شبيه‌سازي 3D براي قالب‌هاي تزريق لاستيكي و پلاستيكي، ابزاري جديد براي بهينه‌سازي فرايند

 در طول پيشرفت و توسعه تركيبات لاستيك به‌دست آمده از قالب‌هاي تزريقي، از ابزار شبيه‌سازي به‌منظور پيش‌بيني پرشدن قالب، پخت و به‌دنبال آن فرايند خنك‌كاري مواد لاستيكي استفاده مي‌شود.
برنامه‌هاي مرسوم، نمايشگرهاي هندسي را به‌كار مي‌گيرند كه سطحي از وسط صفحه قطعه واقعي را توصيف مي‌كنند. به اين كدهاي شبيه‌سازي، معمولاً 2D/ گفته مي‌شود. اين تكنيك براي قطعات داراي نسبت سطح به حجم بالا، توسعه داده شده بود. اين توصيف هندسي براي قطعات حجيم مي‌تواند اثري منفي بر كيفيت نتايج باقي بگذارد. اين برنامه‌ها، اثرات سه‌بعدي نظير جريان سيال را نمي‌توانند محاسبه كنند. زيرا در آنها جريانات موازي با ديواره مدنظر گرفته مي‌شوند. شكل 1، قسمت‌هايي از يك قطعه را نشان مي‌دهد كه پديده جريان سه‌بعدي نقش مهمي در آنها ايفا مي‌كند.
در دسترس قرار گرفتن سيستم‌هاي 3D CAD در سال‌هاي اخير، مشوقي در زمينه توسعه برنامه‌هاي شبيه‌سازي 3D براي قالب‌هاي تزريق مواد پلاستيكي و لاستيكي بوده است.

شكل 1: مناطقي از يك قطعه كه پديده جريان 3D در آنها وجود داشته و توسط برنامه­هاي 2D/ قابل توضيح نيستند.

شبيه‌سازي 3D فرايندهاي پر كردن

1. شبيه‌سازي فرايندهاي قالب
بيش از يك دهه است كه براي شبيه‌سازي فرايندهاي قالب، از كدهاي شبيه‌سازي 3D، استفاده شده است.

بيشتر اجزاي قالب مانند سرسيلندرها، هندسه‌اي سه‌بعدي دارند كه نمي‌توان آنها را بامدل‌هاي صفحه‌ايي تشريح كرد.

كمپاني Magmasoft نوعي نرم‌افزار سه‌بعدي را طراحي كرده است كه مي‌تواند پرشدن، خنك‌‌كاري، جامدشدن و نحوه توزيع در قالب‌هاي فلزي را آناليز و بهينه‌سازي كند. طي سال‌هاي اخير مدل‌هاي جديدي براي پيش‌بيني جريان سيالات غيرنيوتني، توسعه داده شده‌اند. با اين راه‌حل‌ها، امروزه شبيه‌سازي رفتارهاي جريان در كناره‌ها براي لاستيك‌ها و پلاستيك‌ها امكان‌پذير شده است.

2. مقايسه روش 2D/ و 3D

شكل‌هاي 2 و 3 مقايسه‌اي مستقيم بين تكنيك‌هاي شبيه‌سازي اين دو روش را نشان مي‌دهد اثر گرمايي در اتصالات ريب‌ها كه باعث بروز «سنك مارك» مي‌شود در2D/ ناديده گرفته مي‌شود.

شكل 2(a/b ): شبيه­سازي با روش 2D

شكل 3(c/d): شبيه­سازي با روش 3D

IKV مؤسسه‌اي فعال در زمينه پلاستيكي، براي مقايسه2D/ و 3D، روش 3D جريان را در هندسه‌هاي بحراني با استفاده از مانيتورينگ سريع، آناليز كرده است، شكل 4، زمان پرشدن بر حسب جريان، در سطح يك قطعه براي هر دو روش شبيه‌سازي مقايسه شده است.

زماني كه پلاستيك به داخل «كويته» تزريق مي‌شود، فوران سيال رخ مي‌دهد كه اين اثر، تنها از طريق روش سه‌بعدي با كد Magmasoft قابل‌بررسي است.

شكل 4: نتايج تجربي بررسي جريان در سطح قطعه توسط هر دو روش 3D و 2D اثرات فوراني تنها توسط مدل‌هاي 3D قابل آناليز هستند.

Sigmasoft ابزار شبيه‌سازي جديد با عناصر حجمي

مزاياي شبيه‌سازي روش سه‌بعدي، باعث تأسيس Sigma Engineering GMLH شده است. هدف Sigma رشد و توزيع نرم‌افزار شبيه‌سازي 3D براي بهينه‌سازي قالب‌هاي تزريقي پلاستيك و لاستيك است.

Sigmasoft مبتني‌بر Magmasoft بوده و بيش از يك دهه براي كاربردهاي صنعتي به‌كار گرفته شده است.

الف- ورودي ابعاد هندسي و مشبك‌سازي قطعه

Sigmasoft مي‌تواند هر نوع مدل جامد سه بعدي توليد شده توسط نرم‌افزارهاي CAD نظير Pro/Engineer ، Unigraphics، Catia و غيره را به‌عنوان ورودي بپذيرد. راهگاه‌ها نيز در Sigmasoft مدل‌سازي شده و به هندسه قطعه اضافه مي‌شوند. «مش‌بندي» به‌طور كاملاً خودكار انجام شده و تنها چند ثانيه زمان مي‌برد. اين مش‌بندي شامل قطعه و قالب با تمام كانال‌هاي حرارتي مي‌شود.

ب- جريان در 3D

براي حل پديده جريان سيال، Sigmasoft از معادله Navier – Stoks استفاده مي‌كند. در اين روش، اثرات سينتيكي نظير فوران سيال نيز درنظر گرفته مي‌شوند. شكل 5 رفتار پر شدن را بر پايه هندسه شيارها نشان مي‌دهد. جريان اصلي تا پشت اولين شيار جريان مي‌يابد تا زماني‌كه فشار ثانويه اعمال شود. سپس شيار شروع به پرشدن مي‌كند. ديگر شيارها نيز به‌همين‌ترتيب پر مي‌شوند. در همين شكل، يك نماي نزديك، سرعت نامتقارن جريان را در انتهاي شيار نشان مي‌دهد.

شكل 5: اثرات جريان 3D در يك شيار

شبيه‌سازي مراحل پركردن و پخت در قطعات پلاستيكي

قطعات لاستيكي، اغلب هندسه‌اي با ديواره‌هاي ضخيم دارند. قطعه نشان داده شده در شكل 6، داراي ضخامت ديواره‌اي بين 1 تا 20 ميلي‌متر است. شبيه‌سازي سه‌بعدي تنها راهي است كه به‌طوري مناسب جريان سيال و پديده حرارتي اين قطعات را پيش‌بيني مي‌كند. براي اين قطعه، مكان‌هاي گيت مختلفي آناليز شده است. مكان گيت اصلي باعث به تله‌افتادن هوا در بخش‌هاي ديواره ضخيم آن مي‌شد. بخش‌هاي A و B شكل 7 را ببينيد. بخش‌هاي C و D شكل 7، جرياني را نشان مي‌دهند كه از گيتي ديگر استفاده كرده است. در هر دو مورد، حركت سطحي آزاد و گراديانت حرارتي بالا بر ضخامت ديواره، قابل‌مشاهده است. سيگماسافت، دما، سرعت، فشار و سرعت پخت را به‌عنوان تابعي از زمان محاسبه مي‌كند.

شكل 6: قطعه‌اي لاستيكي با ضخامت ديواره بين 1 و 20 ميلي‌متر

شكل 7

الف- تأييد نتايج

نتايج حاصله با همكاري شركت‌هاي مختلف نظير Phoenix، Bosch و BTR تأييد و صحه‌گذاري شده‌اند. بخش‌هاي A و C شكل 8 مقايسه‌اي مستقيم بين قطعه شبيه‌سازي شده و قطعه واقعي در مراحل مختلفي از پر شدن را براي يك قطعه آب‌بندي، نشان مي‌دهند. بخش‌هاي A و B شكل 9 همان قطعه را با مكان گيت اصلاح شده، نشان مي‌دهند. هر دو مورد، شبيه‌سازي انجام شده با نتايج تجربي، همخواني دارند.

شكل 8: مقايسه بين نتايج تجربي و شبيه‌سازي براي يك قطعه آببندي لاستيكي

شكل 9: مقايسه نتايج تجربي و شبيه‌سازي براي يك قطعه آببندي لاستيكي همراه با اصلاح گيت

گرچه به‌نظر مي‌رسد كه اين هندسه با روش متداول 2D/ مطابقت دارد، اما نگاهي نزديك‌تر به نتايج، نياز به روش حجمي سه بعدي را تأييد مي‌كند. شكل 10 نمايي نزديك از شبيه‌سازي نشان داده شده در شكل 9 را نمايش مي‌دهد.

شكل 10: اثرات فوران در قطعه آببندي نشان داده شده شكل 9 كه ممكن است باعث به تله‌افتادن هوا شوند

شكل 11 و 12: مقايسه مستقيم بين نتايج تجربي و شبيه‌سازي

ب- قطعات داراي ملحقات فلزي

شكل 13، داده‌هاي pro/ Engineer Cad يك سيستم ارتعاشي را نشان مي‌دهد كه شامل قطعات الحاقي متعددي است. در پردازشگر Sigmasoft خصوصيات فيزيكي – گرمايي مواد مختلفي كه درگير هستند، تعريف مي‌شوند. قطعات اتصالي آلومينيمي در مقايسه با قطعات استيل، هدايت حرارتي متفاوتي دارند. با استفاده از سيستم «مش‌بندي» تمام اتوماتيك، شبيه‌سازي مي‌تواند طي چند دقيقه شروع شود. شكل 13، نمايي از مراحل پر شدن قالب و توزيع محلي جريان را نشان مي‌دهد.

شكل 13

پ- توزيع دمايي در قالب

شكل 14، برشي عرضي از يك قالب حرارت داده شده را نمايش مي‌دهد. ترامه‌ها، توزيع دمايي غيريكنواخت را در قالب نشان مي‌دهند. قطعاتي كه به كانال‌هاي حرارتي نزديك‌ترند، داغ‌ترند و مجدداً رفتار پخت موضعي را تحت‌تأثير قرار مي‌دهد. استفاده از عملكرد چندسيكلي در Sigmasoft، دماي واقعي قالب پس از يك مدت توليدي مشخص مي‌تواند آناليزه شده و زمان‌هاي دوره‌اي بهينه‌سازي شود.

شكل 14: توزيع دمايي موضعي در يك قالب كه اثرات كانال‌هاي حرارتي بر روي آن قابل مشاهده است

ت- برقراري تعادل در سيستم‌هاي راهگاه‌ها

Sigmasoft اثرات پراكندگي موضعي را نيز درنظر مي‌گيرد. اين اثرات موضعي توجيهي براي اين نكته‌اند كه راهگاه‌هاي جانبي، طي پرشدن غيرمتقارن در قالب‌هاي چند كويته‌اي، سريعتر پر خواهند شد، حتي اگر سيستم راهگاه متقارن به‌نظر آيد. شكل 15 يك سيستم راهگاه را از نزديك نشان مي‌دهد. زماني‌كه لاستيك به محل اتصال مي‌رسد، سرعت برشي موضعي در سطح، بالاترين حد خود را دارد. در نتيجه راهگاه‌هاي جانبي سريعتر پر خواهند شد. نمونه‌اي زنده توسط Hanse Technology GmbH تهيه شده است كه قسمتي از phoenix آلمان براي صحه‌گذاري نتايج شبيه‌سازي است. (شكل 16 را ببينيد). در Sigmasoft يك سطح آدياباتيك براي بررسي صفحات متقارن به‌كار برده شده است. قالب واقعي، 16 كويته دارد كه در مدل، تنها 4 كويته نشان داده شده‌اند. به‌علت اثرات ياد شده فوق، الگوي پر شدن متقارن نيست. كويته بالا سمت راست، قبل از ديگر كويته‌ها پر مي‌شود. اين امر به‌روشني در توزيع فشار، قابل‌مشاهده است. به‌محض اتمام پر شدن اين كويته، فشار افزايش مي‌يابد. اين نتيجه، توسط Phoenix نيز تصديق شده است.

شكل 15: موازنه سيستم‌هاي راهگاه‌ها، پر شدن نامتقارن

شكل 16

ث- فشار هوا در كويته

Sigmasoft امكان محاسبه فشار هواي درون كويته را در پردازشگر فراهم ساخته است. شكل 17 نمايي از قطعه‌اي را نشان مي‌دهد كه با استفاده از گزينه خروج هوا پر شده است. تصوير X-Ray مناطقي را نشان مي‌دهد كه فشار به يك ماكزيمم طي پرشدن كويته مي‌رسد. اين نواحي مستعد به تله‌انداختن هوا هستند.

شكل 17: فشار هواي حداكثري در كويته، مناطقي را مشخص مي‌سازد كه براي به تله‌افتادن هوا محتمل‌تر هستند

خلاصه
نتايج اوليه شبيه‌سازي 3D جريان، مزاياي روش شبيه‌سازي 3D جديد را نشان داده است كه عبارتنداز:
- هيچ‌گونه هزينه اضافي براي تهيه مدل در بخش‌هاي ديواره‌اي ضخيم در برندارد
- پديده 3D جريان سيال با استفاده از روش صحيح فيزيكي محاسبه مي‌شود
- محاسبات كاملاً به‌هم پيوسته جريان سيال و دمايي براي قطعه و قالب، امكان‌پذير است
- برقراري تعادل در سيستم‌هاي راهگاه‌ها موردتأييد است
- فشار هوا به‌عنوان تابعي از شرايط خروج آن محاسبه مي‌شود
- كانال‌هاي حرارتي، مدل‌سازي مي‌شوند
- تفاوت‌ها در دماهاي موضعي قالب بر شرايط پخت و جريان موضعي اثر مي‌گذارد
- ضريب «اسكورچ» و سرعت پخت براي قطعات با ديواره‌هاي ضخيم، قابل محاسبه است
- خواص مواد قطعات الحاقط قالب در نظر گرفته مي‌شود
مدل‌هاي 2D/ گرچه كاربردهايي در صنعت پيدا كرده‌اند، اما محدوديت ذاتي اين روش به روشني نشان داده شده است. لذا بدون استفاده از يك مدل 3D واقعي، نتايج حاصله رضايت‌بخش نخواهد بود. اين روش به اجبار شرايط طي سال‌ها در صنعت قالبسازي توسعه داده شده و به‌كار گرفته مي‌شد. بر مبناي تجربيات به‌دست آمده Sigmasoft توانايي ارزيابي اثرات تغييرات طرح و پارامترهاي فرايند در 3D را به طراح و سازنده ارائه مي‌دهد.
اگر واقعيات موردنظر در روش 3D ديده مي‌شود، پاسخ را نيز بايد در خود آن جست‌وجو كرد.

منابع:

1. Bogensperger, H.; Durchblick – Erfahrungen mit Spritzgieك-Simula-tionen. Kunststoffe 85 (1995) 1, S. 44 ff.

2. Filz, P.F., Genoske, H.; Simulieren statt Probieren. Kunststoffe 88 (1998), S. 954 ff.

3. Michaeli, W., Findeisen, H., Gossel, T., Klein, T.; 2,5D und 3D im Vergleich – Spritzgieكsimulation auf dem Prüfstand. Kunststoffe 87 (1997), S. 462 ff.

4. Michaeli, W., Zachert, J.; Simulation and Analysis of Three-Dimensional Polymer Flow in Injection Molding. SPE-AN-TEC, Toronto/Canada 1997.

5. Altmann, O., Wirth, H. J.; 3D-CAE-Rheologie über 3D-CAD-Volumen-Modelle. Kunststoffe 87 (1997) 11, S. 1670 ff.

6. Van der Lelij, A.; J. 3D ist genauer als 2D. Kunststoffe 87 (1997) 1, S. 51 ff.
7. Kallien, L. H., Smith, R.L.; Optimierung eines Druckgieكteiles durch nume-rische Simulation der Formfüllung und der Erstarrung, Gieكerei Erfahrungsaustausch (1994) 7.
8. Flender, E., Kallien, L., Hepp, E.; H. New developments for process modeling of the thixotropic forming process. Mangnesium Konfe-renz der Deutschen Gesellschaft für Metallkunde, Wolfsburg 1998.
9. Lipinski D. M., Flender, E.; Numerical simulation of fluid flow and heat transfer phenomena for semi- solid processing of complex castings, 5th International of Alloys and Composites, Golden, USA, 1998.
10. Lothar H. Kallien; 3D Simulation fro Rubber Injection Moulding, Sigma Engineering GmbH, Germany.

نويسنده : فهيمه زارع، سميه عبدي