Analiza MES procesu wytwarzania wypraski

Prezentujemy artykuł wygłoszony na Konferencji Naukowo-Technicznej i dotyczący "Programów MES w komputerowym wspomaganiu analizy projektowania i wytwarzania".

Podczas konferencji omówiono symulację procesu wtryskiwania wybranej wypraski, z użyciem narzędzi numerycznych działających z zastosowaniem Metody Elementów Skończonych (MES). Obiektem badań był element pokrywy komory nabojowej karabinka wojskowego. Zastanowiono się nad możliwością wykorzystania tworzyw polimerowych jako materiału konstrukcyjnego wybranych części składowych broni palnej. Takie zastosowanie tworzyw poprawiłoby ergonomiczność obiektu badań. W założeniach konstrukcyjnych tego typu elementy cechować powinny się takimi właściwościami użytkowymi jak: tolerancje wymiarowe i kształtowe, odporność termiczną, a także duża trwałość.

Dzięki zastosowaniu narzędzi numerycznych, wykorzystujących Metodę Elementów Skończonych możliwa jest symulacja danego procesu wytwarzania w celu prognozowania wybranych parametrów technologicznych. Zaprezentowano wyniki analizy MES procesu wtryskiwania produktu z uwzględnieniem jego przetwórczych tendencji skurczowych.

Do analizy MES procesu wtryskiwania wypraski użyto modelu lewej wkładki, która została wygenerowana w systemie 3D MCAD UGS Solid Edge V17. Geometrię wyeksportowano za pośrednictwem formatu *.stl do aplikacji CAE MPA Moldflow 7.0. W pierwszym kroku badań dokonano porównania wpływu zastosowania liczności punktów wtrysku na: deformacje, rozkłady spadków ciśnienia, temperatury czoła strugi, czasu wypełnienia, skurczu lokalnego, orientacji powierzchni i linii łączenia strug.

Przeprowadzona symulacja numeryczna procesu wtryskiwania wykazała, że odkształcenia skurczowe dla jednego punktu wtrysku są większe i bardziej skupione niż w przypadku zastosowania dwóch punktów wtrysku.

Dlaczego tak się dzieje?

Wywołane jest to większymi drogami płynięcia tworzywa, w przypadku jednego punktu, co powoduje większe spadki ciśnienia, temperatur. Prowadzi to jednocześnie do zróżnicowania skurczu lokalnego i w konsekwencji zwiększenia deformacji całej wypraski. Dla dwóch punktów wtrysku czas cyklu wytwarzania jest krótszy o około 27 proc., co przyśpiesza produkcję.

Zastosowanie dwóch punktów wtrysku jest korzystniejsze ze względu na odkształcenia i czas cyklu, jednak powstające linie łączenia strug dyskwalifikują to rozwiązanie. Ze względu na równomierną wytrzymałość wypraski linie łączenia strug w newralgicznych obszarach są niedozwolone.

Jeśli chodzi o dobór materiału konstrukcyjnego, to dominujący wpływ na właściwości wypraski ma zastosowanie odpowiedniego tworzywa, które należy dobierać pod kątem postawionych założeń. W przeprowadzanych badaniach, które omawiano w trakcie konferencji, użyte zostały tworzywa polimerowe zróżnicowane ze względu na budowę struktury wewnętrznej: krystaliczne i amorficzne.

Tworzywa krystaliczne mają uporządkowany rozkład łańcuchów węglowych, większy skurcz o charakterze anizotropowym, zależnym od kierunku płynięcia.

Rozkład łańcuchów w tworzywach amorficznych jest losowy, posiadają one mniejszy skurcz o charakterze izotropowym. Tworzywami krystalicznymi użytymi do badań był polipropylen, poliamid oraz poliamid napełniony włóknem szklanym. Amorficznymi zaś polistyren.

Elementy wykonane z tworzyw krystalicznych uległy deformacji, największe z nich nastąpiły w przypadku polipropylenu. Górna krawędź montażowa została zniekształcona. W przypadku zastosowania tworzywa amorficznego nie zaobserwowano deformacji. Zgodnie z założeniami początkowymi, wypraska powinna mieć wysoką wytrzymałość termiczną, czego nie zapewniają żadne tworzywa oprócz poliamidu, dodatkowo wytrzymałość polistyrenu jako przedstawiciela tworzyw amorficznych maleje wraz ze wzrostem temperatury.

W odniesieniu do dobór parametrów wtrysku zauważono, że podczas pracy z zastosowaniem systemu CAE Moldflow możliwe jest zoptymalizowanie wybranych warunków brzegowych analizy, w tym temperatury uplastycznienia tworzywa, temperatury formy i ciśnienia wtrysku dla danego tworzywa. Po przeprowadzeniu analizy z zastosowaniem optymalnych wartości parametrów procesu, uzyskuje się największą możliwą pewność wypełnienia z przewidywaną jakością. Odpowiednią kombinację parametrów wtrysku otrzymuje się w zależności od temperatury uplastycznienia i czasu cyklu. W przypadku minimalizowania czasu cyklu rośnie temperatura uplastycznienia, co zmniejsza lepkość tworzywa i zwiększa prędkość płynięcia.

Sugerowane przez program optymalne wartości parametrów wtrysku przy czasie wtrysku 1,24 s są następujące: temperatura uplastycznienia 265 st. C, temperatura formy 110 st. C, ciśnienie wtrysku 100 Mpa.

Biorąc pod uwagę dobór parametrów docisku przyznać należy, że w przypadku zastosowania poliamidu, który jest tworzywem krystalicznym ważna jest kompensacja strat wywołanych skurczem. Docisk powinien trwać do zastygnięcia układu zasilającego, ponieważ później kompensacja jest już niemożliwa. Zbyt długi docisk prowadzi do niepotrzebnego przedłużania czasu cyklu. W badaniach założono formę dwugniazdową. Z rozkładu czasu chłodzenia można zauważyć, że przewężki zastygają po około 10 sekundach od rozpoczęcia wtrysku. Czas docisku nie powinien przekroczyć tej wartości, ponieważ dłuższy nie daje żadnych efektów.

We wnioskach pokonferencyjnych podano, że zastosowanie tworzyw sztucznych do wytworzenia elementów karabinka wojskowego jest możliwe. Należy jednak spełnić założenia dotyczące wytrzymałości na wyższą temperaturę pracy i odkształcenia.

Stosowanie elementów wykonanych z tworzyw polimerowych na elementy karabinka wojskowego zmniejsza jego masę i koszty produkcji, niweluje problemy korozji. Ze względu na powstawanie linii łączenia strug powodujących spadek wytrzymałości w obszarze występowania, niemożliwe jest zastosowanie dwóch punktów wtrysku, co skracałoby czas wtrysku o 27 proc. i rozkładałoby równomierniej odkształcenia.

Najodpowiedniejszym tworzywem polimerowym, przeznaczonym do wytwarzania danego detalu jest poliamid, który posiada wysoką wytrzymałość termiczną, a dodatkowo napełniony w 30 procentach włóknem szklanym cechuje się niewielką podatnością skurczową.

Dobrano numerycznie optymalne parametry wtrysku, które wynoszą: temperatura uplastycznienia 265 st. C., temperatura formy 110 st. C., ciśnienie wtrysku 100 Mpa, czas trwania docisku nie powinien przekroczyć 10 sekund ze względu na to, że w tym czasie zastyga przewężka. Dalszy docisk nie przynosi efektów.

Dzięki zastosowaniu zintegrowanych narzędzi CAD/CAE możliwy jest optymalny dobór tworzyw oraz warunków technologicznych ich przetwarzania, celem wytwarzania tak złożonych produktów, jak elementy wojskowej broni palnej.

Wszystkie obliczenia numeryczne z zastosowaniem oprogramowania CAE Moldflow Mold Adviser 7.0 przeprowadzono w siedzibie firmy GM System we Wrocławiu. Materiał powstałna podstawie informacji GM System. Zagadnieniem zajmowali się Tadeusz Niezgoda, Michał Bachan, Wojciech Bieniaszewski, Robert Kamińsk oraz Grzegorz Kazimierczak.