Vyu�itie programu CAE a optimaliz�cia vstrekovania termoplastov, Lubom�r Zeman, �as� 2.

Virtuální a reálná optimalizace procesu vst�ikování

Snaha pln� popsat – geometricky, fyzikáln� – výst�ik a odhalit mo�né vady a provozní problémy ji� b�hem p�edvýrobních etap – v procesu návrhu – vede k pot�eb� pou�ívat softwarové nástroje, které krom� získání informací z oblasti geometrie výst�iku, výpo�t� a simulací výrobního procesu, umo�ní zkrácení zavád�ní výst�iku do sériové výroby, zaru�í minimalizaci náklad�, optimalizaci výrobního procesu a dodr�ení po�adovaných kvalitativních parametr� výst�ik�.

Dá se �íci, �e vyu�ití r�zných program� typu CAD,CAE,CAM je ji�, zejména v oblasti výroby výst�ik� z termoplast� pro automobilový pr�mysl, standardem. T�išt�m celého návrhového procesu je zejména samotný 3D model výst�iku a z n�ho vycházející vst�ikovací forma. 3D model výst�iku, p�edevším popis jeho geometrie, jako prakticky jediný podklad, vstupuje v podstat� do všech etap celého �ivotního cyklu výst�iku. Slou�í nejen ke geometrické presentaci budoucího výst�iku, ale jeho data se pou�ijí, nap�íklad, k pevnostním výpo�t�m, k simula�ním a optimaliza�ním výpo�t�m, k výrob� díl� technologiemi Rapid Prototyping, k programování výroby obráb�cích elektrod, k programování t�ískového obráb�ní tvarových díl� vst�ikovacích forem, k tvorb� m��ících program�, atd.

Porovnání náklad� p�i zm�nách v etapách p�ípravy výroby a p�i zm�nách ve výrobních etapách

Po vytvo�ení 3D modelu, který, znovu opakuji, má být zkonstruován na základ� poznatk� vycházejících ze zásad technologi�nosti konstrukce výst�ik� z termoplast�, p�ichází na �adu Virtual Prototyping, jeho� definice je tato – je to po�íta�ová simulace technického problému daného dílu ve virtuálním prostoru, p�i�em� stupe� funk�ního chování prototypu je srovnatelný s odpovídajícím fyzickým modelem dílu. Virtuálním prototypováním lze zredukovat po�et fyzických model� nebo i zcela vylou�it jejich pou�ití.

V oboru vst�ikování termoplast� má tento p�ístup nezastupitelnou funkci, proto�e m��e, p�i správném provedení, uspo�it pom�rn� zna�né náklady na konstrukci a výrobu prototypové vst�ikovací formy nebo na výrobu díl� n�kterou z metod Rapid Prototypingu.   

3D model výst�iku

Navr�ený 3D model výst�iku (m��e být i vypracován metodami reversního in�enýrství, v p�ípad�, �e není k dispozici jeho po�íta�ový návrh, ale existuje reálný díl) není pouze geometrická kopie reálného výst�iku. V pojetí Virtual Prototypingu se m��e jednat o model geometrický, model matematický – popsaný diferenciálními rovnicemi, model výpo�tový – pro numerická �ešení, model technologický – ov��ující technologické postupy, zejména obráb�ní, model komplexn� popisující navrhovaný výst�ik – popis geometrie, hmotové vlastnosti, materiál, barva, atd. Základním a nej�ast�ji pou�ívaným po�átkem všech prací ve virtuálním prostoru jsou modely popisující prostorovou geometrii budoucího výst�iku.

Ka�dý model vzniká v n�jakém prost�edí, v prost�edí n�jakého programu, kdy daný software ur�uje jak bude 3D model sestaven a presentován. Geometrický model slou�í jako vstupní data pro další in�enýrské aplikace systému CAD-CAE-CAM. Zde vystupuje problematika p�enosu dat pomocí r�zných formát� – IGES , STL , SAT,  PARASOLID , STEP, atd.

V zásad� existují dva zp�soby modelování a to v závislosti na modelovacím jádru pou�itém v daném modelovacím programu – modelování objemové a modelování plošné, respektive nej�ast�ji se v jednom CAD systému oba p�ístupy spojují a kombinují, potom se jedná o hybridní modelování. Modelovací jádra, ve své podstat�, lze rozd�lit na t�i základní typy:

- ACIS – pou�ívá nap�íklad Autodesk, Dassault Systéme – jedná se o geometrickou representaci s otev�enou, objektov� orientovanou architekturou, která umo��uje hybridní modelování

-PARASOLID – pou�ívá nap�íklad Pro/Engineer , SolidEdge, Visi CAD – objemové jádro s mo�ností modelování ploch

-jádra vyvíjená výrobci 3D systém� – nap�íklad VariCAD, jádro Antares – a další

3D model umo��uje p�ímou vizualizaci a optické ov��ení návrhu pomocí fotorealistického zobrazení modelu s vyu�itím renderovacích nástroj� (rendering = tvorba reálného obrazu na základ� po�íta�ového modelu) p�ímo v daném modelá�i nebo v samostatném programu. Krom� fyzikálních vlastností modelu, nap�íklad objem, plocha povrchu m��e si konstruktér vytvá�et svoji knihovnu opakujících se díl� a tvar� s r�znými hodnotami rozm�r�, má k dispozici knihovny normalizovaných díl�. Dále má mo�nost hodnotit p�ípadné kolizní stavy jak ve vlastním 3D modelu, tak i v sestav� s ostatními díly, co� umo��uje odhalit ji� ve fázi návrhu ve virtuálním sv�t� mo�né problémy p�i výrob� reálných výst�ik� a jejich sestav.

Samoz�ejmostí je z 3D modelu generování výkresové 2D dokumentace. U parametrických modelá�� je výhodou propojení 2D a 3D náhled�, p�i�em� zm�ny provedené na 3D modelu výst�iku se automaticky promítnou do 2D výkresu a ten je v�dy aktuální ve vztahu ke zm�nám provedeným na 3D modelu. Systémy umo��ují i paralelní konstruování – práci více konstruktér� s modelem. Práce m��e probíhat v rámci lokální sít� nebo po internetu p�es zabezpe�ené projení.

S postupujícím vývojem CAD systém� se otev�ely mo�nosti vyu�ití i oblastí numerické matematiky, jmenovit� metody kone�ných prvk� – MKP (FEM – Finite Element Method). Výhodou t�chto implementací systém� MKP do systém� CAD je, �e p�íslušný konstruktér pracující s  konkrétním CAD programem nemusí mít nijak hluboké znalosti a zkušenosti v oblasti in�enýrských výpo�t� metodou MKP. Tyto MKP - CAD programy umo��ují jednoduchý import geometrie výst�iku, jednoduché zadávání okrajových podmínek a zatí�ení, automatické generování sít� kone�ných prvk�, v�etn� jejího zjem�ování a p�echodu mezi tvary sít� (objemové elementy typu – �ty�st�n, šestist�n, jehlan, prizmatický hranol, atd.).   

Standardní moduly CAD – CAM program�

Po uvedení do souvislostí problematiky návrhu 3D modelu výst�iku si p�ipomeneme, dnes obvyklé, moduly CAD/CAM program� pou�ívaných v oboru vst�ikování termoplast�. 

Jako první musíme uvést 3D modelá� s p�íslušným hybridním modelováním a matematickým jádrem, v�etn� širokého rozhraní – Parasolid, IGES, CATIA v5,Pro -E,STEP, Solid Works, Solid Edge, ACIS, DXF, DWG, STL,VDA,… - pro p�enos dat.

Dále je to modul analýzy zam��ený na ov��ování a p�ípravu modelové geometrie, v�etn� práce s importovanými daty. Modul obsahuje nástroje pro analyzování modelu výst�iku a umí pracovat s plochami pat�ícími k tvárníku, k tvárnici, k tvar�m zaformovaným v �elistech, atd. Generuje hlavní i vedlejší d�lící roviny, vytvá�í modely tvárník� a tvárnic.

Sou�ástí programového vybavení je modul pro kompletní �ešení návrhu vst�ikovacích forem, v�etn� knihoven normalizovaných díl�, ze kterých je mo�no jednotlivé �ásti forem skládat. Systémy umo��ují jednoduché vkládání tempera�ních kanál�, v�etn� automatické kontroly p�ípadných kolizí kanál� s ostatními konstruk�ními prvky formy. Vybavení kanál� je op�t mo�no brát z p�íslušné knihovny tempera�ních díl�. Z objemové sestavy vst�ikovací formy lze p�ímo editovat a generovat 2D detailní výrobní výkresy, v�etn� �ez� a kótování. Nástroje správce sestavy umo��ují tvorbu kusovníku, v�etn� ozna�ení p�íslušné pozice v sestav� vst�ikovací formy.  

Na sestavu formy a 2D výrobní výkresy díl� formy navazuje modul pro konstrukci a správu vyjisk�ovacích elektrod a jejich dr�ák� (podle systému pou�ívaným výrobcem formy). Po zkonstruování EDM elektrody a jejího dr�áku je k dispozici animace pohybu elektrody s kolizní kontrolou, aby nedocházelo ke kolizi mezi elektrodou, p�ípadn� jejím dr�ákem se sousedními povrchy.

Na konstrukci elektrod navazuje modul pro jejich výrobu frézováním, p�i�em� se vzory obráb�ní, obráb�cí metody, �ezné podmínky, atd. ukládají pro p�ípadné pou�ití p�i výrob� dalších EDM elektrod.

Krom� programového vybavení pro obráb�ní elektrod CAM programy obsahují software pro CNC obráb�ní zejména tvarových díl� vst�ikovacích forem. Programy obsahují �adu postprocesor� pro mo�nost vyu�ití vytvo�ených obráb�cích program� pro v�tšinu obráb�cích CNC stroj� pou�ívaných p�i obráb�ní tvarových díl� vst�ikovacích forem. 

Programy jsou ur�eny jak pro 2D i 3D obráb�ní, v�etn� obráb�ní p�tiosého.

P�i výše uvedeném krátkém vý�tu mo�ností (v reálné nabídce je podstatn� více mo�ností ne� jsou zde v krátkosti a stru�nosti uvedeny) nesmíme zapomenout, �e v názvu kapitoly jsou uvedeny zkratky CAD/CAM. V obou p�ípadech je prost�ední slovo ve zkratce, anglické slovo AIDED, co� p�elo�eno do �eštiny znamená POMÁHAT/PODPOROVAT/ASISTOVAT. Nelze ho tedy p�ekládat jako UD�LÁ ZA KONSTRUKTÉRA. V�dy bude platit, �e p�íslušný konstruktér musí na dobré úrovni u�ivatelsky ovládat práci s p�íslušným programovým vybavením a potom mu bude daný systém CAD/CAM dob�e slou�it, ale bez konstruktérské invence, zkušeností a znalostí, bez zapojení selského rozumu nevznikne výst�ik, respektive vst�ikovací forma z výst�iku vycházející, která umo�ní výrobu výst�ik� s definovanou kvalitou.  

Simula�ní a optimaliza�ní programy – programy CAE

Obecn� je mo�no konstatovat, �e programy uvedené v p�edešlé kapitole, jsou programy více mén� konstruk�ní a výrobní. I tyto programy mají v sob� �adu kontrolních a optimaliza�ních (zejména programy obráb�cí) mechanizm�, ale tyto mechanizmy se týkají  pouze program� jako takových. Nejsou vytvo�eny, neslou�í základní výrobní technologii, kterou je technologie vst�ikování termoplast�. Tuto oblast v programovém balíku CAD/CAE/CAM obhospoda�ují, jak je uvedeno v jejich definici – viz kapitola 1, programy uvedené pod souborným názvem Computer Aided Engineering – CAE.

V �eské republice je komer�n� nabízena celá �ada simula�ních programových balík�, vhodných pro pou�ití p�i �ešení mo�ných problém� p�i vývoji a výrob� výst�ik� z termoplast�. Mezi nej�ast�ji pou�ívané je mo�no za�adit (v abecedním seskupení): CADMOULD, MOLDEX 3D, MOLDFLOW, SOLIDWORS PLASTICS, VISI CAD, atd.   

Krom� standardního procesu vst�ikování termoplast� uvedené programy nabízejí simula�ní výpo�ty pro další modifikace technologie vst�ikování – vícekomponentní vst�ikování, vst�ikování s vyu�itím tlaku plynu, vst�ikování se zást�iky (inserty), zast�ikování mikro�ip�, sekven�ní vst�ikování, kaskádové vst�ikování, vst�ikování optických výst�ik�, vst�ikování s dolisováním, vst�ikování strukturn� nap��ovaných, leh�ených materiál� (s fyzikálním nebo chemickým nadouvadlem),vst�ikování reaktoplast�.

Stejn� jako u ostatních analytických program� i u simula�ních program� pro virtuální výpo�ty pou�ívané v p�edvýrobních fázích vývoje a výroby výst�ik� z termoplast� platí známý postulát – KA�DÁ SIMULACE JE TAK P�ESNÁ,JAK P�ESNÉ JSOU JEJÍ VSTUPNÍ DATA. V tomto p�ípad� se zejména jedná o materiálová data p�edpokládaného vst�ikovaného materiálu. K t�mto dat�m je mo�no p�i�adit i technologická procesní data vst�ikování konkrétního materiálu.

Materiálová data jsou bu� sou�ástí databáze materiál� p�íslušného simula�ního programu nebo je nutno si je vy�ádat od p�íslušného výrobce granulátu. V mnoha p�ípadech, kdy� není mo�no data konkrétního materiálu zajistit, nezbývá ne� pracovat s daty obdobného materiálu, k n�mu� po�adovaná data byla ji� nam��ena (zde si musíme uv�domit, �e získané simula�ní výsledky nemusí pln� odpovídat realit� p�i vst�ikování konkrétního materiálu, pro n�j� jsme pot�ebná data nezískali). Proto�e se v sou�asné dob�, zejména z finan�ních d�vod�, ji� prakticky nevyvíjejí �ádné nové polymery, ale vývoj nových materiál� probíhá cestou modifikací stávajících materiál�, vývojem nových kompozitních materiál� a v neposlední �ad� výrobou polymerních sm�sí, je n�kdy problém, u t�chto materiál�, získat pot�ebná data pro simula�ní výpo�ty. Mnohá data nejsou b�n� uvád�na ani v materiálových listech, ani v databázích porovnávajících vst�ikovací materiály mezi sebou, nap�íklad databáze CAMPUS.

Jako vstupní materiálová a technologická data pro simula�ní výpo�ty jsou nej�ast�ji po�adovány – teplota polymerní taveniny, teplota st�ny tvarové dutiny formy, teplota vyhození výst�iku z formy, teplota skelného p�echodu, hustota materiálu, m�rné teplo, sou�initel teplotní vodivosti materiálu i tvarových díl� formy, koeficient teplotní rozta�nosti, objemová tepelná kapacita, tepelná difuzivita, modul pru�nosti v tahu, viskozitní k�ivky, pvT diagram, Poissonovo �íslo (udává podíl deformace t�lesa ve sm�ru nap�tí a kolmo k tomuto sm�ru), obsah plniva, teplotu zamrznutí toku polymerní taveniny, maximální p�ípustnou hodnotu smykové rychlosti, vst�ikovací rychlost (dobu pln�ní tvarových dutin formy), hodnotu dotlakové fáze – dobu dotlaku a tlakovou úrove� dotlaku.  

Pro simula�ní výpo�ty a analýzy je pot�eba 3D CAD model výst�iku v n�kterém z p�enosových formát� – nej�ast�ji STL, STEP nebo IGES. Simula�ní program si tento model p�evezme a sám si ho automaticky nastaví na své parametry, vygeneruje sí� pro výpo�ty metodou kone�ných prvk�. Tímto zp�sobem, závislým na konstrukci konkrétního výst�iku, systém automaticky zajistí rozlišení m�nících se materiálových veli�in (teplot, smykových rychlostí, atd.) podle lokální tlouš�ky výst�iku. Výpo�ty jsou teplotn� závislé, respektují stla�itelnost polymerních tavenin a po�ítají se strukturn� – viskozním chováním tavenin polymerních materiál�.  

Do „jednoduchých“ analýz je mo�no za�adit kontrolu tlouš�ky navr�eného výst�iku, která by, podle zásad technologi�nosti konstrukce výst�ik� z termoplast�, m�la být v základních tvarech stejná. Kontrola, krom� upozorn�ní na r�zné tlouš�ky st�n poskytuje informace pro potencionální umíst�ní ústí vtoku (do místa výst�iku s nejv�tší tlouš�kou st�ny), pro tlouš�ku �eber napojených na základní st�nu výst�iku, pro rozmíst�ní a pr�m�ry tempera�ních kanál�, aby docházelo k rovnom�rnému lokálnímu odvodu tepla.

Ji� byla zmín�na mo�nost d�lení (zaformování) 3D model� výst�ik� ve vztahu tvárník – tvárníce – �elisti: tvorba d�lících rovin, identifikace uzav�ených ploch a objem�. Mezi další analýzy pat�í analýza úkos� ve vztahu k d�lícím rovinám, kontrola p�esahu t�les p�i skládání tvar� 3D modelu, analýza porovnávání model� mezi sebou – zjiš�ování konstruk�ních modifikací a zm�n, nalézání nadbyte�ných t�les – zejména p�i práci s importovanými daty v datovém souboru, nalézání malých a jehlových ploch, které by p�i zaformování mohly tvo�it problematická místa, funkce oprav – automatické opravy, kdy p�í p�enosu dat došlo k jejich poškození.

Mezi ji� standardní simula�ní výpo�ty se �adí – výpo�et pln�ní tvarové dutiny polymerní taveninou, rozlo�ení tlak� p�i pln�ní, rozlo�ení teplot, ur�ení doby chlazení; ur�ení polohy typu a po�tu ústí vtoku na výst�iku a vznik a umíst�ní studených spoj�, optimalizace variantními umíst�ními; analýza pln�ní v�etn� vtokového systému u vícenásobných a sdru�ených forem – dimenzování a vybalancování (stanovení pr��ez� jednotlivých rozvodných kanál�) vtokového rozvodu, pr�b�h pln�ní, poloha studených spoj�, místa s uzavíráním vzduchu, tlaky, doba chlazení, stanovení pr�b�hu p�ídr�né síly vst�ikovacího stroje; analýza dotlakové fáze – velikost a doba dotlaku, doba cyklu, p�ídr�ná síla; výpo�et orientace krátkých i dlouhých výztu�ných vláken, orientace vláken v r�zných vzdálenostech pod povrchem st�ny výst�iku, sm�r pr�m�rné orientace vláken; analýza teplot na povrchu tvarových dutin formy, analýza tempera�ního systému formy, optimalizace tempera�ního systému ve smyslu sní�ení deformací a zkrácení doby vst�ikovacího cyklu.

Do pokro�ilejších simulací m��eme za�adit software pro tepelnou analýzu – výpo�ty konven�ních, konformních i pulzních tempera�ních systém� vst�ikovacích forem, výpo�ty topných systém� forem, výpo�ty induktivních systém� temperace vst�ikovacích forem; simulace horkých rozvodných systém� na vst�ikovací formy i výst�ik, výpo�et p�enosu tepla mezi vst�ikovací formou a upínacím systémem vst�ikovacího stroje, mezi formou a okolím.

K nejd�le�it�jším výsledk�m simula�ních výpo�t� pat�í analýzy smršt�ní a deformací, m��ení vzdáleností dvou bod� na výst�iku po jeho smršt�ní, zjiš�ování smršt�ním vyvolané deformace, m��ení odchylek od rovinnosti, p�ímosti, kruhovitosti a naklon�ní st�n.

První �ást �lánku byla zve�ejn�na 3.3.2020. Link »

T�etí �ást bude zve�ejn�na 17.3.2020.

Ilustra�né foto: ISPE, s.r.o.