Fröccsöntés szimuláció a szerkezeti analízis szolgálatában Fröccsszimuláció Moldex3D segítségével, exportálási lehet!ségek az ismertebb CAE rendszerekbe Fröccsszimuláció Polyvás Péter Pál * szerkezetelemz! mérnök Moldex3D fröccsszimulációs szoftver A Moldex3D a világ egyik vezet! CAE (Computer Aided Egineering) rendszere a m"anyag fröccsöntés területén. Egyedülálló, teljes 3D lehet!séget biztosít a fröccsöntés szimulációkhoz. A teljes 3D modell magában foglalja a h"t!köröket, az elosztócsatornákat, a szerszámbetéteket, az inzerteket és a darab valós geometriáját. A 3D modell létjogosultságát megalapozza az a tény, miszerint az elterjedt 2,5D (héj) megközelítés számos esetben nem írja le kell! pontossággal a forma üregben kialakuló áramlást. Ilyen esetek pl. száler!sített termékekben a szálak orientációja, az áramlás a szélesed! és a sz"kül! területeken, a gömbszer" felületek körüli áramlás. Bonyolult geometriájú termékeknél nehézséget okozhat a középfelület meghatározása, különösképpen ha ezt automatizáltan szeretnénk elvégezni. A Moldex3D szoft - vercsalád három programcsomagban kerül piacra, ezek a következ!k: explorer, edesign, Solid/ 1. ábra. Moldex3D szoftvercsalád Shell (1. ábra). Moldex3D explorer A Moldex3D explorer CAD rendszerekbe ágyazott alkalmazás, mellyel f!ként a formaüreg kitöltés optimalizálható. Jelenleg Pro Engineer, SolidWorks és NX platformokba integrálható. A fejleszt!k ígérete szerint hamarosan számos további rendszer kiegészít!jévé válhat. Egyik legnagyobb el!nye, hogy nem igényel komolyabb tanulási folyamatot, hiszen a már megszokott rendszerbe kerül beágyazásra. A hálózás teljesen automatizált, amivel rengeteg id! takarítható meg. A szimulációk gyors elvégzését támogatja a négy magos parallel számítás. Fontos még megemlíteni a több mint 5000 anyagot tartalmazó alapanyag adatbázist. A fröccsöntési paraméterek beállítása felhasználóbarát felületen történik. A szimuláció eredményei között szerepelnek többek között az öszszecsapási helyek, beszívódásra hajlamos területek, illetve a short shot problémák el!rejelzése. Moldex3D edesign A Moldex3D edesign hatékony megoldást jelent a szerszámtervezésben. A legelterjedtebb elosztócsatornaés h"t!rendszereket támogatja, ezek könnyedén definiálhatóak ún. varázslókon keresztül. Az automatikus hálógenerálás itt is biztosított úgy, mint az alapanyag adatbázis. A parallel számítást nyolc magon végezhetjük. A modellkészítés a Designer modulban zajlik, f!bb lépései a következ!k: a geometria importálása STL formátumban, az elosztócsatornák definiálása, a hálózás. További lépések a szerszám majd a h"t!csatornák generálása, végül a modell exportálása. Egyszer" modellek esetén az egész folyamat néhány percet vesz igénybe. Bonyolultabb h"- t!csatorna rendszer esetén célszer" a csatornák nyomvonalát el!készíteni más CAD rendszerben, majd a középvonalakat pl. IGS formátumban importálni a Designerbe. Ezután nincs más dolgunk, mint az el!készített vonalak attribútumát beállítani h"t!csatornának a megfelel! méretekkel (kör keresztmetszet). Az elosztócsatornák esetén támogatott a kör, téglalap, illetve a trapéz keresztmetszet. Amennyiben ezekt!l eltér!t szeretnénk alkalmazni, el!zetesen be kell modelleznünk a CAD rendszerben, majd a formaüreghez hasonlóan STL formátumban importálni a Designer-be. Az edesign számos szimulációs lehet!séget biztosít. Az alapvet! analízis típusok (kitöltés, utónyomás, h"tés, vetemedés) mellett megtalálható a szálorientáció, reaktív fröccsöntési (RIM), MCM (multi component molding) analízis, ami magába foglalja az inzertes és több komponens" darabok szimulációját. Utóbbi két alkalmazásnál tranziens h"tésszámítással tovább növelhetjük az eredmények pontosságát. Remote Computing segítségével a futtatást egyszer"en áthelyezhetjük egy szerverre, amíg a saját gépünkön adott esetben egy következ! modellt készítünk el!. A *econ Engineering Kft., peter.polyvas@econengineering.com 2010. 47. évfolyam 6. szám 209
szerverre akár több gépr!l is indíthatunk számításokat. Ezeket a Computation Manager-rel sorba állíthatjuk, rendezhetjük. A számítás végeztével az eredmények egy kattintással letölthet!k a saját gépre, ahol elvégezhetjük a kiértékelést. A dokumentációt automatikusan generálja a szoftver. A dokumentáció tartalmát egy el!zetesen elkészített sablonnal igényeink szerint változtathatjuk. Az edesign tartalmazza az I2 interfészt, err!l a cikk második felében foglalkozunk b!vebben. Moldex3D/Solid/Shell A Modex3D/Solid/Shell programcsomag kifejezetten az optimalizációt támogatja. A modell el!készítése a Rhinoceros CAD rendszerbe ágyazott hálózóval történik. Bonyolultabb geometriájú formaüregek hálózását manuálisan optimálhatjuk. A teljes szerszám solid elemekkel hálózható, tetsz!leges geometriájú h"t!rendszer, elosztócsatorna készíhet!. Az el!z!ekhez képest további analízis típusokkal b!vülnek lehet!ségeink, ilyen az optikai analízis és a IC tokozás. Az I2 interfész ebben a programcsomagban is rendelkezésre áll. Exportálási lehet!ségek az ismertebb CAE rendszerekbe (I2 interfész) Számtalan, korábban fémb!l készült szerkezeti elemet helyettesítenek a polimer alkatrészek kimagasló anyagtulajdonságaiknak, alacsony tömegüknek és áruknak köszönhet!en. A fröccsöntött termékek viselkedését nagymértékben befolyásolják a feldolgozási paraméterek. Gondoljunk itt a termékben keletkez! maradó feszültségekre, száler!sített anyagoknál a szálak orientációjára. A fröccsöntési szimulációval vizsgálható a formaüreg kitöltés, utónyomás, h"tés és végül, de nem utolsó sorban a darab vetemedése a kidobás után. A Moldex3D I2 interfésze segítségével lehet!ség nyílik a fröccsszimulációt követ!en a korábban említett adatok figyelembevételére a szerkezeti analízisek során. Az exportálni kívánt paraméterek tekintetében különböz! lehet!ségeket nyújt az edesign és a Solid/Shell programcsomag. Az exportált adatokat a legelterjedtebb végeselem rendszerekben használhatjuk fel, mint pl. Ansys, Abaqus, LS-Dyna, MSC Nastran, NE Nastran, MSC Marc. A szálorientációs információk Digimat rendszerben is feldolgozhatóak. Az 1. táblázatban láthatók az exportálási lehet!ségek az Ansys végeselem rendszerbe. A fröccsszimuláció végeztével a mo- 2. ábra. Exportálás 1. táblázat. Exportálási lehet!ségek az Ansys végeselem rendszerbe Moldex3D/Solid/Shell Ansys Option Original Deformed Mapped Output!!! Fiber Orientation Material Reduction!!! Thermal Residual Stress Output! #! Part Flow Residual Stress Output! #! Initial Strain Output (As Temperature Difference)! #! Packing Phase Temperature Output! #! Digimat Option Fiber Orientation Data!! # Part Insert Flow Pressure Output! #! Moldbase Output! #! Moldbase Pressure Output! #! Moldbase Moldbase Temperature Output! #! Runner Output!!! Output as High Order Element!!! edesign # #! Moldex3D/eDesign Ansys Option Original Deformed Mapped Fiber Orientation Material Reduction # #! Thermal Residual Stress Output # #! Flow Residual Stress Output # #! Initial Strain Output (As Temperature Difference) # #! Packing Phase Temperature Output # #! Digimat Option Fiber Orientation Data # # # Part Insert Flow Pressure Output # #! Moldbase Output # #! Moldbase Pressure Output # #! Moldbase Moldbase Temperature Output # #! Runner Output # #! Output as High Order Element # #! edesign # #! 210 2010. 47. évf!lyam 6. szám
dellünk tartalmazza az összes információt, amiket a szerkezeti analízis során érdemes figyelembe venni. Az I2 interfésznek köszönhet!en kiválasztjuk az exportálandó adatokat, és elvégezzük a szerkezeti analízist. Ez a gyakorlatban is nagyon egyszer"en zajlik, ahogy azt a 2. ábra mutatja. Végeselem háló A fröccsszimuláció természetesen teljesen eltér! le - írásmódot használ, mint az a szerkezeti analíziseknél megszokott. A Moldex3D a kitöltési analízishez a véges térfogatok (HPFVM High Performance Finite Volume Method) módszerét használja. Az alapvet! leírásbeli különbségek részletezését!l most tekintsünk el, és nézzük át az I2 interfész e téren kínált lehet!ségeit. Amint az az 1. táblázatban is látható, exportálhatjuk az eredeti és a vetemedett alakhoz tartozó, és egy ún. mappelt hálót. Az eredeti és a vetemedett alakhoz tartozó háló struktúrája megegyezik a Moldex3D által használttal. Ezen a ponton azonban érdemes elgondolkodni azon, hogy milyen háló struktúrát követel egy fröccsöntés analízis, és milyet egy szerkezeti analízis. El!bbi f!ként tetra elemekb!l épül fel. Egyik f! szempont a falvastagság mentén megfelel! elemszám biztosítása az áramlás pontos leírása érdekében. Utóbbinál f!ként hexa elemeket alkalmazunk, és a hálót azokon a pontokon s"rítjük, ahol az eredmények az adott feladat szempontjából ezt megkövetelik. Továbbá általánosságban elmondható, hogy a fröccsszimuláció nagyobb elemszámmal dolgozik, mint a szerkezeti analízis. Az egymásnak ellentmondó igényekre a megoldás a mappelt háló (3. ábra). Az I2 interfész segítségével a két teljesen eltér! igényeknek megfelel! háló között teremthetjük meg az átmenetet. A fröccsszimulációból nyert eredményeket a szoftver rásimítja az általunk el!z!leg a szerkezeti analízishez el!készített hálónkra. Mindhárom hálótípusnál (eredeti, vetemedett alakhoz tartozó, mappelt) lehet!ség van az exportált hálót magasabb rend" elemekb!l felépíteni. Ansys esetén ez a Solid186 kvadratikus ele met jelenti, a lineáris Solid185 helyett. Száler!sített anyagok Száler!sített anyagok esetén a szálak orientációjából fakadóan különböz! anyagtulajdonságokkal találkozunk. Gondoljunk csak arra, hogy a falvastagság mentén hogyan alakul a szálorientáció. Akár hét réteg is kialakulhat, amib!l három réteg vastagsága számottev!. Ezek a szerszámfal mentén folyásirányba orientálódott, és ezekre mer!legesen rendez!dött rétegek (4. ábra). Az 4. ábra mutatja, hogyan befolyásolja a darab merevségét a szálak iránya. Bonyolultabb alkatrészek esetén a kitöltés függvényében tovább bonyolódik a helyzet. Egy kisebb alkatrésznél az elemszám elérheti az egymil- 3. ábra. Mappelt háló 4. ábra. A jellemz! orientáció fröccsöntött termékekben 5. ábra. Eltér! tulajdonságú anyagok eredeti száma 11964, redukált 663 2010. 47. évf!lyam 6. szám 211
liót, ehhez akár tíz-, de akár százezres különböz! anyagtulajdonság is társulhat. A korábban említett CAE rendszerek ennyi anyagtípust nem tudnak kezelni, illetve nem is feltétlenül kifizet!d! mindet figyelembe venni. Az I2 interfésszel ezt a rendkívül magas számot redukálhatjuk, így a kis eltéréseket a szálorientációban figyelmen kívül hagyhatjuk (5. ábra). Tisztában kell lennünk azzal, hogy a szálorientációból származó anizotrópia figyelembevétele érdekében növelnünk kell a szerkezeti analízis során használt elemszámot. 6. ábra. Maradó h!feszültségek (Moldex 0,48 37,84 MPa és Ansys 0,48 37,84 MPa) 7. ábra. H!mérséklet-eloszlás az utónyomás végén (Moldex 31,287 227,876 C és Ansys 31,287 227,876 C) 8. ábra. H!mérséklet-eloszlás a szerszámban 212 2010. 47. évfolyam 6. szám
9. ábra. Nyomáseloszlás az inzerteken Ez természetesen a számítási id!t növeli, azonban a plusz energia befektetés pontosabb eredményekhez vezet. Exportált eredmények A továbbiakban néhány exportált eredményt mutatunk be: maradó h!feszültségek, h!mérséklet-eloszlások, inzerteken ébred! nyomás (6 9. ábra). Optimalizáció A cikkben áttekintettük a Moldex3D lehet!ségeit (a teljesség igénye nélkül), illetve a fröccsszimuláció exportálható eredményeit. A Moldex3D segít a technológia optimálásában, míg az I2 interfész a szerkezeti analízisek eredményeinek pontosításában. A fröccsöntés folyamán az inzerteken vizsgálható az ömledék okozta nyomáseloszlás, és az ebb!l fakadó deformáció. A maradó feszültségek és az anizotrópia figyelembevételével a termék optimálása tovább fejleszthet!, ezáltal gazdaságosabb az el!állítás. 2010. 47. évfolyam 6. szám 213