Járműipari anyagfejlesztések: célzott alapkutatás az alakíthatóság, hőkezelés és hegeszthetőség témakörében Műanyag előállítási technológiák, 2.

Átírás

1 Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft. Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet Szerkezetintegritás Osztály Járműipari anyagfejlesztések: célzott alapkutatás az alakíthatóság, hőkezelés és hegeszthetőség témakörében Műanyag előállítási technológiák, 2. félév Tanulmány Kidolgozta: Dr. Beleznai Róbert 1 Dr. Szávai Szabolcs 2 Szőlői Ákos 1 1 Beosztott kutató, 2 Irányító kutató, 3 Kutatási segéderő Készült: a TÁMOP A-11/1/KONV Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében A projekt szakmai vezetője: Lenkeyné Dr. Biró Gyöngyvér intézetigazgató Miskolc 2013

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés.5 2. Műanyag fröccsöntési technológia összefoglalása A fröccsöntés [1] A fröccsöntő gép [1] A fröccsöntési technológia műveleti lépései [2] Plasztikálás Szerszámkitöltés Hűlés A fröccsöntött tárgyak szerkezete, tulajdonságai Fröccsöntött termékek zsugorodása [2] A zsugorodás és a technológiai paraméterek összefüggése [2] Zsugorodás és vetemedés [2] A szálerősítés hatása a zsugorodásra [2] Kétkomponensű fröccsöntés [1] A fröccsöntés modellezése számítástechnikai úton [1] Szimulációs szoftverek alkalmazásának előnyei [1] A fröccsöntési szimulációs szoftverek jellemzői [1] A fröccsöntés-szimulációs programok felépítése Anyagi tulajdonságok szerepe a szimulációban [1] Az autóipari polimer alkatrészek részletes bemutatása, a gyártástechnológiai jellemzők összefoglalása A fröccsöntött polimer alkatrészek, anyagminőségek és a technológiai paraméterek összefoglalása Knob kábelvezető alkatrész CoverTop 2 komponensű lemez alkatrész Symbolring alkatrész Autodesk Moldflow Autodesk Moldflow Adviser Geometria importálása, anyagminőség technológiai paraméterek megadása Moldflow Adviserrel előállított eredmények bemutatása Az Autodesk Moldflow Insight technológiai szoftver Az Autodesk Moldflow Insight szimuláció felépítése, fő lépései

3 5.4. Autodesk Moldflow Insight elem típusok és hálózás Az Autodesk Moldflow Insight technológiai szoftverrel előállított eredmények Autodesk Moldflow Insight eredmények szálerősítés nélküli műanyagok esetén Nyomás változása gátnál A fröccsöntési folyamat erőszükséglet Anyagi szálak orientációjának meghatározása A maradó feszültségek meghatározása Alkatrészek zsugorodása, vetemedése és a sűrűség változás Az alkatrészek minőségi előrejelzésére vonatkozó adatok Az összecsapási vonalak meghatározása Knob alkatrész fröccsöntési szimulációja, szálerősített polimer esetében A technológiai szimuláció eredményeinek implementálása a stuktúrális analízisbe A Műanyag előállítási technológiák projekt további feladatainak összefoglalása

4 1. Bevezetés A Műanyag előállítási technológiák tématerület célja, többek között egy olyan anyagmodell kifejlesztése mérnöki műanyagokhoz, a technológiai és mikro-mechanikai szimulációs eszközök összekapcsolásával, mely kielégíti a járműipar által támasztott követelményeket. A projekt részfeladatait tekintve, jelen munka az autóiparban felhasznált, erősítés nélküli és erősített műszaki műanyagok fröccsöntési szimulációjának, az analízis eredményeinek illetve a technológiai szimuláció egyes eredményeinek további felhasználási lehetőségeinek bemutatására terjed ki. A kiválasztott erősítés nélküli és erősítéses mérnöki műanyagok technológiai szimulációjának végrehajtása különböző modell geometriákon a molekulaláncok orientációjának meghatározására. A kutatási tevékenység az anyag előállítás és alakítás különböző makroszkópikus problémáinak alapvető megértésére koncentrál, amely képet ad az adott anyag mikroszerkezetéről a fizika és mechanika együttes alkalmazásával. A fő kihívás az összetett mikroszerkezetű anyag mechanikai tulajdonságainak pontos leírása az ipari igényeknek megfelelően. A végső cél eljutni egy olyan fizikai alapokon nyugvó leíráshoz, amely megfelelően implementálható például egy végeselemes szoftverbe, és segítségével a mérnöki termékek vagy gyártási eljárások megvalósíthatósági analízise végezhető el. Ennek segítségével könnyebben és megbízhatóan lehet majd a mérnöki műanyagból készült termékek mechanikai analízisét elvégezni. A projekt első, elmúlt szakaszában irodalomkutatást végeztünk az anyagegyenletekhez kapcsolódóan mérnöki műanyagok tekintetében. Erősítés nélküli és erősített műanyagok kiválasztása megtörtént a jelen munkában részletezett technológiai szimulációkhoz. A jelentésben bemutatásra került a műszaki műanyagok általános jellemzői és csoportosításuk a feldolgozás szerint. A csoportosításban szereplő különböző típusú hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagok tulajdonságai és alkalmazási területeit is bemutattuk, kiemelve a járműipari felhasználást. Összefoglalást adtunk a műanyagok előállításával kapcsolatban. Ismertettük a műanyag kompozitok felépítését és tulajdonságait, bemutattuk a felhasználható mátrix és erősítő szál anyagok körét. Ismertettük az erősítés nélküli és szálerősített műanyagok modellezéshez szükséges anyagegyenleteit. 2. Műanyag fröccsöntési technológia összefoglalása 2.1. A fröccsöntés [1] A polimer ömledéket, amelyet az olvadáspont fölé melegítve kis viszkozitású folyadékállapotba vittünk, nagy sebességgel, szűk beömlő nyíláson át zárt szerszámba fecskendezzük, és ebben a zárt szerszámban a nagy nyomás alatt kihűlő polimerből alakul ki a tetszőlegesen bonyolult formájú (3D) alkatrész, gyakorlatilag hulladékmentes, képlékeny alakítással, nagy méretpontossággal. A kis ömledék-viszkozitásra a bonyolult szerszámtér gyors és teljes kitöltése miatt van szükség. A szerszám kitöltés ideje tipikusan a másodpercek tartományába esik. A fröccsöntés, mint nagypontosságú és rendkívül termelékeny alkatrészgyártás mérethatárai rendkívül tágak: 50 mg-os fogaskerék és 50 kg-os kád egyaránt gyártható megfelelő méretű fröccsöntő gépen. Az elsősorban a hőre lágyuló polimerekre, tipikusan PE, PP, PS, PVC, PMMA, ABS, POM, PC, stb. anyagokra kidolgozott eljárás alkalmazható a hőre nem lágyuló polimerek feldolgozása terén is. A duromer anyagcsaládban (fenoplasztok, aminoplasztok, melamin-epoxi kombinációk stb.), ill. az elasztomerek (gumik) 5

5 esetében a térhálósítás magában a fröccsöntő szerszámban történik. Ez utóbbi eljárásokban, amelyeket reaktív fröccsöntésnek nevezünk, sokszor prepolimerből (előpolimer) indulnak ki (pl. a szilikonok, poliuretánok esetében tipikusan két folyadékfázisú alapanyagból), és az ilyen fröccsöntést viszonylag kis nyomáson hajtják végre A fröccsöntő gép [1] A korszerű fröccsöntő gép alapvetően két fő részből áll: a fröccsöntő egységből és a szerszámhordozó, szerszámzáró egységből. A fröccsöntő gépek legfőbb alkatrésze a csigadugattyú, amely méreteiben és arányaiban is igen hasonló az extrudercsigához, azzal a lényeges különbséggel, hogy a csigadugattyú nemcsak forgásra, hanem egyidejűleg (ezzel ellentétes : reciprok) dugattyú-szerű mozgásra is képes. A fröccsöntő gép egyik fő része tehát maga a fröccsöntő egység (fröccs-aggregát) (tipikusan a gép jobb oldalán), amelyhez a másik fő rész, a robosztus szerszámzáró egység csatlakozik. Mivel a polimer ömledék igen nagy nyomása jelentős méretű felületen érvényesül, az osztott szerszám részeit összeszorító erő, amely %-kal meg kell hogy haladja a szerszám üregben kialakuló nyomásból fakadó erőt, már a középméretű fröccsöntő gépeken is >10 6 N, vagyis több, mint 100 t záróerőt követel meg A fröccsöntési technológia műveleti lépései [2] A szerszám mindig legalább két részből áll, az üregből és a magból. Az egyiket egy mozgó, a másikat egy álló laphoz rögzítik. A fröccsöntés folyamata három szakaszra bontható: megömlesztés, plasztikálás, szerszámkitöltés, fröccsöntés, hűtés, kidobás A folyamatok elemzése és modellezése nagyon nehéz, mivel ezek nem izotermek és nagyon messze vannak az egyensúlyitól még egy cikluson belül is. A szerszámban a hőmérséklet és a nyomás állandóan változik, ami a térfogat változását okozza. A két paraméter ellentétes hatásának összhangban kell lennie, hogy a termék minősége megfelelő legyen és ne tartalmazzon belső feszültségeket Plasztikálás A polimer megömlesztését részben külső fűtés, részben pedig a súrlódási hő biztosítja, az anyag szállítását pedig a csiga mozgása idézi elő. A plasztikálási lépésben a csiga forog és egy torlónyomás ellenében hátrafelé mozogva maga elé nyomja az anyagot. Minden ciklusban azonos mennyiségű anyagot kell plasztikálni. Két fontos szempontot kell figyelembe venni Szerszámkitöltés A szerszámkitöltés folyamata és a termék tulajdonságai függenek a hőmérséklettől, a nyomástól, a fröccsöntés sebességétől és az ömledék viszkozitásától. Tekintettel a nagy nyírássebességekre és az ennek következtében termelődő frikciós hőre, a polimer viszkozitásának nyírás- és hőmérsékletfüggése fontos szerepet játszik a kitöltés folyamatában. A szerszámkitöltés három különböző mechanizmussal történhet. Ha a fröccssebesség túl nagy, vagy a viszkozitás kicsi, az anyag belövell a szerszámba (szabadsugár kitöltés). Ekkor a szerszám kitöltése a szerszám hátsó falánál kezdődik. A nagy sebesség, az ömledék nem megfelelő hőmérséklete, és különösen a beömlő nyílás helytelen elhelyezése turbulens szerszámkitöltést eredményez. Ez a két mechanizmus nem megfelelő termék minőséget okoz. Megfelelő paraméterek esetén az ömledék a szerszámot lamináris folyással tölti ki, ami 6

6 általában biztosítja a megfelelő felületi minőséget. A szerszámkitöltés alatt a polimer a hideg szerszámfalon lehűl, egy héjréteg alakul ki. ennek vastagsága a beömlőnyílás közelében nagyobb, az előrehaladó ömledékfront közelében vékonyabb. A ráfejtődéses szerszámkitöltés (középről a fal felé irányuló áramlás), valamint a hűlés következtében kialakult kúpalakú csatorna nyújtási folyást, ezáltal jelentős orientációt eredményez. A termék keresztmetszetében mutatkozó nyírófeszültség és hőmérsékletkülönbségek a szerkezet és tulajdonságok változását eredményezik. A hőmérséklet és a nyomás a szerszámüregben folyamatosan változik, mind az idő mind pedig a hely függvényében. A szerszámkitöltés alatt a szerszámnyomás kicsi. A töltési nyomás az a nyomás, ami ahhoz szükséges, hogy a megömlesztett polimer benyomuljon a szerszám üregbe, valamint ki is töltse azt. Tulajdonképpen egy hajtó erő ami a polimer ömledék ellenállását győzi le. Ha nyomás érzékelőket helyeznénk el az áramlási hossz mentén, akkor a folyamatra jellemző nyomás eloszlást kapjuk meg, ennek sematikus ábrázolása látható [3]. 1. ábra Nyomás változása a szerszámcsatornában és az üregben A nyomás a szerszám teljes kitöltése után hirtelen megnő és állandó marad az utónyomás ideje alatt. Ha a fröccsegység eltávolodik a szerszámtól mielőtt a beömlőnyílás befagyna, a nyomás hirtelen lecsökken. A termék hűlése zsugorodással és ennek megfelelően további nyomáscsökkenéssel jár. A szerszám nyitásakor a szerszámüregben uralkodó nyomást az utónyomás nagysága, ideje és a hűlési sebesség határozza meg. Nagy maradó nyomás kidobási nehézségeket, esetleg belső feszültségek kialakulását eredményezi, értékét a hőmérséklet és a nyomás egyensúlya határozza meg a hűtési ciklusban. A hűlés az anyag zsugorodásához vezet, ami viszont a nyomás csökkenését eredményezi. A nyomás csökkenésével a test kiterjed, térfogata nő. Ha a két folyamat kompenzálja egymást, a szerszám nyitásakor a maradéknyomás nulla lesz. Ez kedvező a termék kidobása és a belső feszültségek szempontjából is. Belső feszültségek azonban elsősorban inhomogén hűlés következtében alakulnak ki. A melegebb és hidegebb helyek között belső, un. szekunder áramlás mehet végbe. Ez természetesen deformációval jár, a molekulák a melegebb helyről a hidegebbek felé akarnak elmozdulni. Egy bizonyos hőmérséklet alatt a deformáció már csak a kötésszögek és a kötéstávolságok megváltoztatásával mehet végbe, a folyamatos hűlés pedig rögzíti ezt a deformált állapotot. 7

7 Hűlés A polimerek rossz hővezetőképessége következtében a termék hűlése nem egyenletes. A fal mellett a hűlés gyors, a termék belsejében lassú. Az inhomogén hűlés következtében a zsugorodás helyfüggő lesz és belső feszültségek alakulnak ki a termékben. A hatás különböző amorf és kristályos polimerekben. Amorf polimerekben egy héj alakul ki a falnál, a termék belsejében az utónyomás hatása érvényesül, a zsugorodás nagyobb lesz a falnál. Kristályos polimerekben a termék belsejében a hűlés lassú, a kristályosság nagyobb és ennek megfelelően nagyobb lesz a zsugorodás is. Az egyenetlen hűlés hatása hőkezeléssel némiképp kompenzálható A fröccsöntött tárgyak szerkezete, tulajdonságai Az előző szakaszban ismertetett szerszámkitöltési folyamat, valamint a fröccsöntés nemegyensúlyi jellege döntően befolyásolja a gyártott tárgyak szerkezetét és tulajdonságait. A szerszám falánál kialakuló nagy nyírás a molekulák orientációját és a sorgócok képződését idézi elő. Ez utóbbiak orientált kristályosodást váltanak ki. A rossz hővezető-képességből adódó eltérő hűlési sebesség a termék keresztmetszetében folytonosan változó szerkezetet és belső feszültségek kialakulását okozza. Amorf anyagokban a morfológiai képződmények száma, illetve az azokban mutatkozó különbségek kicsik, annál nagyobbak viszont kristályos polimerekben és heterogén polimer rendszerekben. Szerkezeti kutatások azt mutatják, hogy egy fröccsöntött polipropilén tárgy keresztmetszetében, a szélétől a belseje felé haladva 6 réteget különböztethetünk meg, melyben különbözik a kristályosság, a kristályos egységek típusa, mérete és orientációja, valamint az amorf fázis orientációja. A hat réteg a következő jellemzőkkel rendelkezik: 1. réteg: vastagsága kb 25 µm, kristályos szerkezet optikai szinten mutatható ki benne. 2. réteg: vastagsága kb 100 µm, cilindritesen kristályosodó réteg nagyon kis, tökéletlen morfológiai egységekből áll. 3. réteg: vastagsága 400µm, nagyon kis szferolitokból álló szerkezet. 4. réteg: 200 µm vastagság, kis beta-szferolitok találhatók a nyírt rétegben. 5. réteg: vastagság µm, a folyás irányában orientálódott cilindrites szerkezetekből áll. 6. mag: vastagság µm átmérőjű, alfa és beta szferolitokat tartalmaz. A fentiekhez hasonlóan, bár nem minden esetben ennyi rétegre tagozódó, héj-mag szerkezeteket figyeltek meg más kristályos polimerekben is (PA, PET, PBTP) Fröccsöntött termékek zsugorodása [2] Zsugorodás alatt a fröccstermék térfogatcsökkenését értjük a lehűlés folyamán. A feldolgozási zsugorodást az MSZ EN ISO szerint fröccsöntés után azonnal, a DIN szerint 16 óra elteltével, az utózsugorodást pedig hosszabb idő után kell mérni. A teljes zsugorodás az előbbi kettő összege. Az utózsugorodás a fröccsöntést követően hosszú idő alatt bekövetkező méret változás, amely általában lassú, utólagos kristályosodási folyamatoknak tulajdonítható. Néhány polimerben a kristályos szerkezet teljes kialakulása igen hosszú ideig, akár hónapokig is eltarthat. A zsugorodás folyamata legjobban három állapothatározó, a nyomás (p), a fajtérfogat (v) és a hőmérséklet (T) függvényében vizsgálható. A polimerek fajtérfogatát a nyomás és a hőmérséklet erősen befolyásolja. A polimerek fajtérfogatának hőmérsékletfüggése (azaz hőtágulása) szilárd halmazállapotban is igen nagy. Ömledék állapotban a fajtérfogat még nagyobb mértékben nő a hőmérséklettel. A polimerömledék fajtérfogatának nyomástól való függése is szembetűnő, ami azt jelenti, hogy a polimerömledék (mint folyadék) összenyomható. Ugyanez bár kisebb mértékben igaz a szilárd polimerre is. A kristályos hőre lágyuló műanyagok fajtérfogatának változása, ezáltal zsugorodása nagyobb mértékű, mint az 8

8 amorf polimereké, aminek magyarázata a molekuláris szerkezetben rejlik: a zsugorodás oka alapvetően a molekulaláncok közeledése a lehűlés során. A kristályos anyagoknál a kristályos szerkezetből fakadó tömörebb elrendeződés következtében nagyobb a zsugorodás. 2. ábra Amorf polimer nyomás fajtérfogat hőmérséklet összefüggése A 2. ábra a fröccsöntés folyamata követhető nyomon a termodinamikai állapothatározók függvényében, amorf polimer esetében. Az ábrán látható technológiai lépések a következők: 1 2: befröccsöntés, 2 3: átkapcsolás utó-nyomásra, 3 4: utónyomás, 4: lepecsételődés, 4 6: zsugorodás a termék ki-dobásáig, 5: légköri nyomás elérése, 6: a termék kidobása, 6 7: zsugorodás a szerszámon kívül. A függőleges tengelyen, amely a fajtérfogatot ábrázolja, a térfogati zsugorodás pontosan megfigyelhető. A termék mérete az 5. pontban pontosan megegyezik a szerszámüreg méretével, a zsugorodás az pontok közötti fajtérfogatváltozásnak felel meg. Jól látható az utónyomás nagyságának és idejének lényeges szerepe A zsugorodás és a technológiai paraméterek összefüggése [2] A zsugorodás jellegét és nagyságát az anyagi minőségen túlmenően a termék geometriai jellemzői (például a falvastagsága) és a technológiai paraméterek befolyásolják. A vastagabb falú termék lassabban hűl le, mint a vékonyabb falú, emiatt növekszik a zsugorodás. Az ömledék hőmérséklet és a befröccsöntési sebesség különböző befolyást gyakorolhat a zsugorodásra, mivel ezek növelése egyrészt a folyóképességet és ezzel a nyomásátvitelt javítja, másrészt a zsugorodási hajlam a hőmérséklet növelésével nő. A zsugorodás és a vetemedés csökkentése érdekében vékony falú daraboknál magasabb ömledék hőmérséklettel és befröccsöntési sebességgel, míg vastag falú daraboknál alacsonyabb ömledék hőmérséklettel és befröccsöntési sebességgel kell dolgozni. A szerszámhőmérséklet is jelentősen befolyásolja a zsugorodást. Alacsony szerszámhőmérséklet a formatest gyors lehűlését okozza, ezért a molekulaláncok tömör elrendeződése nem jöhet létre. Magas szerszámhőmérséklet a termék lassabb lehűlését okozza, így a molekulaláncoknak elég idejük van, hogy rendeződjenek. A zsugorodás magas szerszámhőmérsékletnél mindig nagyobb. Az utónyomás és az utónyomási idő növelése csökkenti a zsugorodást. Mivel a gáttól távolodva a nyomásveszteségek miatt az utónyomás egyre kevésbé tudja kifejteni hatását, a zsugorodás fokozatosan növekszik (3. ábra). 9

9 3. ábra A zsugorodás nagyságának változása a gáttól való távolság függvényében Bár nem minden paraméter hatása egyértelmű, illetve jelentősen függ az anyagtól, a fő tendenciák a 4. ábra látható módon alakulnak. 4. ábra Különböző tényezők hatása a zsugorodásra Számos paraméter (például az ömledék hőmérséklet és a befröccsöntési sebesség) hatása a körülmények függvényében igen változékony, sőt ellentétes is lehet, illetve sokkal kisebb mértékben képesek a zsugorodás befolyásolására, mint az utónyomás. Emiatt a zsugorodás csökkentésének leghatásosabb módja a megfelelő alapanyag kiválasztása mellett az utónyomás nagyságának és idejének megfelelő beállítása. Méretpontos termékek előállításához pontosan ismerni kell a zsugorodást, és figyelembe kell venni a szerszám megtervezésénél: a szerszámüreget annyival nagyobbra kell készíteni a terméknél, hogy a zsugorodást követően az a megfelelő méretet érje el. Ez azt is jelenti, hogy a szerszámok többségét adott anyaghoz készítik, az eredetitől eltérő alapanyaggal az adott szerszám kevéssé alkalmas méretpontos termékek előállítására Zsugorodás és vetemedés [2] A vetemedés kialakulásának legfőbb oka a maradó feszültségek egyenlőtlensége vagy aszimmetriája. Noha számos tényező okozhatja a feszültségek egyenlőtlenségét, mint például a bonyolult geometria vagy az ömledéknyomás különbségei, a vetemedés leggyakoribb előidézője az egyenetlen szerszámhűtés, ugyanakkor sok esetben különösen bonyolult alakú termékeknél a differenciált szerszámtemperálással csökkenthető vagy megelőzhető a vetemedés. A vetemedés elkerülése szempontjából előnyös, ha tovább hűtik a terméket a szerszámban, azaz alacsonyabb kidobási hőmérsékletet alkalmaznak, azonban a belső feszültségek ebben az esetben maradéktalanul rögzülnek a termékben, miáltal az merevebb és ridegebb lesz. 10

10 A szálerősítés hatása a zsugorodásra [2] A zsugorodás jelentősen csökken, ha különböző töltő- és erősítőanyagokat kevernek a polimerekbe, mivel ezeknek az általában szervetlen anyagoknak (például az üvegszálnak) a hőtágulási együtthatója töredéke a műanyagokénak, illetve nem összenyomhatók. A részecskék vagy lemezkék formájában felhasznált töltőanyagok megközelítőleg mennyiségükkel egyenes arányban csökkentik a zsugorodást, és annak izotróp jellegét nem befolyásolják. Ezzel szemben erősítőszálak alkalmazásakor a hosszirányú (áramlás irányába eső) és keresztirányú (áramlás irányára merőleges) zsugorodás között jelentős különbség mutatkozik. Ez abból adódik, hogy az erősítőszálak saját elhelyezkedésük irányában sokkal nagyobb mértékben csökkentik a zsugorodást, mint arra merőlegesen, a szálak jelentős része pedig az ömledékáramlás irányába orientálódik. A száltartalom növekedésével a hossz- és a keresztirányú zsugorodás eltérő módon változik, emiatt különbségük és egymáshoz viszonyított arányuk is fokozatosan növekszik (5. ábra). Az egyenlőtlen zsugorodás a szerszám tervezését is bonyolultabbá teszi, mivel megnehezíti a szerszámüreg méreteinek helyes megválasztását. 5. ábra A szálerősítés hatása a zsugorodásra A hosszirányú és keresztirányú zsugorodás közötti különbség csökkentésének egyik lehetséges módja a töltő- és erősítőanyagokat egyaránt tartalmazó kompozitok alkalmazása (6. ábra). Ezek a hibrid anyagok kompromisszumot jelentenek a zsugorodási és a mechanikai tulajdonságok között, és gyakran használják olyan termékek gyártására, amelyek méretpontosságával szemben fokozott követelményeket támasztanak. A termék falvastagságának növelése a hossz- és keresztirányú zsugorodást egyaránt növeli (7. ábra). 11

11 6. ábra A töltő- és az erősítőanyagok összehasonlítása 2.5. Kétkomponensű fröccsöntés [1] 7. ábra A falvastagság hatása A 2K (2 Komponenten) eljárás során először az A anyaggal kezdik meg a szerszámüreg kitöltését, majd átkapcsolva a B anyaggal fejezik azt be Hiba! A hivatkozási forrás nem található.. Ezt az eljárást a 8. ábra mutatja be vázlatosan. A szendvics fröccsöntésnél a szerszám akár egy hagyományos szerszám is lehet, mert a két anyagáram átkapcsolása történhet ugyan a szerszámban, de történhet magán a két aggregáttal felszerelt fröccsgépen is. 8. ábra 2K fröccsöntési eljárás, [6] 12

12 3. A fröccsöntés modellezése számítástechnikai úton [1] A fröccsöntés (és a többi polimerfeldolgozási művelet, mint pl. az extruzió) matematikailag meglehetősen bonyolult. A lejátszódó folyamatokat nem lehet analitikusan, zárt formában leírni, kivéve a legegyszerűbb geometriai viszonyokat, newtoni folyadék feltételezése mellett. Napjainkban a polimerfeldolgozás minden területén alkalmaznak valamilyen számítástechnikai eszközt és módszert. A számítógéppel segített tervezés/számítógéppel segített megmunkálás (CAD/CAM = Computer Aided Design, Computer Aided Manufacturing) az 1950-es években először a nyomtatott áramkörtervezés/gyártás területén terjedt el. Az első polimeres CAD/CAM alkalmazás a polimerek extruziójának szimulációja volt. Bár az extrúziós folyamat számítógépes modellezése volt az első polimeres alkalmazás, napjainkban a legnagyobb aktivitás a fröccsöntés területén érzékelhető. Ennek néhány oka a következőkben foglalható össze: a fröccsöntés a második legjelentősebb polimerfeldolgozási eljárás, sok polimer fröccsönthető, bár a folyamat ciklikus, reológiailag mégis viszonylag egyszerűen modellezhető, a folyamat paraméterei jól mérhetők és szabályozhatók. Korábban egy extruziós vagy fröccsszerszám megtervezése inkább műszaki érzék és tapasztalat, semmint tudomány volt. Egy használható szerszám kialakítása jó néhány iterációs ciklust jelentett, amikor is elkészítették a szerszámot, kipróbálták, majd a tapasztalt hibákat korrigálták, újból kipróbálták, és ezt a folyamatot addig ismételték, míg elfogadható eredményt kaptak (trial and error). A számítógépes szimulációs programokkal a mérnök a számítógépen végezheti el a szerszám vizsgálatát, anélkül, hogy azt a valóságban ténylegesen el kellene készíteni. Ez a virtuális szerszám a számítógéppel addig módosítható, míg a kívánt eredményt nem nyújtja, megépíteni csak a már tökéletes változatot kell. Ez rengeteg idő és pénzmegtakarítást jelent Szimulációs szoftverek alkalmazásának előnyei [1] A fröccsöntés folyamatát szimuláló programok a következő területeken segítik a tervezőmérnök, illetve a technológus munkáját: A szerszám kitöltési folyamatának modellezése, az ömledékfront előrehaladása az idő függvényében. A módszerrel előre jelezhetők az összecsapási vonalak, valamint meghatározható a fröccsöntési ciklus ideje, és annak változása különböző paraméterek függvényében. Zsugorodás és vetemedés modellezése. Meghatározhatók az anyagban maradó feszültségek és az orientáció mértéke. A szerszám hűlési viszonyainak modellezése, az optimális (egyenletes) hűléshez szükséges hűtőcsatorna geometria kialakítása. A folyamat változóinak, mint pl. fröccsöntési sebesség, szerszámhőmérséklet optimalizálása. A fröccsöntött termék terhelés hatására kialakuló feszültségi viszonyainak meghatározása. Számítógéppel segített fröccsszerszám gyártás (CAM), a szerszámüreg megmunkáláshoz szükséges NC (Numerical Control, számjegyvezérlésű) programok előállítása. 13

13 3.2. A fröccsöntési szimulációs szoftverek jellemzői [1] A programok általában három fő egységből állnak: Grafikus tervező program. Ebben a programrészben adható meg a termék geometriája. Folyamat szimulációs program, amely a fröccsöntési folyamat során kialakuló hő- és áramlási viszonyokat számítja részekre osztásos vagy végeselemes módszerrel (FEM, FEA: Finite Element Method, Finite Element Analysis). Léteznek két (2D) és háromdimenziós (3D) változatok. A legtöbb program automatikus hálógenerálási funkciót is tartalmaz A polimerek reológiai, fizikai (hőtani) adatait tartalmazó adatbázis. Gyakran a fröccsöntő gépek adatait tartalmazó adatbázist is mellékelnek a programokhoz. A 9. ábra néhány kereskedelmi forgalomban beszerezhető fröccsszimulációs program jellemzőit foglalja össze. Mint a táblázatból megállapítható, a programok egy kivételével gyakorlatilag azonos színvonalúak, így a választást főként az ár és az itt nem részletezett kényelmi szolgáltatások pl. van-e csatlakozási felülete más, elterjedt gépészeti szoftverekhez befolyásolják. 9. ábra Fröccsszimulációs programok jellemzői 3.3. A fröccsöntés-szimulációs programok felépítése Az egyszerűbb szimulációs programok a bonyolult geometriájú szerszámot egyszerűbb geometriájú elemekre osztják, és az elemi áramlási utakra számítják ki a megfelelő reológiai és termikus egyenleteket. Ilyen elemi áramlási geometriák: kör keresztmetszetű cső, körgyűrű keresztmetszetű cső, kör keresztmetszetű, fűtött felületű cső, körgyűrű keresztmetszetű, fűtött felületű cső, hasáb alakú csatorna, körszelet, ívekkel határolt körszelet, elágazás. Ezekre az egyszerű geometriájú áramlási utakra számítják ki a programok az anyagi minőségtől független, ún. megmaradási egyenleteket (tömeg-megmaradás, impulzusmegmaradás és energia-megmaradás). Az egymáshoz kapcsolódó elemi áramlási utaknál a kapcsolódási helyeken a polimer azonos módon kell, hogy viselkedjen, így egy sor egyensúlyi feltétel keletkezik. A programok addig számolják az áramlást, amíg a feltételek teljesülnek 14

14 (iteráció). Sajnos a folyási problémák megoldásához a megmaradási egyenletek nem elégségesek, szükség van az anyagi minőségtől függő állapotegyenletekre is. Az állapotegyenletek a polimerek reológiai, termikus és fizikai tulajdonságait írják le. A bennük szereplő anyagi állandók, vagy anyagfüggvények, pontos ismerete nélkülözhetetlen a valóságot megfelelő pontossággal leíró szimulációhoz. A részekre osztás módszerénél jóval pontosabb eredményt adnak, de sokkal számításigényesebbek a végeselemes programok. A vizsgált polimer terméket (többnyire) háromszögekből álló hálózattal (végeselemes háló) fedik le. A kritikus területeteken a hálót alkotó háromszögek méretét csökkentve, illetve a lefedő háromszögek számát növelve, ezeken a helyeken a számítás pontossága növelhető. A háromszögek egymáshoz három csomópontban csatlakoznak. Az egyszerű elemek feszültség, deformáció és deformációsebesség értékeit könnyen ki lehet számítani; ezeknek az értékeknek a találkozási pontokban (csomópontok) azonosnak kell lenniük. Az egyensúlyi feltételekből itt is egy sor egyenlet adódik, amelyeket iterációval lehet megoldani. Elfogadható pontosságot csak nagyszámú elem alkalmazásával lehet elérni, ezért nagyméretű problémákat csak gyors, sok memóriával rendelkező számítógépeken érdemes futtatni Anyagi tulajdonságok szerepe a szimulációban [1] A fejlettebb fröccsöntés szimulációs programok egy sor anyagi állandót igényelnek, de az egyszerűbbekhez is legalább nyolcra van szükség. A viszkozitás hőmérséklet függését három állandóval tudjuk figyelembe venni, három állandó szükséges a fizikai tulajdonságok leírására, és két jellemző hőmérsékletet is ismernünk kell. A három viszkozitási állandóval (A, B, C) csak a newtoni (lineáris, nyírósebességtől független) viszkozitás függvény írható le (vagyis a legegyszerűbb, a valóságot legkevésbé jól leíró eset): ( ) (1) A viszkozitás hőmérsékletfüggésének és nyírósebességfüggésének leírásához 5 anyagi állandót kell ismerni. A fizikai állandók közül egyik az ömledék sűrűsége, a másik kettő hőtani jellemző: az ömledék fajhője és hővezetőképessége. A két hőmérséklet: a befagyási hőmérséklet (freeze temperature) és az ún. folyási határhőmérséklet (non-flow temperature). A folyási határhőmérséklet az a legkisebb hőmérséklet, amely alatt a polimer 0,7 MPa nyomáskülönbség hatására már nem folyik. A befagyási hőmérséklet a kristályosodás hőmérséklete a részben kristályos polimereknél, míg amorf polimereknél az üvegesedési hőmérsékletnél (Tg) valamivel magasabb hőmérséklet. Nyolc anyagállandóval természetesen nem lehet jól leírni egy olyan bonyolult rendszert, mint a polimer. Rendszerint figyelembe kell venni a viszkozitás nyírósebesség és nyomásfüggését, és a fröccsöntés során ömledék állapotból megszilárduló polimer fizikai/hőtani tulajdonságainak változását a fázisátalakulás során. További nehézséget okoz a részlegesen kristályos polimerek fizikai tulajdonságainak leírása. Az egyszerűbb fizikai állapotegyenletek (pl. Spencer-Gilmore egyenlet) csak az ömledékre alkalmazható, a szilárd fázisra nem. A végeselem programokhoz általában összetettebb polimer adatbázisok tartoznak. Sajnos ezeknek az adatbázisoknak a megbízhatósága erősen megkérdőjelezhető. Progelhof írja: A hővezetőképesség mérése nem egyszerű feladat; úgy tűnik, a különböző laboratóriumok mérési eredményei ugyanarra a polimerre jelentősen eltérnek egymástól. Szintén problémát jelent az egyszer már kimért anyagi állandók rendszeres karbantartása. A gyárak időről időre lecserélik termékeiket, vagy ugyanazt a típusjelű anyagot korszerűbb technológiával kezdik el gyártani, ami egyes anyagi paraméterek jelentős megváltozását okozhatja. Problémát jelent a 15

15 kellő pontosság is. Egy extrúziós szimulációs programhoz pl. három értékes jegy pontossággal kellene ismerni a szilárd polimer és a fém közötti súrlódási tényezőt, miközben két jegyre pontos adatok is eléggé megkérdőjelezhető megbízhatósággal állnak rendelkezésre. 4. Az autóipari polimer alkatrészek részletes bemutatása, a gyártástechnológiai jellemzők összefoglalása Jelen projekt célterülete, a járműipar, sok különböző típusú anyagot igényel és a költséghatékony gyártáshoz új típusú anyagokra és különleges tulajdonságokra van szükség. A projekt feladat megoldásához valamint a kutatási eredményeinek gyakorlati felhasználásához illetve valós ipari környezetbe való implementálásához, gyártási tapasztalatokkal rendelkező ipari partner bevonása is szükséges. Ipari partnerként, a Shinwa Magyarország Precíziós Kft. járult hozzá a projektfeladat sikeres megoldásához. A miskolci partner cég, az autóiparban alkalmazott, műszaki műanyagok fröccsöntése terén már több éves gyártási tapasztalattal és jelentős technológiai háttérrel rendelkezik. Jelen feladatban, a partner cég tapasztalatai alapján, szakmai támogatását nyújtja a fröccsöntési technológiákhoz általában, valamint a konkrét műszaki műanyag alkatrészek gyártástechnológiai jellemzőit határozzák meg, amelyek a feladat megoldása szempontjából fontosak. A Shinwa Magyarország Precíziós Kft. a fröccsöntési feladathoz három jelenleg is gyártásban lévő alkatrész geometriáját (CAD formátumban) küldték meg. Továbbá megkaptuk az egyes alkatrészek konkrét anyagminőségét is valamint a jellemző gyártási paramétereket is. Ezek az alkatrészek a későbbi gyártási folyamat során, személygépkocsik műszerfalába és ahhoz kapcsolódó szerkezeti egységekbe, alkatrészekbe kerülnek beszerelésre. Mindhárom alkatrészt szálerősítés nélküli műszaki műanyagból készítik. A cég korábban több kísérletet tett, hogy a jelenleg használt műanyag minőségeket szálerősített polimerekkel helyettesítsék, ami jelentősen megnöveli az alkatrész szilárdsági tulajdonságát valamint az élettartamát is. Azonban ez a váltás nagymértékben befolyásolja a technológiai paramétereket, és esetleg a szerszám geometriát is, ezért egyelőre nem folytatják ezeket a kísérleteket. Azonban jelen projekt segítségével erre a kérdésre is tudhatunk választ adni, hiszen mód van arra, hogy megvizsgáljuk, mi az eredménye annak, ha az erősítés nélküli anyagot lecseréljük szálerősített anyagra. Az eredmény alapján pedig javaslatot lehet tenni a technológiai paraméterek értékének beállítására, vagy egy esetleges szerszám módosításra A fröccsöntött polimer alkatrészek, anyagminőségek és a technológiai paraméterek összefoglalása A következő alfejezetekben részletesen bemutatjuk, a Shinwa Magyarország Precíziós Kft. által rendelkezésünkre bocsájtott autóipari polimer alkatrészek 3D CAD modelljeit legfontosabb anyagtulajdonságait és fröccsöntés paramétereit. A három alkatrész közül az egyik gyártástechnológiai szempontból egy kissé eltér, ugyanis 2K eljárással készül Knob kábelvezető alkatrész Az alkatrészre vonatkozó 3D CAD modellt a 10. ábra bal oldali kép mutatja be. Az alkatrész, valamely adatátviteli kábel megvezetéséhez és rögzítéséhez alkalmazott elem. Anyagminőségének kereskedelmi megnevezése: Alcom PC 740/1.2 GF 30 PTFE 13 Si 2. sűrűség ömledék állapotban: g/cm 3 sűrűség szilárd állapotban: g/cm 3 Rugalmassági modulusz az első főirányban: MPa Rugalmassági modulusz a második főirányban: MPa 16

16 Poisson tényező (v12): Poisson tényező (v23): Nyíró modulusz (G12): MPa Sűrűség ömledék állapotban: g/cm3 Sűrűség szilárd állapotban g/cm3 Az alkatrész fröccsöntésének gyártási paraméterei közül itt a legfontosabbakat említjük meg, amelyek a technológiai szimuláció szempontjából elengedhetetlen Az alkatrész fröccsöntéséhez alkalmazott paraméter lista tartalmazza a fröccsöntési folyamat legfontosabb gyártási paramétereit. A fröccsöntés legfontosabb részfolyamatai: a szerszám/üreg kitöltés (Filling), az utónyomás (Packing), munkadarab kidobása (Ejection) és a hűlés (Cooling) szakaszai. A kész alkatrész minőségének szempontjából elengedhetetlen az egyes fröccsöntési szakaszok/részfolyamatok összehangolt szabályozása, amivel megakadályozhatóak a fröccsöntéskor keletkező anyag hibák és felületi hibák kialakulása. A szerszám kitöltés folyamatát a csigadugattyú elmozdulásának illetve sebességének előre beállított értékével szabályozzák. Az üregkitöltést az utónyomási szakasz követi. A polimer ömledék állapotában összenyomható, tehát az üregbe a kitöltést követően is nagyobb mennyiségű műanyag kerül mindaddig amíg a gát befagy. Az utónyomási szakasz az időtől függő nyomás változtatásával szabályozható. A szabályozott szerszám nyomást a csiga dugattyú előtt kialakuló anyagpárna biztosítja. A gát befagyása után a nyomást leveszik a szerszámról. Ezt követően, az alkatrész a szerszámban lehűl, ennek következtében zsugorodik egészen a kidobás pillanatáig. A szerszám üreg kitöltése egy gáton keresztül történik, ennek pozícióját az alkatrész modellhez rendelt sárga színnel jelölt kúp határozza meg (10. ábra jobb oldal). 10. ábra Knob kábelvezető alkatrész 3D CAD modelje CoverTop 2 komponensű lemez alkatrész Az úgynevezett két komponensű (2k-s) alkatrész gyártása a hagyományos fröccsöntési technológiától eltér. Ezzel a technológiával több rétegű ( A és B komponensek) alkatrészeket állítanak elő, akár két eltérő anyagminőségű polimer is fröccsönthető. A létrejött szendvics szerkezetű alkatrészt a 11. ábra bal oldalán látható, az A és B komponensek a jobb oldali kép alapján különböztethetőek meg egymástól ( A komponens: alaplemez (fekete színnel), B komponens: keret (fehér színnel)). Ebben a konkrét esetben, a második réteg az alaplemezre fröccsöntött kisebb perem, amely a felhasználás során kialakuló rezgések és zaj csökkentését hivatott csillapítani. Az alkatrész gyártása forró csatornás fröccsöntéssel történik, ilyenkor nem alakul ki az ún. angus, a polimer nem dermed bele a szerszámcsatornába, kivéve az üreg beömlő nyílásához/gátjához közeli helyen. Az 17

17 alaplemezhez kitöltéséhez összesen 5 db gátat alkalmaznak, míg a B komponenst 4 ponton keresztül fröccsentik a formába (12. ábra). 11. ábra Cover Top műszerfali alkatrész 3D CAD modelje 12. ábra Cover Top alkatrész meglövési pontjai: A komponens (bal oldalon) és B komponens (jobb oldalon) A következőkben összefoglaljuk a két komponensű alkatrészre vonatkozó anyagminőségeket, főbb fizikai és mechanikai tulajdonságukat. A komponens anyagminőség: kereskedelmi megnevezés: Alcom PC/AWL 750/15.1 sűrűség ömledék állapotban: g/cm 3 sűrűség szilárd állapotban: g/cm 3 Rugalmassági modulusz az első főirányban: MPa Rugalmassági modulusz a második főirányban: MPa Poisson tényező (v12): Poisson tényező (v23): Nyíró modulusz (G12): MPa B komponens anyagminőség: kereskedelmi megnevezés: Hytrel 4056 sűrűség ömledék állapotban: g/cm 3 sűrűség szilárd állapotban: g/cm 3 Rugalmassági modulusz az első főirányban: 53 MPa Rugalmassági modulusz a második főirányban: 53 MPa Poisson tényező (v12): 0.45 Poisson tényező (v23): 0.45 Nyíró modulusz (G12): MPa 18

18 Symbolring alkatrész A Symbolring alkatrész (13.ábra bal oldal) szintén műszarfali elembe kerül beépítésre, anyagminőségének kereskedelmi megnevezés: Makrolon A fröccsöntés négy fészkes szerszámba történik. A fröccsöntő szerszámban üregenként 5 db gátat alkalmaznak, ezek pozíciójáról a 13. ábra jobb oldala ad felvilágosítást. A fröccsöntés kitöltési szakaszának szabályozását a csigadugattyú sebességével szabályozzák. Az utónyomási szakaszban, a nyomást az idő függvényében két lépcsőben állandó értéken tartják. A szerszámokat előtemperálják, valamint a fröccsöntés folyamán szerszámhűtést alkalmaznak, hűtőanyag vegyesen olaj és víz. 13. ábra Symbolring műszerfali alkatrész 3D CAD modellje (bal oldal), meglövési helyek (jobb oldal) Symbolring alkatrész főbb fizikai mechanikai tulajdonságok: sűrűség ömledék állapotban: g/cm 3 sűrűség szilárd állapotban: g/cm 3 Rugalmassági modulusz az első főirányban: 2400 MPa Rugalmassági modulusz a második főirányban: 2400 MPa Poisson tényező (v12): 0.39 Poisson tényező (v23): 0.39 Nyíró modulusz (G12): 900 MPa 5. Autodesk Moldflow Napjainkra a műanyag alkatrészek térhódítása az ipar minden területén megfigyelhető, ezzel párhuzamosan a vállalatok a piaci nyomás hatására folyamatosan küzdenek a gyártási költségek leszorításán, a piacra kerülési idő lerövidítésén. A sikerek eléréséhez minden korábbinál nagyobb szükség van egy olyan szimulációs szoftverre, amely a műanyag fröccsöntési folyamat átfogó vizsgálatát teszi lehetővé. Az Autodesk Moldflow fröccsöntés szimulációs szoftver része az Autodesk Digitális Prototípus megoldásának, amely segítségével a gyártók ellenőrizhetik, optimalizálhatják a műanyag alkatrészeket és fröccsöntő szerszámokat, valamint tanulmányozhatják a fröccsöntési folyamatot. A vállalatok világszerte használják Az Autodesk Moldflow Adviser és Autodesk Moldflow Insight szoftvereket, hogy csökkentsék a költséges fizikai prototípusok szükségességét, és megelőzzék a lehetséges gyártási hibákat, ezáltal gyorsabban, olcsóbban tudják piacra helyezni innovatív termékeiket. Natív CAD támogatás, forgatás, mozgatás, optimalizálás. Az Autodesk Moldflow lehetőséget nyújt vékonyfalú és nagy falvastagságú testmodellek szimulációjára is. Az eltérő 19

19 hálózási lehetőségek közül választhatnak a felhasználók a szükséges pontosságnak és rendelkezésre álló időnek megfelelően Autodesk Moldflow Adviser Ez a program az Autodesk Moldflow Insight korlátozott beállításokkal rendelkező változata. Alapbeállításokat érhetőek el a szoftverben. Komolyabb szimulációt és technológiai beállításokat nem lehet megvalósítani. Eredményként a fröccsöntéshez optimális helyet keresi meg a program. Ez nagy segítség, hiszen az iparban az egyik legfontosabb feladat a beömlőnyílás(ok) megkeresése. További eredményeket az alábbi fejezetben részletezzük Geometria importálása, anyagminőség és technológiai paraméterek megadása A termék geometriáját egy másik programból kell importálni, célszerűen úgy, hogy a lényeges geometriai elemeket hagyva meg, és a nem fontos lekerekítéseket, és apró lyukakat, írásokat eltűntetve. Segítve ezzel a hálózás pontosságát, illetve bonyolultságát. Miután a program lefordította a geometriát a saját függvényeire felajánl két lehetőséget. Alap Kettős tartomány ( Standard Dual Domain ) Tervezés tanácsadó Beömlő nyílás optimalizáló Fejlett Valóságos 3D ( Advanced True 3D ) Tervezés tanácsadó Beömlő nyílás optimalizáló Forma ablak Kitöltés Hűtés minőség Vetemedés Szívódási üreg megjelölés A kitöltés analízis elkezdése előtt, be kell állítani a kitöltő anyag tulajdonságait. Melyet az anyag adatbázisból kereshetünk ki. Az adatbázisban közel 9000 féle anyag található, mindegyik pontos adatokkal ellátva. Ezeket a gyártók vizsgálatai során kapott eredmények alapján osztályozhatjuk, és kereshetünk a katalógusban. Keresési paraméterek lehetnek: Gyártó Termék név Rövidített név Energia felhasználási index Súly (%) Leírás Ömledék tömegáram Erősítő szál tulajdonságai alapján Ezenkívül, még közel 80 lehetőséget kínál fel a kereső. De a fent felsorolt kritériumok alapján általában megtalálható a keresett anyag. 20

20 A kitöltési szimuláció futtatásához meg kell adni a szerszám beömlési helyet/helyeket. Továbbá a folyamatra érvényes technológiai adatokat is be kell állítani a számítás elindítása előtt. Ezek a következők: Szerszám hőmérséklet Ömledék hőmérséklet Sebesség\nyomás kapcsolás (%) Kitöltési idő nyomás (%) beállítás Hűtési időt 14. ábra Előírt utónyomás megadása az idő függvényében A technológiai paraméterek közül, a szabályozott utónyomás megadására mutat példát a 14. ábra. A fröccsöntő berendezésen előre beállított paraméter listának megfelelő nyomás idő grafikon pontos megadására van lehetőség Moldflow Adviserrel előállított eredmények bemutatása A Moldflow Adviser-rel előállítható számos eredmény közül itt csak néhányra térünk ki, azokra, amelyek a termék minőségének, valamint a jellemző hibák előrejelzése szempontjából fontosak lehetnek. Tekintve, hogy az Adviser által számolt és listázható eredmények száma korlátozott, egy átfogóbb analízishez a Moldflow Insight használata szükséges. Viszont azt is meg kell említeni, hogy a számítási idő az Adviser esetén ennek megfelelően jelentősen rövidebb egy komplexebb szimulációhoz képest. A fröccsöntési folyamat, illetve a szerszám minőségének javításához mindenképp hasznos eszköznek bizonyul. A számított eredményeket a Knob alkatrész analízisén keresztül mutatjuk be. Az alábbi, 15. ábra az üreg kitöltés folyamatát jeleníti meg az idő függvényében. Az ábrán a sárga szín jelöli a szerszám üreg gátjának helyét. 21

21 Összecsapási vonalak jellemzése 15. ábra Üreg kitöltés folyamata Fontos eredmény a termék gyártása során létrejövő összecsapási vonalak meghatározása (17. ábra), hiszen ezek a vonalak utalhatnak strukturális gyengeségre. Az összecsapási vonalak talán a leggyakrabban előforduló és legnehezebben kiküszöbölhető hibahelyek a fröccsöntésnél. Ezek akkor keletkeznek, amikor a szerszámüregben a térkitöltés során a polimer ömledékfrontok találkoznak. Néha csak esztétikai problémát okoznak a készterméken, de előfordulhat, hogy a névleges szilárdság csupán 20%-a marad meg ezeken az összecsapási területeken. A gyenge összecsapási vonalak eredete lehet a nem megfelelő anyagválasztás, darabtervezés, szerszámtervezés vagy a feldolgozási paraméterek helytelen beállítása. Például egyes anyagok érzékenyebbek a folyási út milyenségére (amíg eljutnak az összecsapási vonalakhoz), a termék nem egyenletes falvastagsága nyírási problémákhoz vezethet az ömledékáramlás törését okozva, a szerszám kialakítása (pl. helytelenül megválasztott beömlési pontok, bordák, kidudorodások, lyukak) mind megakadályozhatják az egyenletes ömledékáramlást, így összecsapási vonalak alakulnak ki, hasonlóan a szerszámon belüli hőmérsékleti egyenetlenségek miatti folyási anomáliákhoz [5]. 16. ábra Összeömlési frontok által bezárt szög meghatározása A diagramon színképpel jelölt szög érték, az összecsapási vonal illetve két egymásba összeömlő frontot jellemző fontos adat. Tulajdonképpen ez a szög fejezi ki az összeömlési frontok egymással bezárt szögét, ez minőségi különbséget is jelent a folyamat végén megszilárdult alkatrészre. Ugyanis ha a szög értéke kisebb, mint 135, az összecsapási vonal környezetében lévő egyes polimer láncok merőlegesek a polimer ömledék áramlási irányára (16. ábra, bal oldali kép). Ha 135 -nál nagyobb ez az érték a polimer láncok az áramlási iránynak megfelelően rendeződnek (16. ábra, jobb oldali kép). Az eredmények ismeretében előre jelezhető egy esetleges tönkremenetel. 22

22 Átlaghőmérséklet 17. ábra Összecsapási vonalak előrejelzése Az átlaghőmérséklet eredménye mutatja a kitöltés végén az átlaghőmérsékletet a keresztmetszet függvényében (18. ábra). Az ömledék hőmérséklete az üregben, az idő és hely szerint változik. Az ömledék az alkatrész keskeny fala mentén gyorsabban hűl, mint a vastagabb részeken, így az ömledék viszkozitása helytől függően is változik. Mindez befolyásolja az ömledék áramlását, ezen keresztül szerszámüreg kitöltését. Nehéz mindezeket a paramétereket egyetlen eredményben szemléltetni. Az átlaghőmérséklet eloszlása a térfogaton mindenképpen fontos adat a technológiai tervezéshez, valamint a kész alkatrész minőségének javításához. Az átlaghőmérsékletből következtethetünk a maradó feszültségek okára is. 18. ábra Átlag hőmérséklet az alkatrész keresztmetszetében A megszilárdult réteg jellemzése Ez az eredmény, térfogat százalékban fejezi ki a kitöltési szakasz végéig megszilárdult polimer mennyiségét helytől és keresztmetszettől függően (19. ábra). A polimer megszilárdul, ha a hőmérséklet az adott polimer átmeneti hőmérséklete alá esik. Kitöltés alatt, a megszilárdult rétegnek meg kell tartani egy állandó vastagságot a folyamatos áramlás érdekében, a hő veszteségnek egyensúlyban kell lennie a szerszám falának hőelvonásával és az érkező forró ömledék viszkozitásával. Amint az áramlás leáll, a hőelvonás fog dominálni a 23

23 teljes keresztmetszet mentén. Ez a gyors növekedés a keresztmetszet mentén fogja adni a megszilárdult réteg eredményt. A viszkozitás exponenciálisan nő a hőmérséklet csökkenésével. Az áramlási keresztmetszet is csökken a megszilárdult réteg növekedése miatt Töltési nyomás 19. ábra A megszilárdult réteg mennyisége a kitöltési szakasz végén A befecskendezési nyomás eredmény a kitöltési analízisből származik, mutatja a maximum töltési nyomás értékét mielőtt a kitöltés\utónyomás átkapcsolás megtörténik (20. ábra). A kezdetben a nyomási érték 0, vagy 1 atmoszféra az üregben. A nyomás akkor kezd növekedni amikor az ömledék eléri a befecskendezési gátat. A nyomás tovább növekszik, ahogy az ömledék tölti fel az üreget, mivel a megnövelt áramlási hossz további akadályokat és ellenállást jelent a folyadéknak. A nyomáskülönbség két különböző keresztmetszethez tartozó nyomás szükséglet különbsége. A nyomási gradiens a két nyomás különbségének összege osztva a keresztmetszetek közötti távolsággal. Ahogy a víz a magasabb pontról folyik az alacsonyabb pont felé, a polimerek hasonlóan követik ezt a tendenciát, miszerint a magasabb nyomású térből az alacsonyabb nyomású térbe igyekszenek áramlani, ezért a maximális nyomás a meglövési pontnál lép fel, a legalacsonyabb pedig az üreg legtávolabbi pontjában, mint azt az alábbi ábra mutatja. 20. ábra Kitöltési nyomás eloszlása a szerszámüregben 24

24 Nagysága függ a polimer tulajdonságaitól, mivel értelemszerűen a nagyobb viszkozitású polimer nagyobb nyomást igényel az üreg kitöltéséhez. Különös figyelmet igényelnek a keskeny falú szakaszok, kis fülek és hosszú áramlási utak mivel ezekhez nagyobb nyomási gradiens tartozik, ezért nagyobb nyomás szükséges a kielégítő kitöltéshez Anyagi szálak orientációja Az orientáció megmutatja, hogyan fognak a molekulák elhelyezkedni a külső héjon (21. ábra). Továbbá bemutatja az elsődleges orientáltságát a szerkezetnek a kitöltés végén. Mivel az ömledék azonnal megdermed amint a szerszám falával érintkezik, ezért a sebességvektor határozza meg a legvalószínűbb molekuláris orientációt a külső héjon. 21. ábra Orientáció meghatározása az alkatrész külső felületén A szemléltetés kedvéért, az eredmény ábrázolásának tulajdonságainál a vektor léptéktényezőjét nagyobb értékre állítottuk be. E vektorok az anyagi szálak irányítottságát, elrendeződését határozzák meg, a valódi molekula láncok hosszáról nem adnak tájékoztatást. Ez az orientáció egyben meghatározza a sebességvektor irányát, amikor az ömledék a szerszámba jut. Így könnyen nyomon követhető az ömledék útja az üregben Nyomásesés Ez az eredmény arra utal, hogy mennyire nagy nyomás szükséges az adott terület kitöltéséhez (22. ábra). Amint az alábbi ábrán is látható, a színek mutatják a nyomás szükségletet az egyes pontokban, a beömlési pont környezetében az első pillanattól kezdve volt anyag, azaz mindig szükség volt nyomásra, hogy az anyag tovább áramoljon. 25

25 Minőségi előrejelzés 22. ábra Nyomásesés az üregben Az Adviser az alkatrész várható minőségéről is ad információt a teljes keresztmetszetre nézve (23. ábra). A program az eredmény bemutatásához felhasználja az időben változó nyomás, hőmérséklet eloszlást, a munkadarabban kialakuló maradó feszültségeket és egyéb számított paramétereket. A színkép alapján, előre jelezhetjük a minőségi szempontból kritikus helyeket. A hiba helyek utalnak egyrészt a gyengébb mechanikai jellemzőkre, másrészt felületi hibákra. 23. ábra A Knob alkatrész minőségi előrejelzése Adviserrel A színek jelentései: Zöld: Jó minőség; Sárga : Előfordulhatnak hibák; Piros: Biztosan lesz hiba Áramlási front hőmérséklet A kitöltési elemzéskor fontos jellemző az áramlási front hőmérséklet eloszlásának meghatározása (24. ábra). A fröccsöntési folyamat során ugyanis törekedni kell arra, hogy minimalizáljuk az áramlás hőingadozását a töltési fázis alatt is, ennek következtében a kisebb hőingadozások kisebb maradó feszültséget okoznak. Amint a 24. ábra mutatja, a program az egyes hőmérsékleti tartományokat különböző színekkel jeleníti meg, a kék szín jelenti a legalacsonyabb hőmérséklettel rendelkező területeket, míg a piros szín a legmelegebb területet jelöli meg. Ha a fröccsöntési paraméterek nem megfelelően vannak beállítva, alacsony lesz az ömledék hőmérséklete, aminek következtében elégtelen lesz az üreg kitöltése. Az áramlási front 26

26 hőmérsékletének szimulálásával és a folyamat ilyen jellegű leírásával, az előbbi hiba megoldására is tehetünk javaslatot A kidobási idő meghatározása 24. ábra Áramlási front hőmérséklet Az Adviser saját optimalizáló algoritmussal határozza meg az alkatrész minőségi szempontjából ideális kidobási időt (25. ábra). Az optimalizálási eljárás eredményeképpen a deformáció és a maradó feszültségek mértéke minimalizálható. Ez a számítási módszer figyelembe veszi azt a jelenséget is, hogy a befröccsentési helynél, a ciklikusság miatt nagyobb a felmelegedés. Az új anyag alkalmazása befolyásolja a hűtési időt Hőmérsékletszórás 25. ábra Kidobási idő meghatározása A hőmérséklet variancia eredmény kiemeli azokat a területeket, melyek hőmérséklete eltér az alkatrész-geometria és a hűtési rendszer hatására az átlagos hőmérséklettől a ciklus végén (26. ábra). A piros szín jelzi azokat a területeket, melyek melegebbek az átlagosnál, és a kék jelzi azokat a területeket, melyek az átlagosnál hidegebbek. A hőmérséklet szórás eredmény továbbá megjeleníti az alkatrész egész geometriájának hőmérséklet eloszlását és felületi hőmérsékletét. A vastag szakaszok és hő csapdák, mint a kis zárt területek, szintén 27

27 befolyásolják az ömledék hűlését, tehát a megoldást több eredmény összevetésével érdemes együtt értelmezni. 26. ábra Hőmérséklet szórás 5.2. Az Autodesk Moldflow Insight technológiai szoftver Az Autodesk Moldflow Insight fröccsöntési technológiai szimulációs szoftver egyértelműen különválasztja az egyes fröccsöntési szakaszokat, amelyek a szerszám üreg kitöltése, az utónyomás és az alkatrész kilökését követő részfolyamat. Amennyiben csak a kitöltési analízist alkalmazzuk, az eredmény gyakorlatilag összevethető a Moldflow Adviser eredményeivel, azonban a beállítható paraméterek száma utóbbinál kevesebb, valamint az Insight a listázható eredmények számával nem szűkölködik. Más szempontból az Adviser-nek abban van előnye az Insight-hoz képest, hogy viszonylag gyorsabban ad gyakorlati szempontból fontos használható eredményeket, amely a parametrizálás leegyszerűsítéséből következik, ez tulajdonképpen a számítási idő csökkenését is jelenti. Többek között az üreg kitöltés megvalósíthatóságáról ad tájékoztatást. Annak érdekében, hogy a részfolyamatokhoz kapcsolódó egyes eredményeket a futtatás után elérhessük, még a futtatást megelőzően a felhasználó által be kell jelölni mindazokat, amelyek számára fontosak. Megjegyzendő, hogy a lehívott eredmények száma befolyásolja a számítás időszükségletét. Azonban, egyes eredmények háló specifikusak, ami igen megnövelheti egy-egy alkatrész modelljére vonatkozó előkészítési időt. Például, az alkatrész lehűlése után maradó feszültségről (ez már a kidobás után jelentkezik a munkadarabban), akkor kaphatunk információt, ha modellt a megfelelő típusú technikával hálózzuk (Midplane háló). A teljes fröccsöntési folyamat modellezéséhez, akár egy több szintű analízis is indokolttá válhat, ha tömbszerű alkatrészeket vizsgálunk Az Autodesk Moldflow Insight szimuláció felépítése, fő lépései A szimulációs modell felépítésének első lépése, az alkatrész geometria, CAD fájl behívása (az importálás előtt, ha szükséges a geometria átalakítása). Ezt követően, a megfelelő geometria birtokában, elvégezhető a modell hálózása az alkatrész geometriai viszonyaitól és kialakításától függően. A szoftver lehetővé teszi ugyanakkor a szerszám csatornában lejátszódó áramlás modellezését is. Ehhez szükséges a szerszámcsatornák CAD modellje, vagy magában az Insight-on belül is felépíthetjük az egy vagy több üreges szerszámok, szerszámcsatorna elemekre érvényes geometriát. Ezután tehetjük meg utóbbiak hálózását is. A geometriai modell hálózása után következik az anyagminőség és a fröccsöntési folyamat 28

28 paramétereinek megadása (ez magában foglalja a szerszámra és polimerre jellemző technológiai adatok megadását, valamint a fröccsöntő berendezés jellemzők konkretizálását is). A technológiai adatok beállítása után, következhet a modell futtatása, aminek idő szükséglete az elemszámtól és a parametrizálástól függően széles időtartományon belül változhat Autodesk Moldflow Insight elem típusok és hálózás A Moldflow hálózója dimenziótól függően többféle elemet és hálózási technikát kínál a felhasználóknak. A Moldflow-ban alkalmazott, jellegzetes elemtípusok a következők: a rúd-, a síkbeli három csomópontú háromszög elem és a térbeli tetra elem (27. ábra). Ezeknek alkalmazása természetesen geometria és feladat függő. 27. ábra Autodesk Moldflow Insight elemtípusok Az ún. Midplane mesh három csomópontú háromszög elemekből építi fel a modellezni kívánt test geometriáját, a 3D testet kétdimenziós alakzatként értelmezi. Keskeny falú alkatrészek esetén, ahol a térbeli elemek használata nem indokolt, ez a hálózás típus megfelelő, valamint a számítási időt is jelentősen csökkenti. Tömbszerű alkatrészek hálózásához a 3D tetra elem típust is használhatjuk. Keskeny falú alkatrészek esetében, a Midplane hálózási technika mellett lehetőség van egy újabb eljárásra, ez az ún. Dual Domain háló építésre. A Dual Domain technika vitathatatlan előnye a Midplane -el szemben, a geometriai modell előkészítés idő szükségletének csökkenése. A Dual Domain felületi hálózás lehetőséget nyújt az ömledék áramlásának szimulációjára az üreg alkatrész felső és alsó üreg féllel érintkező felületeken is, ahol egyébként a valóságnak megfelelően eltérő peremfeltételek is adódhatnak. A 28. ábra a Dual Domain technikával felépített Knob alkatrészt mutatja be, közel elemből épül fel. Az egyes hálózási technikákra jellemző paraméterek előírásai vagy irányértékei széles tartományok között változhatnak, az elemekre érvényes oldalaránya (Aspect ratio) értéke például igen eltérő lehet a Dual Domain és tetra hálózás eseteiben, ezért a háló előkészítésénél körültekintően kell eljárni. A Moldflow automatikus hálózást tesz lehetővé. A háló generálást követően mód nyílik a háló felülvizsgálatára és ellenőrzésére is, amely során információt szerezhetünk a háló minőségét jellemző mutat számokról. Ilyen például, az átlagos oldal arány értéke, az elemek orientáltsága, olyan hálózási hibák, mint az egymást átlapoló vagy metsző elemek. A javításra szoruló hálózási hibákat megtehetjük még a modell futtatását megelőzően manuálisan, vagy automatikusan a Moldflow nyújtotta kereteken belül. 29