بخشی از مقاله
کاهش سیکل تولید سپر پراید با نرم افزار Mold Flow
چکیده
تا دو دهه قبل طراحی قالب با روش حدس و خطا جز بزرگترین معضلات قالبسازان به حساب میآمد. از طرفی برطرف نمودن عیوب قالب پس از راهاندازي آن و مشاهده معایب قطعه تولیدي نیز هزینههاي بیشتري را متوجه سازندگان قالب و تزریقکاران صنعت پلاستیک میکند. امروزه صنعت قالبگیري به سمت استفاده از آخرین تکنولوژي به شکل برنامههاي کامپیوتري که چگونگی جریان سیال درون قالب و خنکسازي و سایر قسمتهاي قالبگیري تزریقی را شبیه سازي میکند هدایت شده است. با استفاده از نرمافزارهاي پیشرفته امروزي میتوان هزینههاي بالاي نیروي انسانی، آزمونهاي پیاپی عملی، مواد، دستگاه، مشکلات احتمالی و زمان حصول نتیجه در پژوهشهاي صنعتی را به حداقل رساند. نرمافزار Mold Flow یکی از قدرتمندترین و کاربرديترین نرم افزارهاي مهندسی است که در شکلدهی تزریق پلیمرها به کار میرود و قابلیت طراحی قالب، پیشبینی معایب قطعات تزریقی و حصول به شرایط بهینه فرآیند را دارا می باشد. در این مقاله سعی شده است بدون استفاده از روش سعی و خطا و با توجه به کارایی بالاي نرم افزار Mold Flow در فرآیند تزریق، سیکل تولید سپر پراید کاهش یابد و در نهایت هزینههاي ذخیره شده در تولید این قطعه گزارش شود بدین ترتیب که پس از طراحی قطعه و ورود آن به نرمافزار، قطعه مشبندي شد. سیستم خنککاري و راهگاهی مطابق شرایط موجود طراحی گردید و پس از انجام انواع آنالیزها در شرایط فرآیندي مختلف، زمان تولید سپر از 89 ثانیه به 72 ثانیه کاهش یافت.
واژههاي کلیدي: قالبگیري تزریقی، Mold Flow
-1 مقدمه
شبیه سازي ، یکی از روشهاي تجزیه و تحلیل سیستمها است. شبیهسازي فرایند، طراحی مدلی از سیستم واقعی و انجام آزمایشهایی با این مدل است که با هدف پیبردن به رفتار سیستم و ارزیابی آن فرایند است. ابزار شبیهسازي امکاناتی را در اختیار طراحان و مهندسان قرار می دهد که میتوانند بدون صرف هزینه و تولید ضایعات، در کمترین زمان، تاثیر پارامترهاي مهم هر سیستم را بر روي تغییرات آن بررسی کنند .[1]
نرمافزار Mold Flow یکی از قوي ترین نرمافزارهاي شبیهسازي فرآیند تزریق می باشد. این نرمافزار اولین بار در سال 1978 تولید گردید که در آن سال فقط قادر به انجام آنالیز (Flow) جریان بود. به مرور زمان
ویژگیهاي آن توسعه یافت به گونهاي که امروزه قادر است کلیه چرخه سیکل تزریق را اعم از پر کردن قالب، اعمال فشار نگهدارنده، خنک کاري قطعه تحلیل نماید. همچنین بررسی سیستمهاي چند حفرهاي، انواع ژئومترهاي رانرها و محلهاي تزریق، بررسی تولید قطعه با مواد متفاوت و در نتیجه کاهش هزینه توسعه و تولید محصولات جدید، تحلیلهاي تابیدگی و ... با آن امکانپذیر است .[2]
اساس آنالیزهاي نرمافزار Mold Flow بر مبناي مشبندي میباشد بنابراین نـوع و انـدازه مـشهـا در صـحت نتایج و سرعت آنالیز موثرمی باشند.با توجه بـه پیچیـدگی مسـائل مهندسـی اغلـب از روشـهاي عـددي اسـتفاده میشود. در ایـن نـرمافـزار، جهـت انجـام محاسـبات از دو روش Finite Element و یـا Finite Difference اسـتفاده میگردد.
-1-1 روش المان محدود و تفاضل محدود الف- روش المان محدود (Finite Element)
در این روش محیط پیوسته مورد نظر به یک مجموعه از المانهاي کوچکتر به نام المان محدود تقسیم می شوند. نخستین و مهمترین مرحله در روش المان محدود تقسیم میدان به یک مجموعه از المانهاي کوچکتر میباشد. این کار معادل آن است که یک سیستم با تعداد درجات آزادي محدود جایگزین سیستمی با تعداد درجات آزادي نامحدود شود. شکل، اندازه و ترتیب المانها بر حجم محاسبات تاثیرگذار بوده و باید با دقت و شناخت کافی از مسئله انتخاب شود. [5]
در نرمافزار Mold Flow سه نوع المان جهت انجام مدلسازي قابل تعریف می باشد. المانهاي Beam که المانهاي میله اي نیز نامیده میشوند از دو گره تشکیل شده و براي کانالهاي خنک کاري، رانرها، محل تزریق و
... کاربرد دارد. المان نوع Triangle متشکل از سه گره بوده و در مش بنديهاي یک و دو بعدي کاربرد دارد. المان نوع Tetrahedron نیز المانی است که از 4 گره و 3 مثلث درست شده است و براي مشبنديهاي سهبعدي به کار میرود.
اندازه المان تأثیر مستقیم بر همگرایی جواب نهایی دارد. با کاهش اندازه المان جواب نهایی از دقت بالاتري برخوردار می باشد ولی حجم و زمان محاسبات افزایش مییابد. در مسائلی که گرادیان متغییر در نواحی مختلف تفاوت زیادي دارد از المانهاي با اندازههاي متفاوت استفاده میگردد. بطوریکه در نقاط با گرادیان بالا از المانهاي کوچکتر استفاده میگردد.
تعداد المانهایی که براي مدل سازي انتخاب میشود بستگی به دقت مورد نیاز، اندازه المانها و تعداد درجات آزادي جسم مورد بحث دارد. گرچه با افزایش تعداد المانها معمولا نتایج دقیقتري بدست می آید ولی براي هر مسئله خاص یک حد معینی براي تعداد المان ها وجود دارد که بعد از آن با افزایش تعداد المانها تغییر محسوسی در دقت جواب حاصل نمی شود .[3]
ب- روش تفاضل محدود ( Finite difference)
پایه و اساس این روش استفاده از بسط تیلور میباشد. در این روش ابتدا دامنه جریان مشبندي شده یعنی به قسمتهاي کوچکتري که اصطلاحا شبکه گفته میشود تقسیم می شود.
اگر مقادیر یک متغییر وابسته (f) در نقطه xo و yo برابر با fi,j باشد مقادیر این متغیر در نقـاط همسـایه fi+1,j ، fi-1,j ، fi,j+1 و fi,j-1 میباشد. اگر f یک تابع پیوسته باشد مقدار fi+1,j به وسیله بسط سري تیلور قابل محاسبه است.
با توجه به دقت و توانایی بیشتر روش المان محدود در حل معادلات و انجام شبیه سازي هاي پیچیـده نسـبت بـه روش تفاضل محدود عموما از تکنیک المان محدود در شبیهسازيها میشود .[3]
شکل -1 مشبندي در روش تفاضل محدود
-2-1 .1-1 انواع مشبندي جهت شبیهسازي فرایند تزریق
بر اساس دستههاي مختلف المانها، انواع مشبنديها در Mold Flow به صورت زیر میباشد:
.1-1-1 مشبندي میانصفحهاي (Midplane Mesh)
در مواقعی که اختلاف ضخامت قطعه درجاهاي مختلف آن زیاد نباشـد مـی تـوان مـش بنـدي را بـه صـورت میانصفحهاي انجام داد. در این روش قطعه در سطح مقطع برش (Cross Section) به صـورت یـکبعـدي مـش بنـدي میشود که مشها به صورت مثلثی می باشند.
.2-1-1 مشبندي سطحی یا دوبعدي (Fusion)
این حالت اساس مش بندي آنالیزهایی است که به صورت فیوژن مش بندي می شوند. ایـن روش متـداولترین روش مش بندي می باشد که در آن سطح قطعه مش بندي می شـود. میـزان دانسـیته مـش هـا در روش فیـوژن از اهمیت خاصی برخوردار است.
شکل -4 انواع مشبنديها: الف- میانصفحهاي ب- دوبعدي ج- سهبعدي
.3-1-1 مشبندي حجمی یا سهبعدي (3D Mesh)
مش بندي حجمی اساس مش بندي براي آنالیز سه بعدي می باشد. در این روش که براي قطعات توپر (Chunky)
کاربرد دارد از المان هاي 4 نقطه اي استفاده می شود و سطح و حجم قطعه مش بندي می شود. به علت پیچیـدگی محاسبات در این نوع مش بندي، نتایج حاصل از آنالیز در این قسمت از روش هاي میان صفحه اي و دو بعدي کمتـر است .[4]
-2 مواد و تجهیزات
-1-2 مشخصات ماده
پلی پروپیلن مورد استفاده در ساخت سـپر پرایـد گریـد EC90D50P05B تولیـدي شـرکت پلـیکمـی سـوئد می باشد. در این تحقیق نیز از این گرید جهت ارزیابی میزان دقت شبیه سازي استفاده گردید. البتـه بـا توجـه بـه نبودن مشخصات این گرید در بانک اطلاعاتی نرمافزار Mold Flow از اطلاعات گرید مشابه آن یعنی گریدED064T
تولیدي شرکت Borealis استفاده شد.
-2-2 مشخصات قالب
جنس قالب از فولاد 1/2311 با مشخصات درج شده در جدول زیر میباشد.
جدول -1 مشخصات ماده مصرفی در قالب
-3-2 مشخصات دستگاه تزریق
جهت تولید سپر از دستگاه تزریق KM 2300 تولیدي شرکت Engel استفاده شد.
جدول -2 مشخصات دستگاه تزریق
-3 شبیهسازي قطعه در نرمافزار
-1-3 وارد نمودن مدل قالب در نرم افزار و مشبندي آن
ابتدا مدل CAD سپر در نرم افزار Solid Works طراحی شد و سپس به نرمافزار Mold Flow وارد گردید. براي بررسی تحلیل نتایج بر روي سپر از مشبندي سهبعدي استفاده گردید. بعد از مشبندي نیز کانالهاي خنک کننده، رانرها و محل هاي تزریق ترسیم گردید.
5
شکل-5 مدل مشبندي شده به روش سهبعدي
-2-3 انتخاب ماده مورد نظر از بانک اطلاعاتی نرم افزار
همانطور که اشاره شد، با توجه به نبودن مشخصات گرید EC90D50P05B در بانک اطلاعاتی نرمافزار Mold Flow از اطلاعات گرید مشابه آن استفاده شده و تغییرات لازم (بر اساس جدول 3 و شکل (6 در آن اعمال
گردید.
جدول -3 مشخصات ماده مصرفی در سپر
-3-3تعیین شرایط فرآیندي
در این قسمت مطابق مشخصات ماده انتخابی محدوده دماي مذاب، قالب و زمان باز و بسته شدن قالب تعیین گردید تا بر این اساس بهترین زمان اعمال فشار نگهدارنده و زمان خنککاري محاسبه گردد (جدول .(4
