В лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) выполнена оптимизация процесса литья пластмассовой детали и ее прочностное исследование. Рассматривалась опорная каретка небольшого размера, использующаяся в современных принтерах и МФУ, подвергаемая относительно большому статическому нагружению. Оптимизация велась по критерию минимизации объемной усадки и коробления.
Рис. 1. Модель опорной каретки
Целью работы заключалась не только в оптимизации технологического процесса и в прочностном исследовании конкретной детали. Значительное внимание было уделено демонстрации совместного использования задействованных программных продуктов (Moldex3D, DIGIMAT, ANSYS), выявлению влияния на результат свойств материала, параметров литниковой системы и системы охлаждения. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации процесса литья произвольных изделий из пластмассы.
На первом этапе определялся оптимальный материал из тех, которые рекомендуются производителями.
Таблица 1. Рассматриваемые материалы
Оптимальным оказался материал полипропилен (PP_POLYFORTFPP20GFC), армированный короткими волокнами. При его использовании усадка и коробление уменьшается в два раза, в сравнении с другой разновидностью полипропилена - PP_POLYFORTFPP20T, не армированной волокнами.
Таблица 2. Результаты моделирования
Рис. 2. Поле суммарных перемещений (PP_POLYFORTFPP20GFC)
Рис. 3. Поле объемной усадки (PP_POLYFORTFPP20GFC)
В случае с материалом PBT_SCHULADURAGF30 (процентное содержание волокон 30%, рис. 2) и в случае с PA_ZytelPLS95G35DH1BK031 (процентное содержание волокон 35%, рис. 3) при заданных условиях процесса расплав не успевает полностью заполнить форму, т.е. в детали образуется дефект, называемый непроливом, и использование этих материалов не представляется возможным.
Рис. 4. Итоговое заполнение полости пресс-формы в случае использования материала PA_ZytelPLS95G35DH1BK031 (непролив)
Moldex3D позволяет визуализировать процесс заполнения пресс-формы:
После определения оптимального материала, была проведена оптимизация системы литниковых каналов и системы охлаждения.
Рассматривались следующие конфигурации системы:
Рис. 5. Конфигурация системы (Проливка №1)
Рис. 6. Конфигурация системы (Проливка №2)
Рис. 7. Конфигурация системы (Проливка №3)
Рис. 8. Конфигурация системы (Проливка №4)
Рис. 9. Конфигурация системы (Проливка №5)
Рис. 10. Конфигурация системы (Проливка №6)
Таблица 3. Сравнение результатов проливок
- Проливки №3 и №4 для данной детали не реализуемы с точки зрения технологии
- Оптимальна проливка №6
После проведения рассмотренного выше моделирования ряда проливок, можно сделать следующие выводы:
- Использование материала, армированного волокном, позволяет снизить коробление и усадку более чем в два раза
- При стремлении увеличить модуль Юнга материала важно обеспечить полный пролив детали
- Количество литниковых каналов для небольших деталей не играет существенной роли
- Важную роль играет плоскость расположения литниковых каналов (технологическая осуществимость конструкции)
- Существенные ограничения на геометрию системы литников и охлаждения накладывает технология производства
- Форма литниковых каналов вносит существенные корректировки в итоговые свойства
- Коробление и усадка в большей степени зависит от системы охлаждения, нежели от системы литниковых каналов
Для конечно-элементного расчета поведения детали под нагрузкой необходимо знать основные механические свойства материала. Их можно получить двумя способами:
- Аналитическое осреднение по методу Мори-Танака в программной среде DIGIMAT
- Передача материалов в ANSYS непосредственно из Moldex3D
В программной среде DIGIMAT получены гомогенизированные свойства материала:
Рис. 11. Механические свойства компонентов материала
Рис. 12. Осредненные механические свойства материала
В случае передачи материалов непосредственно из Moldex3D осреднения механических свойств по всему объему не производится. Осреднение происходит локально и в итоге выделяется 27 материалов, свойства определяются массовым содержанием волокон и их ориентацией.
Рис. 13. Цветовое отображение различных материалов
Проведение прочностного анализа проводилось в программной среде ANSYS. Была выбрана условная модель нагружения и закрепления (с учетом технологических отверстий под болты и массы блока управления, закрепленного на детали) для анализа поведения детали под нагрузкой в зависимости от используемого материала и метода получения осредненных свойств материала.
Рис. 14. Условная схема нагружения и закрепления
Рис. 15. Поле суммарного перемещения, мм
- Материал - полипропилен PP_POLYFORTFPP20T: максимальное знач. - 0.089 мм
- Материал - полипропилен PP_POLYFORTFPP20GFC: максимальное знач. - 0.074 мм
Рис. 16. Поле суммарного перемещения, мм
- Материал, переданный из Moldex3D: максимальное знач. 0.072 мм
- Материал с осредненными свойствами: максимальное знач. 0.074 мм
Рис. 17. Поле напряжений, МПа
Максимальное напряжение – порядка 3.4 МПа, при допустимых напряжениях порядка 40 МПа.
Таким образом, благодаря выбору оптимального материала и оптимизации литниковой системы и системы охлаждения, удалось снизить среднее значение объемной усадки и коробления примерно в 4 раза.
Напряжения, возникающие в детали, являются допустимыми и удовлетворяют поставленным условиям.