Odkształcenia wyprasek wtryskowych

Prezentujemy tekst poświęcony wynikom badań odkształceń wyprasek wtryskowych typu C. Problem został poruszony podczas Konferencji „Recyrkulacja w Budowie Maszyn, Rozwój Produktu, która odbyła się na Wydziale Mechanicznym Akademii Techniczno – Rolniczej w Bydgoszczy. Zagadnieniem zajmowali się Wojciech Śliwa, Joachim Zimniak, Adam Budzyński, Michał Bachan, Grzegorz Kazimierczak, pracownicy Wydziału Mechanicznego Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy i firmy GM System z Wrocławia.

Dokładność wymiarową wyprasek wtryskowych kształtuje się na poszczególnych etapach ich wytwarzania. Ważne więc staje się poznanie odkształceń powstających na tych etapach.

Odkształcenia wyprasek, ich dokładność kształtów i wymiarów zależą od wielu czynników, w tym od konstrukcji wyprasek, konstrukcji form wtryskowych, parametrów technologicznych wtryskiwania i rodzaju przetwarzanego tworzywa. Do czynników tych zalicza się głównie geometrię wypraski i gniazda, rodzaj i miejsce wlewu oraz układ chłodzenia, a ich wpływ zależy od doświadczenia projektanta wypraski i formy.

Ułatwieniem są tutaj techniki symulacji, których zastosowanie staje się niekiedy koniecznością. Są one znacznie tańsze od prób warsztatowych. Wymiary nominalne gniazda przyjmuje się na podstawie konstrukcyjnych wymiarów wypraski z uwzględnieniem najbardziej prawdopodobnej wartości skurczu, którego dokładne określenie jest często trudne, ponieważ zależy od struktury tworzywa, gęstości, orientacji cząsteczek i napełniaczy oraz od temperatury i ciśnienia tworzywa w formie.

Zanika dawniej obowiązujący podział na wypraski codziennego użytku, które charakteryzowały się wysoką jakością wizualną i typowo techniczne mające wysoką wytrzymałość, dokładność wymiarową itp. Granica pomiędzy tymi dwoma grupami szybko przemija. Obecnie zamawiający formę wtryskową wymaga, aby elementy otrzymywane z narzędzia miały zarówno wysoką jakość wizualną jak i cechy charakteryzujące wypraski techniczne. Element taki powinien mieć jak najmniejsze deformacje, wypaczenia itd.

Konstruowanie profesjonalnej formy wymaga dużego doświadczenia. Niestety na tak wysokim etapie rozwoju poleganie tylko i wyłącznie na samym doświadczeniu konstruktora jest często niewystarczające. Dlatego proces konstruowania formy powinien być poprzedzany i wspomagany metodami numerycznymi, które w odpowiednim przybliżeniu starają się symulować rzeczywistość. Konstruktor wyposażony w dodatkowe silne wsparcie ze strony narzędzi numerycznych może łatwo wyeliminować późniejsze problemy, które są drogie do usunięcia w kolejnych etapach. Szczegółowe analizy dają szerokie rozeznanie, pomagają w uniknięciu kosztownych poprawek.

Największy udział w całkowitej deformacji wypraski ma jej podstawa, na której jest budowana. Dokładne zbadanie tendencji do deformowania podstawy jest pierwszym krokiem do osiągnięcia zminimalizowanych odkształceń. Minimalizacja deformacji jest szczególnie ważna dla przedmiotów, które muszą współpracować z innymi elementami urządzenia i być dokładnie do nich dopasowanymi. Są to przykładowo przedstawione na rys.1. obudowy, korpusy, uchwyty.

Warto przejść teraz do zagadnienia analizy odkształceń wyprasek o dominującym kształcie ceowym i deformacji wyprasek typu ceownik z polipropylenu.

Jest to tworzywo krystaliczne powszechnie stosowane na wyroby codziennego użytku. Duży stopień krystaliczności powoduje problemy z osiągnięciem żądanych wymiarów. Wybrana geometria składa się z ceowego korpusu, który w dalszej kolejności jest uzupełniany innymi elementami.

Numeryczny zapis docelowej geometrii produktu wygenerowano w systemie 3D MCAD UGS Solid Edge V17, a następnie za pośrednictwem formatu *.stl wyeksportowano do aplikacji CAE MPA Moldflow 7.0, w której wykorzystuje się Metodę Elementów Skończonych.

W przypadku tworzyw krystalicznych duży wpływ na przebieg procesu zestalania się tworzywa mają spadki ciśnień, które zależą od grubości ścianki. Przy ściance o większej grubości jak przedstawiono na rysunku 2 w prawym górnym rogu odkształcenia skurczowe są równomierne bez wypaczeń, przepływ jest stabilniejszy, występuje niska anizotropia skurczu. Docisk jest bardziej skuteczny ze względu na to, iż rdzeń pozostaje dłużej płynny.

Stosowanie wyprasek o dużej grubości ścianki prowadzi jednak do zwiększenia jej masy, czasu trwania cyklu wtryskiwania i w efekcie do wzrostu kosztu przedmiotu. Dlatego dąży się do minimalizowania grubości wyprasek. Odrębnym problemem jest przetwórstwo tworzyw kompozytowych w ramach ich recyklingu. Tutaj pogrubianie ścianek wyprasek jest często korzystne, a nawet konieczne.

Symulację odkształceń wyprasek o małej grubości ścianki pokazano na rysunku 2 w lewym dolnym rogu i w prawym dolnym rogu. Zmniejszenie grubości ścianki powoduje zmianę deformacji wypraski wywołaną w dużej mierze większymi spadkami ciśnienia. Deformacje są większe i praktycznie niemożliwe do przewidzenia bez wspomagania numerycznego.

Wypraska o zwiększonej grubości dna na rysunku 2 w prawym dolnym rogu również wykazuje duże deformacje, lecz ich kierunek się jest przeciwny do sytuacji przedstawionej na rysunku 2 w lewym dolnym rogu. Wykorzystując oba te zjawiska, można uzyskać optymalną kombinację grubości ścianek, dla której odkształcenia są minimalne. Odpowiednio zoptymalizowana wypraska nie powinna stwarzać problemów w późniejszym przetwórstwie, czy montażu.

Kolejnymi, częstymi i ważnymi elementami wyprasek, które wpływają na odkształcenia są żebra usztywniające. Ich geometria i miejsce usytuowania nie mogą być przypadkowe i widać je na rysunku poniżej.

Dzięki pracy w systemie Moldflow możliwe jest zoptymalizowanie wybranych warunków brzegowych analizy, w tym takie parametry jak temperatury uplastycznienia tworzywa, temperatury formy i ciśnienia wtrysku, a także lokalizacji punktu wtrysku.

Po przeprowadzeniu analizy z zastosowaniem optymalnych wartości parametrów procesu, uzyskano wyniki rozkładów: temperatury lokalnej, spadku ciśnienia tworzywa, czasu wypełnienia oraz kierunków rozpływu materiału w gnieździe formującym, a także ostatecznej prognozy jakości wypraski.

Analizując wyniki symulacji MES procesu wtryskiwania danych modeli ze szczególnym uwzględnieniem skurczu wytworu, stwierdzono że największy wpływ na deformację ma ciśnienie i temperatura tworzywa w formie. Widać to na poniższym rysunku.

Geometrię MCAD zmodyfikowano poprzez podniesienie żebra lub żeber („odklejenie” od dna) zlokalizowanych w płaszczyźnie symetrii przedmiotu, po czym powtórzono obliczenia. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, iż po korekcji geometrii zjawisko skurczu znacznie zmniejszyło się.

Przeprowadzono szereg obliczeń MES, na podstawie których otrzymano dane umożliwiające prognozowanie odkształceń wyprasek wtryskowych typu C. Przeprowadzono dyskusję na temat wpływu założonego kształtu modelu 3D na rodzaj technologicznego skurczu wypraski. Stwierdzono, że w wyniku zaproponowanych modyfikacji geometrii zjawisko skurczu zmienia swój charakter, a odkształcenia wypraski mogą, w porównaniu z modelem pierwotnym dać oczekiwane, pozytywne efekty.

Autorzy: Wojciech Śliwa, Joachim Zimniak, Adam Budzyński, Michał Bachan, Grzegorz Kazimierczak, pracownicy Wydziału Mechanicznego Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy i firmy GM System z Wrocławia.