеток, используемых при расчете по методу BLM. BLM-сетка содержит заданной количество граничных слоев из призматических элементов, и внутренние слои из тетраэдрических элементов. Такие сетки более чувствительны к физическим явлениям, происходящим при литье термопластов под давлением (образование застывших пристенных слоев, диссипативное тепловыделение при течении расплава и пр.), что позволяет повысить точность расчета при уменьшении его длительности за счет уменьшении количества элементов в модели.
Модель литьевой детали может быть импортирована в Designer BLM в форматах STEP, STL или IGES (о других форматах см. ниже). Модель литниковой системы (холодноканальной, горячеканальной или комбинированной) с 3D-течением расплава полимерного материала можно создать автоматически или «вручную» в модуле Designer BLM. Ее также импортировать ее из CAD-систем. Густота сетки автоматически повышается в области впуска, внутренних углов, изменения вида и размеров поперечного сечения литниковых каналов, толщины детали и пр.
В дополнение к возможностям Designer (см. выше), модуль Designer BLM обеспечивает:

     - Использование для создания 3D-сеток комбинированных исходных моделей литниковых каналов, часть которых представлена твердотельной геометрией, а другая часть – линиями;
     - Создание BLM-сеток (содержат до 5 граничных слоев призматических элементов снаружи тетраэдрические элементы – внутри), позволяющих повысить точность 3D-расчета при снижении его длительности;
     - Создание гексаэдрических сеток для литниковых и охлаждающих каналов с возможностью задания типа соединения каналов;
     - Широкие возможности задание условий создания 3D-сеток, включая размеры элементов, относительную толщину граничных слоев и пр.;
     - Широкие возможности редактирования 3D-сеток в автоматическом, полуавтоматическом или «ручном» режимах.

Рис. 37. BLM-сетка на разрезе полимерной детали, литниковой системы и металлической арматуры (количество граничных слоев задается пользователем)

Рис. 38. Комбинированная модель литниковой системы (слева), полученная BLM-сетка (в центре), разрез BLM-сетки (справа)

Дополнительные модули для Moldex3D Professional

В дополнение к базовому комплекту Moldex3D Professional предлагается ряд модулей, расширяющих возможности 3D-расчета и подготовки моделей: Studio, Studio Advanced, Fiber, Expert, Stress, AHR, Viscoelasticity, Foam Injection Molding, PIM, In-Mold Decoration, Gas-Assisted Injection, Water-Assisted Injection, Co-Injection, Bi-Injection и CCD.
Модули Studio, Fiber, AHR, Viscoelasticity, Foam Injection Molding, PIM и CCD рассмотрены выше.

Studio Advanced

Новый пре-/постпроцессор Studio Advanced ленточного типа предназначен для подготовки модели и создания сетки для отливки и литьевой формы, задания условий расчета и вывода результатов моделирования по методу BLM. Модуль Studio Advanced, объединяющий функции модулей Designer BLM и Project, должен полностью заменить их в следующих версиях продукта. В настоящее время поставляется бета-версия модуля Studio Advanced.

Stress

     Модуль Stress для ряда Moldex3D Professional имеет дополнительные возможности по сравнению с аналогичным модулем для Moldex3D eDesign: расчет деформаций знаков и пуансонов, а также напряженно-деформированного состояния формообразующих деталей литьевой формы или арматуры под действием давления расплава в оформляющей полости. При расчетах учитывается влияние растекания расплава в оформляющей полости на деформации литьевой формы, и обратное влияние этих деформаций на растекание расплава (метод «Two-way FSI»).
     По результатам расчета можно принять меры (например, изменяя конструкцию литьевой формы) для предотвращения дефектов (недолив, разнотолщинность и др.), вызванных деформациями деталей литьевой формы или арматуры, и снижения ресурса работы формы из-за высоких напряжений.

Рис. 39. Готовое изделие (слева) и результат расчета деформаций металлической арматуры под действием давления расплава на стадии заполнения (справа)

Рис. 40. Готовое изделие (слева) и результат расчета деформаций знака под действием давления расплава на стадии заполнения (справа)

In-Mold Decoration

     Модуль In-Mold Decoration применяется для расчета технологического процесса декорирования литьевых деталей путем литья под давлением на пленку и другие подложки. Влияние пленки на 3D-процесс заполнения, уплотнения, охлаждения и напряженно-деформированное состояние отливки можно учесть без использования «больших сеток» даже для очень тонких подложек.
     При моделировании литья на пленку можно спрогнозировать и устранить проблемы этого технологического процесса (вымывание красочного слоя с пленки под действием потока расплава, коробление детали из-за неравномерного охлаждения, вызванного пленкой, и пр.) и определить технологическую усадку.

Рис. 41. Модель оформляющей полости с литниковой системой и пленкой

Рис. 42. Сравнение результатов эксперимента и расчета для литья с пленкой

Gas-Assisted Injection

     Технология литья с газом (обычно азотом) получила широкое распространение для изготовления крупногабаритных деталей, деталей большой толщины, а также деталей с большой разнотолщинностью. Модуль Gas-Assisted Injection может применяться для расчета различных вариантов этой технологии с подачей газа в расплав полимерного материала (через литниковую систему или непосредственно в полость), включая неполный впрыск, процесс с использование запирающейся прибыли и др.
     В этом модуле моделируется заполнение оформляющей полости полимерным расплавом и формирование застывших поверхностных слоев полимерного материала, вытеснение полимерного расплава из внутренних незастывших частей газом в незаполненную часть полости или прибыль, уплотнение полимерного материала за счет давления газа. Если подача газа осуществляется в оформляющую полость, одновременно с этим может проводиться обычная подпитка с использованием материального цилиндра литьевой машины.
     С помощью модуля Gas-Assisted Injection можно спрогнозировать и устранить дефекты детали и проблемы процесса (недоуплотнение, прорыв газа, попадание газа в тонкостенные участки, коробление и пр.), определить технологическую усадку, оптимизировать конструкцию литниковой системы, детали и газовых каналов (утолщений, по которым движется газ), места подачи газа, а также технологический режим впрыска, уплотнения и охлаждения полимерного материала, подачи газа с учетом особенностей газового компрессора.

Рис. 43. Разрез детали, полученной литьем с газом с использованием запирающейся прибыли (сверху), модель делали для литья с газом (в центре), результат расчета продвижения газа (снизу)

Рис. 44. Модель детали сканнера с литниковой системой и системой охлаждения формы для литья с газом

Рис. 45. Сравнение последовательных этапов заполнения при литье с газом в эксперименте и расчете для детали сканнера

Water-Assisted Injection

Расчет литья с водой в модуле Water-Assisted Injection позволяет смоделировать заполнение оформляющей полости полимерным расплавом с образование застывших поверхностных слоев полимерного материала, подачу воды в полимерный расплав, движение воды в полимерном расплаве, уплотнение и охлаждение полимерного расплава.

Co-Injection

Модуль Co-Injection предназначен для 3D-расчетов процессов сэндвич-литья, которые применяются для получения двухкомпонентных или двухцветных деталей на литьевых машинах, оснащенными двумя инжекционными узлами. С помощью этого модуля можно спрогнозировать и устранить проблемы технологического процесса (нежелательный выход на поверхность детали компонента сердцевины, недостаточную толщину оболочки, коробление и пр.) и определить технологическую усадку.

Рис. 46. Расчет стадии заполнения для детали телефонной гарнитуры, полученной по технологии сэндвич-литья (ТЭП + полипропилен)

Рис. 47. Расчет коробления детали телефонной гарнитуры, полученной по технологии сэндвич-литья (ТЭП + полипропилен)

Bi-Injection

В модуле Bi-Injection моделируются процесс двухкомпонентного или двухцветного литья, в котором впрыск компонентов выполняется через различные места впуска одновременно в одном литьевом цикле. Модуль позволяет спрогнозировать положение границы контакта компонентов, предотвратить проникновение компонентов в нежелательные области, сделать расчет технологической усадки, коробления, остаточных напряжений и пр.

Moldex3D Advanced

Ряд Moldex3D Advanced отличатся расширенными возможностями расчета литья под давлением, специальных технологий литья и других процессов переработки термопластов, реактопластов и резин. 3D-расчеты могут выполняться с использованием методов eDesign, BLM для сеток, подготовленных соответственно с помощью модулей Designer и Designer BLM (или Studio и Studio Advanced), а также произвольных 3D-сеток, подготовленных в модуле Mesh. Базовый комплекс Moldex3D Advanced включает возможность 12 потоков при параллельных расчетах (12xPP). О модуле PP см. ниже в разделе «Параллельные вычисления».

Mesh

Произвольные 3D-сетки из гексаэдральных, призматических, пирамидальных элементов, а также их комбинаций можно создать с помощью модуля Mesh. Для работы этого модуля необходим моделировщик Rhinoceros (лицензия поставляется в составе лицензии на Moldex3D Advanced).

Optics

Модуль Optics используется для расчета оптических характеристик полимерных деталей: показателя преломления, двойного лучепреломления и интерференционной картины. Результаты расчета могут экспортироваться в программу CODE V компании Synopsys Technology. Для расчетов в модуле Optics необходим модуль Viscoelasticity.

Injection Compression

В модуле Injection Compression моделируется технологический процесс инжекционно-компрессионного формования (литья с подпрессовкой), в котором подпрессовка в заданной области может осуществляться на стадиях заполнения, уплотнения или охлаждения отливки в форме.

Compression Molding

Расчет технологического процесса прессования термопластов, реактопластов и резин можно выполнить с помощью модуля Compression Molding.

Resin Transfer Molding

Расчет процессов изготовления композитов по технологии пропитки под давлением и вакуумной инфузии выполняется с помощью модуля Resin Transfer Molding (RTM).

Базы данных

     Основная база данных по полимерным материалам, поставляемая в составе продуктов Moldex3D, содержит более 7000 марок материалов. Эта база данных включает свыше 20 марок материалов Армлен и Армамид компании Полипластик (Москва).
     Дополнительная база данных, содержащая более 200 отечественных полимерных материалов, поставляется АО «СиСофт».
     Пользователь может просматривать характеристик материалов, сортируя их по химическим типам или по изготовителям, проводить сравнение данных для разных материалов.
     Продукты Moldex3D включают базы данных по литьевым машинам, металлическим материалам (литьевых форм и арматуры).
Пользователь имеет возможность создавать и редактировать собственные базы данных.

Рис.48. Интерфейс базы данных Moldex3D по материалам

Рис. 49. База данных Moldex3D по материалам. Сортировка материалов по химическим типам (слева) и по изготовителям (справа)

Рис. 50. База данных Moldex3D по материалам. Графическое сравнение вязкости для двух марок термопластичных материалов

Параллельные вычисления

В продуктах Moldex3D используется технология параллельных вычислений, позволяющая значительно уменьшить время решения задач, что особенно важно для 3D-расчетов. Базовые комплекты Moldex3D eDesign и Moldex3D Professional Basic обеспечивают максимум 4 потока параллельных вычислений (4хPP), комплект Moldex3D Professional - 8 потоков (8хPP), а Moldex3D Advanced - 12 потоков (12хPP). Количество потоков можно увеличить с помощью дополнительных модулей PP.

Интеграция и обмен данными с системами CAD и системами инженерных расчетов

eDesignSYNC

С помощью модуля eDesignSYNC продукты рядов Moldex3D eDesign и Moldex3D Professional можно интегрировать в CAD-системы NX, SOLIDWORKS и Creo Parametric. Соответствующие интерфейсы позволяют подготовить и запустить расчеты, а также просмотреть результаты непосредственно в системе CAD.

Импорт моделей

Во всех базовых комплектах Moldex3D можно импортировать модели литьевой детали в форматах STEP, STL и IGES. Расширенные возможности импорта моделей обеспечивают дополнительные интерфейсы Parasolid, NX, CATIA V5, Creo Parametric и JT (требуется модуль CADdoctor).

FEA Interface

Модуль FEA Interface позволяет экспортировать результаты расчета (в том числе с наложением на заданную сетку) в системы MSC Marc, MSC Nastran, NX Nastran, ABAQUS, ANSYS, ANSYS Workbench, LS-DYNA, и OptiStruct. Экспортируемые результаты для отлитой детали включают термические и ориентационные остаточные напряжения, деформированную из-за усадки и коробления сетку, температуру при окончании стадий уплотнения и охлаждения в форме, плотность, положение спаев и данные о снижении прочности спаев. Можно учитывать влияние ориентации жестких волокнистых наполнителей (стекловолокна, углеродного волокна и др.) на анизотропию. Для блока формы можно экспортировать зависящие от времени распределения давления на формообразующей поверхности, а также температуры в блоке формы.

Рис. 51. Рассчитанная в Moldex3D температура блока литьевой формы из модуля Cool (слева) и результат экспорта данных по температуре формы в ANSYS (справа)

Micromechanics Interface

Этот модуль позволяет экспортировать результаты расчета для композитов из модуля Fiber в продукты Digimat компании e-Xstream Engineering (MSC Software Company) и Converse компании PART Engineering, а также характеристик пористой структуры из модуля Foam Injection Molding в продукты Digimat. Экспортируемые данные содержат информацию по положению спаев и снижению прочности спаев, ориентации жестких волокнистых наполнителей (стекловолокна, углеродного волокна и др.), ориентационным остаточным напряжениям, температуре и пр.

Moldex3D Digimat RP

Модуль Moldex3D Digimat RP имеет расширенные возможности по подготовке данных о структуре и механических свойствах полимерных композиционных материалов, содержащих волокнистые наполнители для нелинейных расчетов в CAE-системах (MSC Marc, MSC Nastran, NX Nastran, ABAQUS, ANSYS, ANSYS Workbench, LS-DYNA, Radioss и OptiStruct. С помощью модуля Moldex3D Digimat RP можно учесть влияние технологического процесса литья под давлением на ориентацию жестких волокнистых наполнителей в литьевой детали (по результатам расчета в Fiber) и влияние этой ориентации на механические свойства материала детали. Модуль содержит сокращенную базу данных Digimat по моделям механического поведения полимерных материалов, а также характеристикам термопластов и реактопластов с волокнистыми наполнителями. Модуль Moldex3D Digimat RP является совместной разработкой компании CoreTech System и e-Xstream Engineering (MSC Software Company).

Рис. 52. Пользовательский интерфейс модуля Moldex3D Digimat RP с рабочей моделью для дальнейших CAE-расчетов (в левой части), результатом расчета ориентации волокна в модуле Fiber (в правой части), характеристиками материала из базы данных Digimat (в центральной части)

Новое в версии Moldex3D R15

     - Новый модуль In-Mold Decoration (метод BLM) для расчета технологии литья под давлением на пленку и другие подложки.
     - Модуль Foam Injection Molding (методы eDesign и BLM) объединяет методы расчета литья под давлением со вспениванием: физическим микровспениванием по технологии MuCell (компании Trexel), а также литья под давлением с химическим вспениванием при использовании вспенивающих добавок – порофоров.
     - Новые пре-/постпроцессоры (бета-версия) Studio (метод eDesign) и Studio Advanced (метод BLM) для подготовки модели, создания сетки, задания условий расчета, вывода результатов и пр.
     - В модуле Designer BLM добавлена возможность использования для создания 3D-сеток комбинированных исходных моделей литниковых каналов, часть которых представлена твердотельной геометрией, а другая часть - линиями.
     - В методе BLM добавлены гексаэдрические сетки для каналов литниковой системы и системы охлаждения, расширяющие возможности при создании модели: можно задавать различные типы соединений разводящих литниковых каналов, переходов к впускным литниковым каналам, а также соединений охлаждающих каналов.
     - Для методов eDesign и BLM расширены возможности по использованию несвязанных сеток при расчетах литья с металлической и др. арматурой, двухкомпонентного литья и пр., что позволяет значительно уменьшить время подготовки сетки (рисунок).
     - В модулях Designer и Designer BLM добавлено задание положения воздухоотводов путем выбора линии.
     - В модуле Designer BLM добавлена возможность выбора области для функции удаления фасок.
     - Новый метод полной синхронизации данных при расчете в модулях Flow, Pack, Cool (Transient Cool), Warp (вместо последовательного обмена данными), позволяющий повысить точность учета влияния неравномерного охлаждения на заполнение, уплотнение, технологическую усадку, коробление и остаточные напряжения.
     - В модуле Flow добавлено задание последовательности включения и отключения запирающихся впусков по положению шнека, что расширяет возможности моделирования «каскадного» литья.
     - Для методов eDesign и BLM в результаты, получаемые по умолчанию, добавлены зависимости от координаты в направлении толщины (для линейной скорости, температуры, скорости сдвига, напряжений сдвига, вязкости, остаточных напряжений и пр. характеристик) в том числе с возможностью вывода на одной диаграмме зависимостей для разных областей отливки, а также разных характеристик.
     - Учет движения запорного клапана на процесс литья для запирающихся сопел в горячеканальных литниковых системах.
     - В модуле Flow для результатов расчета по методу трассировки частиц добавлена возможность проверки вклада запирающихся впусков.
     - В результаты двухкомпонентного литья в модуле MCM добавлена зона подплавления первого компонента при впрыске второго компонента с учетом максимальной температуры в течение всей стадии впрыска второго компонента (используется для оценки адгезии компонентов).
     - При использовании модулей MCM и Fiber добавлена возможность учета влияния ориентации волокнистого наполнителя на анизотропию механических свойств и усадочные процессы для последовательного двухкомпонентного литья.
- В модуле Injection Compression при моделировании инжекционного формования (литья с подпрессовкой) добавлено задание момента переключения на подпрессовку по объему впрыска.
     - В модуле Project добавлена возможность увеличения размеров рабочего окна базы данных по материалам.
     - Расширена база данных по литьевым машинам: добавлено оборудование компаний JON WAI MACHINERY и KraussMaffei.
     - Добавлены контроллеры литьевых машин Engel и TOSHIBA для задания технологического режима с использованием виртуальной системы управления.
     - Добавлена возможность одновременного управления несколькими расчетными заданиями.
     - Расширены возможности диагностики при параллельных расчетах и расчетах на удаленном компьютере;
     - Расширена база данных по материалам.
     - Другие улучшения.

Рис. 53. Использование несвязанной сетки при расчетах для деталей с металлической арматурой

Структура предложения для 3D-расчетов в Moldex3D R15

Литература

     1. CoreTech Systems Co. Ltd. www.moldex3d.com. 2017.
      2. What’s new in R15.0. CoreTech Systems Co. Ltd., 2017. 72 p.
      3. Moldex3D R15.0. Release note. CoreTech Systems Co. Ltd., 2017. 8 p.
     4. Барвинский И.А. Подготовка, проведение и анализ результатов расчета процесса литья термопластов под давлением в Moldex3D R15. III Международная конференция «ИДЕИ. ДИЗАЙН. ИЗДЕЛИЯ». Москва. 21 июня 2017 г. Препринт.


			Copyright (C) Барвинский И.А., Барвинская И.Е., 2000-2021 Перепечатка публикаций сайта допускается только с разрешения авторов