dipl v sabl1 - ustavkonstruovani.cz · hledisek je ekonomicnost vyroby. Z tohoto duvodu se vyrobci soucastı snazı o co Z tohoto duvodu se vyrobci soucastı snazı o co nejefektivnejsı

strana 1 1. U vod

PROHLA SENI Prohlasuji ze jsem diplomovou pracı vypracoval samostatne, za pouzitı podkladu v uvedenř literature a za pomocı vedoucıho diplomovř prace.

ý ý ý ý ý ý ý ý . Jan Zouhar

strana 2

strana 3 1. U vod

PODE KOVA NI Chtel bych podekovat vs em, kterı mi pomahali pri res enı tř to diplomovř prace. Zejmř na Ing. Jirımu Martochovi z firmy Autopal Novy Jicın, vedoucımu diplomovř prace za odbornř rady i vedenı prace, dale Ing. Premyslu Pokornř mu za pomoc s vypoctovymi programy.

strana 4

strana 5 1. U vod

ANOTACE Diplomova prace se zabyvala vypoctem teplotnıch polı na vstrikovacım nastroji (forme) pro vstrikovanı duroplastickych materialu . Hodnocena je forma pro vyrobu reflektoru automobilu . Je zde uvedena problematika vstrikovanı duroplastu , dale se zabyvam simulacnımi programy a samotnou simulacı rozlozenı teplot. Na zaver jsou vysledky srovnany s merenımi v realnř m stavu. The diploma work dealed with computing the thermal fields on the mould for injection moulding of thermosets materials. I worked with the injection mould for production of car reflectors. I inquired into the problems of injection moulding of thermosets, then I dealed with simulating softwares and the simulation of the temperature distribution itself. At the end there is a comparison between the real mould measurements and the results of simulation.

strana 6 Seznam pouzitych velicin

OBSAH: Obsah: .........................................................................................................................6 1. U VOD.....................................................................................................................9 2. PLASTICKE HMOTY ........................................................................................10

2.1 Delenı plastu ...................................................................................................10 2.1.1 Dle jejich chovanı za tepla.......................................................................10 2.1.2 Dle vnitrnı struktu ry.................................................................................10

2.2 Slozenı plastu ...........................................................................................11 2.3 Prıprava plastickych hmot .......................................................................11 2.4 Reaktoplasty.............................................................................................12

2.4.1 Plnenř reaktoplasty...........................................................................12 2.4.2 BMC (Bulk Molding Compounds) .......................................................13

2.5 Vstrikovanı reaktoplastu ..........................................................................13 2.5.1 Vs eobecnř Č daje ......................................................................................14 2.5.2 Proces vstrikovanı.................................................................................14

2.6 Vstrikovacı stroje.....................................................................................17 2.7 Vstrikovacı formy.....................................................................................18

2.7.1 Slozenı formy........................................................................................18 2.7.2 Temperace forem ..................................................................................19 2.7.3 Odvzdusnenı forem...............................................................................23 2.7.4 Zpu soby vyhazovanı vylisku z forem...................................................23

2.8 Vady na vyliscıch......................................................................................24 2.8.1 Bılř oblasti ............................................................................................25 2.8.2 Spaleniny .............................................................................................25 2.8.3 Barevnř zilky ........................................................................................26 2.8.4 Zrnitř okraje..........................................................................................26 2.8.5 Puchyre .................................................................................................27 2.8.6 Praskliny ...........................................................................................28

3. METODA KONECNYCH PRVKÍ ....................................................................29 3.1 Pruzne - deformacnı analyza...................................................................29 3.2 Vedenı tepla ............................................................................................30

4.SIMULACNI SOFTWARE ..................................................................................33 4.1 Vyber a pouzity simulacnı program.......................................................33

4.1.1 Realny stav...........................................................................................33 4.1.2 Model formy .........................................................................................34

4.2 Vyber programu......................................................................................35 4.2.1 Ansys DesignSpace (Workbansch).......................................................35 4.2.2 Cosmos DesognStar ..............................................................................35 4.2.3 Ansys ....................................................................................................36 4.2.4 I-deas TMG Thermal Solution..............................................................36 4.2.5 SimDesigner for CATIA V5.................................................................36 4.2.6 Marc Mentat 2005.................................................................................37

4.3 STEP - STandard for the Exchange of Product model data ...................37 5. ZATIZENI A OKRAJOVE PODMINKY ...........................................................37

5.1 Temperace formy....................................................................................39

strana 7 1. U vod

5.2 Stanovenı okolnıch podmınek ................................................................42 5.2.1 Vertikalnı stena formy ..........................................................................43 5.2.2 Horizontalnı desky................................................................................44 5.2.3 Celnı stena.............................................................................................45 5.2.4 Nucena konvekce..................................................................................47 5.2.5 Vstrıknutı hmoty...................................................................................47

5.3 Materialovř vlastnosti............................................................................48 6. SIMULACE TEPLOTNIHO POLE ................................................................... 48

6,1 SimDesigner for CATIA V5.........................................................................50 6.2 MSC Marc.Mentat 2005 ........................................................................51 6.3 Simulace.................................................................................................53

6.3.1 Steady state analyza .............................................................................53 6.3.2 Tranzient analyza.................................................................................54

6.4 Vysledky simulace.................................................................................57 7. POROVNANI VYSLEDKÍ S MŘRENIM ........................................................58

7.1 Merenı termovizı....................................................................................60 7.2 Merenı cidly teploty................................................................................63

8.U PRAVA FORMY A MOZNE NAVRZENE OPATRENI PRO ZLEPS ENI PROCESU ................................................................................................................62 9. ZAVŘR ................................................................................................................63 10. SEZNAM POUZITE LITERATURY................................................................64 11. SEZNAM PRILOH ............................................................................................65

strana 8 Seznam pouzitych velicin

SEZNAM POUZ ITY CH VELIC IN a m2s-1 Teplotnı vodivost c [J/kg .K] Merna tepelna kapacita D [m] Pru mer otvoru g [m.s-2] Gravitacnı zrychlenı Gr Grashofovo cıslo I [A] Elektricky proud Nu Nusseltovo cıslo po [Pa] Atmosfericky tlak Pb [Pa] Okolnı tlak Pr Prandtlovo c ıslo q [W/m2] Tepelny tok R [ř] Odpor Ra Reynoldsovo cıslo S [m2] Plocha t [s] Cas T [K] Teplota Tw [K] Teplota povrchu

∞T [K] Teplota okolı us [m/s] Rychlost proudenı W [W] Vykon β [W/m2K] Soucinitel prestupu tepla δ [K-1 ] Soucinitel objemovř roztaznosti ť [m] Tlousλka steny ν [W/m.K] Tepelna vodivost ρ [m2s-1] Kinematicka viskozita – [kg/m3] Hustota

strana 9 1. U vod

1. U VOD

Plasty jsou dnes jiz jeden z nejrozs ırenejs ıch materialu ve vs ech sfř rach lidskř ho konanı. S vyvojem novych technologiı a materialu se stale vıce prosazujı i do oblastı drıve vyhradne zastoupenych klasickymi materialy jako je drevo a ocel. Jednou z nejprogresivneji se rozvıjejıcıch oblastı pru myslu je oblast automobilovř vyroby. Jsou zde kladeny velkř naroky na kvalitu plastu, mechanickř vlastnosti, optickř , na ekologicka hlediska vyroby a zpracovanı a jedna z nejdu lezitejs ıch hledisek je ekonomicnost vyroby. Z tohoto du vodu se vyrobci soucastı snazı o co nejefektivnejs ı vyrobnı postupy, levnř materialy a zkracenı casu vyroby. S tımto zkracenım takř vznikajı naroky na rychlou vyrobu samotnych forem, v prevaznř vets ine pro vstrikovanı plastu . S tımto Č zce souvisı problř m simulacı a zkous ek na PC, tyto znacne zkracujı vysledny navrhovy cas i samotnou vyrobu formy i z hlediska financnıch nakladu jsou ve svř m du sledku velmi vyhodnř . Pouzıvanř materialy jsou dnes termoplasty, ale nezanedbatelnou roli a stale se zvetsujıcı vyznam majı duroplasty, zejmř na plnenř skelnymi vlakny ň BMC. Tyto vynikajı svymi vlastnostmi jak mechanickymi tak tepelnou stabilitou i dobrymi vlastnostmi pro tvarenı, zejmř na vstrikovanım. BMC materialy jsou odlisnř takř svou technologiı vstrikovanı Velky vyznam jako jeden z parametru ma teplota sten formy. Pri jejım prekrocenı nachylnř materialy degradujı a ztracejı pozadovanř vlastnosti nebo jsou jinak deformovanř , naproti tomu nızka teplota vede k dlouhym casu m nutnym pro zesıtenı BMC materialu . Spravnř rozlozenı teplot na vyslednř forme je jen tezko analyticky proveditelnř . Zde mu zeme s vyhodou nasadit simulacnı software pro hodnocenı vyslednych teplotnıch polı. Vysledky techto analyz nam umoznujı optimalizovat vytapenı nebo rozvod tepla po forme. Pokusy o sledovanı teploty povrchu formy jsou dnes omezeny jen na zaznam teploty cidly umıstenymi ve forme, dotykovymi teplomery a uplatnujı se i novř metody sledovanı povrch pomocı termovize, to vs ak s sebou prinas ı specifickř problř my. Jako jedna z moznostı jak zjistit rozlozenı teplot a jejı velikost je pocıtacova simulace. Touto se budu zabyvat. Pro analyzu byla vybrana forma pro vstrikovanı celnıch reflektoru automobilu New Focus. Vstrikovanı je zajis teno na lisu ENGEL ES 3550/550 K s rıdıcım systř mem EC88 ň A02 vybavenym a schopnym autoregulace topnych zon. Vstrikovacı forma samotna je velice slozitř ho tvaru a konstrukce vzhledem k pozadovanym vlastnostem a urcenı vylisku. Pro simulace je nutno vybrat vhodny simulacnı program vyhovujıcı danř Č loze, z casovř ho hlediska a dostupnosti moznř vypocetnı techniky. Velkou roli pro vyslednř simulace ma takř stanovenı pocatecnıch podmınek, aλ jiz vytapenı cı ochlazovanı okolnım prostredım a hlavne cyklus pru behu vstrikovanı.

1

strana 10 2. Plasticke hmoty

2

2.1

2. PLASTICKě HMOTY Nazvem plastickř hmoty souhrnne oznacujeme vs echny materialy tvorenř makromolekulami prırodnıch nebo syntetickych sloucenin, kterř se dajı tvarovat Č cinkem tepla nebo tlaku. Mezi plastickř hmoty patrı vs echny prakticky vyuzitelnř materialy, u kterych je moznř aplikovat ru znř zpu soby tvarenı a tvarovanı zalozenř na plastickř deformaci hmoty. V procesu zpracovanı jsou materialy v plastickř m stavu a jako hotovř vyrobky jsou pevnř , houzevnatř a pruznř .

2.1 Delenı plastu

2.1.1 Dle jejich chova nı za tepla a. termoplasty ň predstavujı linearnı a vetvenř polymery, kterř je mozno

opakovane tavit, tvaret a rozpous tet. b. reaktoplasty ň (jinym nazvem termosety ci duroplasty) jsou polymery, kterř

pri vys s ı teplote zesıλujı (vulkanizujı) a vytvarı sıλovř struktury, kterř jsou nerozpustnř a nedajı se nove formovat pri vys s ı teplote. Aby vznikla polymernı sıλ, je nutnř , aby kazda makromolekula mela nejmř ne dve sıλovř vazby spojujıcı ji s jinymi makromolekulami. V prıpade BMC materialu, pouzıvanych pri vstrikovanı reflektoru , je sıλovanı nenasycenych polyesteru styrenem. Temi se ve svř pracı budu zabyvat dale.

c. Elastome ry - latky, kterř se rychle vracı do pu vodnıho tvaru a rozmeru, z nehoz byly podstatne deformovanř malym napetım.

2.1.2 Dle vnitrnı struktury a. amorfnı ň pri ochlazovanı taveniny makromolekuly zaujımajı energeticky

nejvyhodnejs ı tvary nahodnych klubek s amorfnı strukturou. Vznikajı v prıpadech, ze ma polymer nepravidelnou konfiguraci, nedovolujıcı usporadanı do krystalickř mrızky.

b. Semikrystalicke ň ohebnř makromolekuly se orientujı tak, ze v urcitych

oblastech se vytvorı pravidelnř usporadanı. V krystalickych oblastech jsou retezce rovnobezne natazeny v Č tvarech, kterř je mozno charakterizovat zakladnı krystalickou mrızkou. Krystalizece polymeru je fazovym prechodem 1. radu ze skupenstvı kapalnř ho do tuhř ho. Krystalizeci podporujı pravidelna konfigurace a vysoka ohebnost Č seku retezcu .

2.1.1

2.1.2


2.2 Slozenı plastu

Z praktickř ho hlediska se plastickř hmoty jen zrıdka skladajı jen ze samotnř makromolekularnı latky. Prevazne spolecne s makromolekulovym pojivem se Č castnı na stavbe plastickř hmoty, plniva a prısady. To mu ze byt takř jedno z hledisek delenı. a. Pojiva - jsou to polymery jednoho ci vıce druhu casto oznacovanych jako zivice. b. Plniva - jsou materialy ru znř ho druhu, jejich Č celem je nahradit cast pojiva polymeru nebo vyhodne upravit vlastnosti hmoty. c.Prısady - jsou predevs ım barviva tepelnř stabilizatory, retardř ry horenı, maziva a zmekcovadla. Slouzı na Č pravu vlastnostı plastickych hmot.

2.3 Prıprava plastickych hmot V rozhodujıcı mıre se v technickř praxi pouzıvajı plastickř hmoty vyrabenř syntetickym zpu sobem, polyreakcemi funkcnıch skupin zČ castnenych makromolekul. Pripravujı se temito zpu soby A ) retezova polymerace B ) polykondenzace C ) polyadice D ) smıs enymi polyreakcemi E ) modifikacı syntetickych makromolekularnıch latek

Ad A ) Retezova Polymerace

Molekuly monomeru se slucujı ve vets ı celky bez vzniku vedlejs ıho produktu. Ru stova reakce probıha velmi rychle za prımř tvorby finalnıho polymeru. Zakladnı zpu soby: radikalova nebo iontova polymerace. Podle technologickř ho zpu sobu provedenı rozeznavame polymeraci blokovou, roztocovou, suspenznı, emulsnı a dals ı.

Ad.B ) Polykondenzace

Pri tř to reakci postupnou kondenzaci nızkomolekularnıch sloucenin vznika vysokomolekularnı latka za soucasnř ho vzniku jednoduchych nızkomolekularnıch reakcnıch zplodin (voda, alkohol, amoniak, halogenvodık). Na rozdıl od polymerace majı vzniklř makromolekuly odlisnř chemickř usporadanı jak monomernı latky vstupujıcı do reakce.

2.2

2.3


Ad.C ) Polyadice Svym mechanismem se castecne podoba retezova polymeraci a castecne polykondenzaci. Podobne jako pri retezova polymeraci nevznikajı ani pri polyadici vedlejs ı nızkomolekularnı produkty. Na rozdıl od retezova polymerace ma vznikla makromolekula odlisnou chemickou stavbu, nez-li vychozı makromelokularnı latka.

Ad.D ) Smıs enř polyreakce

U monomeru obsahujıcıch dostatecny pocet funkcnıch mıst mu ze probehnout nekolik druhu reakcı. Naprıklad u linearnıch polymeru nevzniknutych retezovou polymeracı probıhajı dodatecnř reakce mezi funkcnımi skupinami sousednıch polymernıch retezcu , cımz vznikajı sıλovanř polymery.

2.4 Reaktoplasty Nazvem reaktoplasty oznacujeme syntetickř polymery, kterř pu sobenım ru znych vlivu (teplo, ozarenı, prıdavek iniciatoru , vytvrzovadel, katalyzator atd.) prechazejı do zesıλovanř ho stavu, cımz vytvarejı nerozpustnř a netavitelnř latky.

Tato premena se nazyva vytvrzovanı a je podmınena prıtomnostı vıce jak dvou funkcnıch skupin schopnych vytvrdnout v molekule nedotvrzenř zivice. Vytvrzovanı probıha vzdy jako chemicka reakce a mu ze mıt polykondenzacnı, palyadicnı nebo polymeracnı mechanismus. V poslednıch dvou prıpadech se pri vytvrzovanı neuvolnujı reakcnı zplodiny, coz je vyhodnř , protoze nenı treba vykonavat vytvrzovanı za zvys enř ho tlaku. Nevytvrzenř zivice jsou bu° viskoznı kapaliny nebo tuhř latky. Podmınkou jejich zpracovatelnosti je tekutost pri teplote tvarenı. Kapaliny mu zeme redit rozpous tedly, tuhř latky prechazı do plastickř ho stavu pri zvys enř teplote. Reaktoplasty majı oproti termoplastu m vzdy vys s ı tepelnou odolnost, lř pe odolavajı studenř mu toku a jsou odolnejs ı i vu ci chemickym vlivu m. Podle klasickř ho delenı syntetickych polymeru mezi reaktoplasty patrı fenoplasty, aminoplasty, epoxidy, nenasycenř polyestery a doplnujı je zesıtenř polyuretany a silikony.

2.4.1 Plnenš reaktoplasty Vytvrzenř reaktoplasty se vyznacujı nızkou razovou houzevnatostı, jsou krehkř s vysokym smrs tenım, kterř se projevuje zejmř na v malř presnosti vyrobku. Plnenım zıskame prıznivejs ı a vs eobecne leps ı hodnoty. Naplnenř reaktoplasty se dodavajı jako polovyrobky urcenř pro dals ı zpracovanı na vyrobu hotovych i znacne tvarove slozitych vyrobku . Ty se nejcasteji vyrabı technologiı vstrikovanı, lisovanı nebo protlacovanı. Polotovary jsou nejcasteji ve forme prasku, tablet ci granulatu.

2.4


2.4.2 BMC (Bulk Molding Compounds)

Jedna se o vyztuzeny kompozitnı material. V prvnı rade se sklada z termosetickř pryskyrice a sklenenych vlaken a vyztuze plniva. Dals ı soucasti jsou nızko Č rovnovř prısady, separator, prıpravky pro snadnejs ı vytvrzenı, pro tencı steny vyrobku a dals ı, slouzıcı pro snadnejs ı tvarenı. Typickř slozenı pro automobilovy pru mysl:

- Pryskyrice 20 % - Low profile agent 9% - CaCO3 54 % - Sklenena vlakna 15% - Dals ı ( vytvrzovace, separatory ) 2%

BMC polotovar je vyraben z mnoha tekutych praskovych a vlaknitych castı, kterř se spojı stlacenım do vhodnř ho polotovaru (BMC pasta).. Postup vyroby je uveden na obr 1.2 .Material pro zıskanı po nem pozadovanych vlastnostı potrebuje 7dni zranı. Hlavnımi vlastnostmi BMC kompozitu je dıky pomerne kratkym sklenenym vlaknu m jeho dobra zatř kavost i do malych prostor. Dıky anorganickym plnivu m je garantovana velka tepelna odolnost a velice dobra kvalita povrchu, ktera predurcuje jeho pouzitı na reflektory automobilu . Takř jeho smrs tenı okolo 0,05% je velice vyhodnř .

2.5 Vstrikova nı reaktoplastu

Vstrikovanı je zpu sob tvarenı plastu , pri kterř m se zpracovavany material tlakem vstrikuje v roztavenř m stavu do tvarovř dutiny formy. Pri vstrikovanı termoplastu je teplota taveniny mnohem vys s ı nez teplota formy, v nız se roztaveny material chladı a tuhne. Pri vstrikovanı reaktoplastu je tomu naopak: teplota formy je vys s ı nez teplota taveniny a material se v nı nejen formuje, ale takř vytvrzuje (chemickou reakcı) a vytvarı tak tuhy vystrik, ktery lze snadno vyjmout z formy. Vstrikovat lze tř mer vs echny druhy termoplastu , reaktoplastu a elastomeru . Objem vystriku zavisı na zpracovatelskř m zarızenı a zahrnuje rozsahlou skalu tvarovych soucastı, dılu a vyrobku od miniaturnıch (hmotnost pod 1 g) az po velkogramaznı ci velkorozmerovř (hmotnost do 50 kg). Dale bude jiz uvazovano jen vstrikovanı rekatoplastu .

2.4.2

2.5

Obr2.1: uzitı BMC na reflektoy


2.5.1 Vseobecnš Ůdaje Technologicky sled vyroby plastovych vystriku lze rozdelit do trı zakladnıch operacı: Prıpravne pra ce: Znamenajı prevzetı materialu ze skladu, jeho kontrola, Č prava (barvenı apod.) a doprava ke vstrikovacımu stroji. Vlastnı vstrikova nı: Provadı se na vstrikovacım stroji do formy upnutř bu° rucne nebo automaticky (rychloupınacı zarızenı). Pred zahajenım vstrikovanı se provede serızenı stroje na pozadovanř (predepsanř ) parametry. Vyjıma nı vystriku: Jeho prıpadnř opracovanı, kontrola kvality prıpadne dodatecnř operace jako, obrabenı atd., balenı a expedice. Kvalitu vstrikovanř ho vyrobku ovlivnuje zpracovavany material, vstrikovacı stroj, forma, rıdıcı systř m stroje a skutecnř technologickř podmınky.

2.5.2 Proces vstrikova nı Samotny proces vstrikovanı se delı na tyto faze : a. plastikace v tavıcı komore b. vstrıknutı do formy c. dotlak d. vytvrzenı ve forme e. vyhozenı vystriku z formy.

2.5.1

2.5.2

Graf 2.1: Zavislost viskozity na case


Ad a - U celem je snızenı viskozity vstupujıcıho material. (Mat BMC se vstriku do formy pri teplote 30 ň 50 „C), ten nasledne homogenizovat a pripravit ke vstrıknutı do formy. Provadı se v tavicı komore stroje, v nız je otocne a posuvne ulozen plastikacnı snek. Teplo potrebnř k roztavenı materialu je asi z 1/3 privadeno z vnejsku, 2/3 se zıskajı trenım pri hnetenı hmoty. S nek se pri plastikaci otacı a posouva vzad, material pada mezi zavity sneku, hnete se, homogenizuje, komprimuje a shromaz°uje se pred celem sneku. Je treba udrzovat teplotu taveniny ta ma prımy vliv na viskozitu taveniny(graf 2.2), velikost a pru beh tlaku ve forme, dobu chladnutı vystriku, stupen orientace makromolekul apod. tım i na vyslednř vlastnosti a rozmery vystriku. Material musı mıt dostatecnou odolnost vu ci teplote, aby nedos lo k predcasnř mu zesıtenı jiz v tavıcı komore. Velice du lezitou roli zde hraje i zpetny tlak, ktery spolecne s teplotou rozhoduje o viskozite materialu

Ad b - pri tř to fazi se pohybuje snek smerem dopredu a vytvarı vstrikovacı tlak Viskoznı hmota je pres trysku tlacena do licıho kanalu a do formy, v tř to fazi tlak prudce klesa (graf 2.3). Z tohoto du vodu ma licı kanal vets ı pru mer nez pru mer trysky, stroj takř prechazı na udrzovacı tlak. Jedna se o programovř rızenı tlaku a tım i vstrikovacı rychlosti zabranujıcı poskozenı materialu. Vstrikovacı tlak ma takř prımy vliv na rozmery a hmotnost vyrobku.

Graf2.2: Zavislost plasticity na teplote.


Ad c - Č celem je po dokoncenı vstriku dotlacovat material do formy a nahrazovat tak Č bytek objemu zpu sobeny smrs tenım materialu pri chladnutı (nevznikajı potom stazeniny a povrchovř propadliny). Casove se faze dotlaku prekryva s fazı vytvrdnutı viskoznıho materialu ve forme. Dotlak ma trvat tak dlouho, dokud se nevytvrdı vs echen material az do Č stı vtoku. Brzkř ukoncenı dotlaku ma za nasledek vznik propadlin, dutin a zpetny tok materialu z formy provazeny orientacı materialu. Pozdnı ukoncenı je naopak neČ celnř a prodluzuje pracovnı cyklus. Modernı stroje umoznujı dotlak pri nekolika Č rovnıch tlaku ň napred vys s ı, dokud je viskozita materialu nejnizs ı, aby se forma dobre zaplnila, potom pokles, aby se omezila orientace v okolı vtoku, kdyz je uz material hodne viskoznı. Po ukoncenı dotlaku se tlak snizuje na hodnotu zpetnř ho tlaku. Ad d ň pri tř to fazi je jiz forma naplnena a udrzovana dotlakem. Vlivem vys s ı teploty sten formy nez je teplota vstrıknutř ho materialu, zacına byt material stale viskoznejs ı. Pri sıλovanı se dejı dva hlavnı procesy, prvnı je termalnı expanze zaprıcinena exotermickou reakcı a druhy je smrs tenı (je omezeno plnivem). Pri procesu vytvrzovanı je takř du lezitř zajistit odvod plynu vzniklych reakci tzv. odvzdusnenı formy. Uzavrenř plyny ve forme mohou zpu sobit mnoho vad finalnıho vyrobku. Du lezitym cinitelem je takř teplota sten formy, ta by nemela byt mıstne rozdılna o ± 5„, jinak dochazı k nejednotnř mu vytvrzovanı, zmenam napetı a vadam vyrobku. Ad e ň po uplynutı doby potrebnř k vytvrzenı dochazı k otevrenı formy a vyhozenı vystriku pomocı vyhazovacu umıstenych ve forme. A naslednř vyjmuti z formy, to je dnes jiz vets inou zajis teno automatizovanou jednotkou. Po techto krocıch nasleduje dodatecna Č prava jako je zacis tenı, odstranenı vtokovř soustavy a dals ı manipulace jako balenı atd.

Graf 2.3: Zavislost vstrikovacıho tlaku na case


2.6 Vstrikovacı stroje Vstrikovacı stroj je zarızenı, kterř umoznuje roztavenı plastu, homogenizaci taveniny a jejı vstrıknutı pod tlakem do uzavrenř formy. Ta je zajis tena proti otevrenı silou, ktera musı byt vets ı nez sıla vyvolana tlakem taveniny v dutine formy.

Zakladnı casti stroje jsou:

- Vstrikovacı jednotka - nasypka( v prıpade BMC stuffer, ktery tlacı studeny material do vstrikovacıho valce ), plastikacnı a vstrikovacı valec s pıstem nebo s nekem, tryska, topenı a pohon s neku).

- Uzavıracı jednotka (uzavıracı hydraulicky nebo kloubovy mechanismus, pridrzovacı mechanismus (napr. zavorovanı), forma a pohon uzavıracı jednotky).

- R ıdıcı a regulac nı syste m (u modernıch stroju mikroprocesorovř systř my umoznujıcı rychlř nastavenı, sledovani a archivaci vs ech technologickych parametru ).

- Prıslusenstvı (temperacnı zarızenı forem, ohrıvana nasypka, doprava granulatu, manipulatory atd.).

V soucasnř dobe existuje znacny pocet vstrikovacıch stroju , kterř se od sebe lis ı konstrukcı vstrikovacı jednotky, zejmř na s neku (stroje na vstrikovanı termoplastu , reaktoplastu , kaucuku ), pohonem (stroje hydraulickř , elektrickř , hydraulicko-mechanickř ), plastikacnım systř mem (pıstovř , s nekovř , kombinovanř ), vzajemnou polohou vstrikovacı a uzavıracı jednotky (horizontalnı, vertikalnı, Č hlovř atd.)

Nejrozs ırenejs ı jsou stroje hydraulickř s hydraulickym ci hydraulicko-mechanickym uzaverem a s nekovou plastikacı. Pricemz s nek je zaroven ve fazi plnenı a dotlaku pıstem.

Obr.2.1 : Vstr ikovacı stroj

2.6


2.7 Vstrikovacı formy Jedna z nejdu lezitejs ıch castı ve vstrikovacım procesu je forma. Forem je nekolik druhu a tipu podle jejich primarnıho urcenı. Lis ı se zejmř na technologiı, zda jde o vstrikovanı termoplastu ci reaktoplastu . Forma pro termoplasty obsahuje i chladicı okruh. Formy pro zpracovanı reaktoplastu jsou prave naopak vytapeny na vys s ı teplotu nez je teplota taveniny.

2.7.1 Slozenı formy Forma se sklada z velkř ho poctu castı. Vets ina forem je dnes jedinecna svou konstrukcı odvıjejıcı se od pozadovanř soucasti. Je vs ak ve znacnř mıre doporuceno a pouzıvano mnozstvı katalogizovanych dılu (fa.Hasco atd.). Hlavnı soucastı formy je tvarnık a tvarnice, ty obsahujı samotny tvar soucasti a je do nich vstrikovana tavenina. Tvarnık i tvarnice byvajı nejcasteji z nastrojovych ocelı a pro pozadovanř vlastnosti i dale zpracovavany ( kalenım, popous tenım , chemicko tepelnym zpracovanım ). Dals ı casti formy: desky ramu, rozperky, vodıcı sloupky, pouzdra, dorazy, vyhazovace, vtokovř vlozky jsou dle potreby umıstenř ve forme takř . Prıklad formy je na obr 2.2

2.7

2.7.1

Obr. 2.2: Schř ma vstrikovacı jednotky. (1) plastikacnı valec ukonceny tryskou, (2) snek, (3) nasypka, (4) rotacnı pohybovř zarızenı sneku, (5) hydraulicky valec zajis tujıcı axialnı pohyb sneku.


2.7.2 Temperace forem Jedna z nejdu lezitejs ıch soucastı forem pro reaktoplasty je jejı temperacnı systř m. Na nem je ze znacnř casti zavisla kvalita hotovř ho dılce. Spravna teplota formy ovlivnuje hlavne dobu nutnou k vytvrzenı vstriku. Obrazek 5.1.A ukazuje stupen zesıtenı fenolickř lisovacı smesi pro 4mm tlusty vylisek. Dılec je stabilnı pri dolisovanı se stupnem zesıtenı asi 70%. Zde zpu sobuje teplota steny formy 17„C cyklicky cas asi 56s (graf2.4). Zmenou teploty steny formy na 200„C by se redukoval cyklicky cas na 18s (graf2.5). Je zde videt, ze teplota steny formy ma vyznamny vliv na cyklicky cas. V praxi se vs ak musı brat v Č vahu limity pro praci s teplotou steny formy z du vodu zmen v jakosti dılce a chovanı toku, vytvrzovanı. Teplota steny formy by presto mela byt nastavena u hornı limitnı rady pro zajis tenı co nejefektivnejs ı vyroby.

2.7.2

Obr 2.3: vstrikovacı forma: (1)vtokova vlozka, (2)stredıcı krouzek, (3)hornı upınacı deska, (4)ram tvarnice, (5)ram tvarnıku, (6)podpurna deska, (7)skrın vyhazovacu , (8)pridrzovacı deska vyhazovacu , (9)deska vyhazovacu , (10)vyhazovace, (11)tvarnık, (12)tvarnice, (13)vyhazovac vtoku, (14)vytapenı


Pro kvalitnı vysledny produkt je takř du lezitř spravnř rozmıstenı teplot na povrchu. Jejı zmena by nemela byt vets ı nez ± 5„ jinak dochazı k vadam vyrobku jez budou popsany pozdeji. Samotnř vytapenı forem je moznř tremi zpu soby: - elektrickymi topnymi clanky ň dnes je to zrejme nejrozs ırenejs ı zpu sob

vytapenı.Je preferovana pro svou snadnou regulovatelnost, jen pomocı proudu I ktery protř ka patronami. Jejich vykon lze lehce spocıtat dle W=I2/R.

Graf 2.4: Stupen zesıtenı s teplotou steny formy 170 °C

Graf 2.5: Stupen zesıtenı s teplotou steny formy 190 °C


- pomocı horkř ho oleje ň dnes je jiz na Č stupu. Ve forme jsou soustavy kanalku , jimiz proudı horky olej a vyhrıva formu. U tohoto zpu sobu vytapenı se da regulovat teplota formy jen teplotou oleje a je zde jiz vets ı reakcnı cas. Teplotu a mnozstvı protř kanř ho oleje je mozno sledovat pru tokomery a cidly. Du lezitř je taky spravne navrhnout pru mer a rychlost proudenı. Pro leps ı vytapenı formy je turbulentnı proudenı kapaliny nez laminarnı. To zjistıme vypoctenım Reynoldsova cısla, kdyz je vets ı nez 4000 tak se jedna o turbulentnı proudenı.

- Pomocı horkř pary ň dnes je provedeno jen vyjımecne. Ale platı po nej

podobnř zasady jako pro vyhrıvanı olejem. Dnes je jiz takř velmi rozs ıreno v konstrukcı forem pouzıvat pro rozvod tepla, nebo chlazenı tepelnych trubic. Tepelna trubice je dutř , uzavrenř teleso, nejcasteji kovova trubka , ktera obsahuje tekavou kapalinu tzn. Pracovnı latku jejız vnitrnı povrch je pokryt porř znım materialem, kapilarnı soustavou.pro nizs ı rozsah teplot se pouzıva jako pracovnı latka voda.

Obr 2.4: Ru znř druhy elektrickych topnych clanku

Obr2.6: Pouzitı izobar Obr2.5: Umıstenı izobar


Obr 2.7:Rozlozenı teplot na tvarnıku s pouzitım izobar

Obr 2.8:Rozlozenı teplot na tvarnıku bez pouzitı izobar


2.7.3 Odvzdusnenı forem Pri plnenı formy je treba zajistit Č nik vzduchu z forem. C ım vets ı je rychlost plnenı (u slabostennych vylisku ), tım Č cinnejs ı musı byt odvzdus nenı. Princip odvzdus nenı forem viz obr. 4.7..

Nemu ze-li vzduch z formy uniknout, dojde jeho stlacenım na konci tokovř drahy bu° k jeho stlacenı do vylisku (vzduchova bublina) nebo k jeho spalenı. Velikost odvzdus novacıch kanalku se volı dle zatř kavosti plastu, aby nevznikaly pretoky. S ırku kanalku upravujeme po odzkous enı dle potreby.

2.7.4 Zpusoby vyhazova nı vylisku z forem Pro vyhazovanı vylisku ze vstrikovacıch forem se pouzıvajı tyto zpu soby vyhazovanı:

- Vyhazovanı kolıkovř

- Pomocı vyhazovacıho krouzku

- Pomocı stıracı desky

- Vyhazovanı pomocı vyhazovacı lis ty, ktera je umıstena po obvode vylisku

- Vzduchovř vyhazovanı

- Vyhazovanı hydraulickymi valci.

Obr. 2.9. Princip odvzdusnαnı forem. - dαlıcı rovinou (A) - tvarovym prvkem formy (B)

2.7.3

2.7.4


2.8 Vady na vyliscıch Pri spatne zvolenych technologickych podmınkach ci jinych vlivu pri zpracovanı vylisku se vyskytujı mnohř vady. Mnoho z techto vad mu zeme priradit konkrř tnım cinitelu m a jejich odstranenı je jednoduchř . Dals ı jiz vyzadujı hlubs ı posouzenı a zhodnocenı ru znych faktoru . Mnoho z techto vad je zaprıcineno i nespravnou temperacı povrchu formy, v nasledujıcım textu se budu vıce zabyvat temito vadami. Vady vyskytujıcı se na vyliscıch:

- matnř oblasti - diesel efekt - bılř oblasti spaleniny - znecis tenı - vytvrzeny uzlık - vytvarenı “mraku Ü - fungoidnı ru st - zilky sklenenych vlaken - barevnř zilky - zilky vlhkosti - tokovř stopy - rozdıly v lesku - zrnitř okraje - pomerancova ku ze - porovitost - puchyre - praskliny - stazeniny - skrabnutı - stopy po vyhazovacı

Zde nenı cely vycet vad, jsou zde jen nejvyskytovanejs ı a nejrozs ırenejs ı. Vady zpu sobenř spatnou temperacı:

2.8


2.8.1 Bılš oblasti Hlavnım projevem jsou velkř svetlř oblasti. Je to zaprıcineno teplotnım namahanım barevnych pigmentu , coz ma za nasledek zmenu barev. Prıciny:

- Nestejnomerny rozvod teploty ve forme (teplotnı rozdıly <5„ )

- Nevhodnř ovladanı teploty - Maly vtok - Malř distribucnı kanaly - Homogenost lisovacı smesy

2.8.2 Spa leniny Nejcasteji se projevujı jako zesvetlenř mısta nebo bılř oblasti na celř m vylisku. Jsou zpu sobeny teplotnım poskozenım vylisku. Prıciny:

- Mıstnı prehratı formy. - Nevhodna kontrola teploty formy. - Maly vtok - Malř distribucnı kanaly - Barevnř castice mohou byt roztavenř odlisne a castecne

roztavenř .

2.8.1

2.8.2

Obr 2.10:Bılř oblasti na vylisku

Obr 2.11: Spaleniny


2.8.3 Barevnš zilky Na povrchu vylisku se objevujı zilky ru znych barev jak ve smeru, tak proti smeru toku. Povrch dılce se tedy mu ze zdat byt “tekavyÜ . Zilky se vytvarı prodlouzenım barevnych pigmentu nebo nızko viskoznımi (tekutymi) cizımi molekulami v toku lisovacı smesi. Zilky se takř mohou vytvaret teplotnım namahanım a rozkladem pigmentu. Prıciny:

- Nerovnomerna distribuce barevnych castic v lisovacı smesi - Castice necistot tavenř v lisovacı smesi - Teplotnı poskozenı barevnř ho pigmentu. - Prılis vlhka lisovacı smes - Teplota formy

2.8.4 Zrnitš okraje Zrnitř okraje jsou zpu sobovanř nedostatecnym roztavenım granulı, to znamena, ze se granule mezi sebou neroztavı. Prıciny:

- Teplota steny formy - Doba dotlaku a jeho velikost - Nehomogennost lisovacı hmoty

2.8.3

2.8.4

Obr 2.12: Barevnř zilky


2.8.5 Puchyre Behem procesu vytvrzovanı lisovacı smesi, se objevujı dva typy puchyru 1. Puchyre na velkř oblasti ( zpu sobenř pod tvrzenım) 2. Malř puchyre casto s prasklinami ( zpu sobenř pretvrzenım) Puchyre jsou vytvarenř zachyceny plynem ve vylisku, kde je vytvrzena perifernı vrstva rozs ırena tlakem plynu. Po celř m povrchu vylisku mohou byt rozprostrenř malř puchyrky a mohou se objevit z cyklu na cyklus. Prıciny:

- Teplota formy, zejmř na male teplotnı rozdıly. - Vytapecı patrony jsou prılis blızko lisovacı plos e - Maly vtok - Lisovacı smes je prılis reaktivnı, vysoce viskoznı nebo citliva

na teplotu - Lisovacı smes je prılis vlhka. - Vytvrzovacı rychlost je prılis mala.

2.8.5

Obr 2.13: Zrnitř okraje

Obr 2.14: Puchyre s prasklinami


2.8.6 Praskliny Praskliny jsou mezery na vylisku, kterř se mohou objevit v nasledujıcıch oblastech: - svarovacı linie - mısta s odlisnou tlousλkou steny - poblız licıho kanalu - zadnıch oblastı - vlozek - oblastı s ostrymi hranami na vylisku Praskliny jsou zpu sobenř vnitrnım nebo vnejs ım namahanım, kterř mu ze byt redukovano pouze pomocı prasklin. Vnitrnı namahanı je zpu sobeno prekazkami smrs tenı naprıklad u tvarnıku , rozdıly ve smrs tenı z du vodu anizotropnosti, rozdılnych teplot apod. Prıciny:

- Rozvod teploty - Nedostatecna ubranı - Mohou byt zpu sobeny vyhazovacem - Mohou byt zpu sobeny podkosem - Vysoky udrzovacı tlak.

Prıciny vzniku prasklin jsou mıstne odlisnř , mnohdy zalezı na mıste vzniku praskliny a tım i parametru jejich vzniku.

Obr 2.15: Puchyre

Obr 2.16: praskliny

2.8.6

strana 29 3. Metoda konecnych prvku (MKP)

3. METODA KONEC NY PRVKč (MKP) Metoda konecnych prvku (FEM ň Finite Elements Method) je modernı vypocetnı metoda s vysokou organizacı vstupnıch dat vypocetnıho postupu vyzadujıcıho maticovou formu zapisu. Je urcena vyhradne k numerickř mu res enı Č loh na pocıtacıch. MKP umoznuje res enı velmi slozitych zadanı, ktera casto vedou k hledanı hodnot funkcı jednř ci vıce promennych. MKP je univerzalnı metodou pri pevnostnıch vypoctech konstrukcı, vypoctech vedenı tepla a teplotnı napjatosti, elektrickych a magnetickych polı a dals ıch aplikacı.

Pocatecnım krokem res enı problř mu v MKP je vytvorenı modelu res enř ho telesa a rozdelenı jeho geometrie na prvky jednoduchych tvaru s konecnymi rozmery. Toto je nazyvano prostorovou diskretizacı, neboλ je tak jednoznacne specifikovano, jakym zpu sobem bude ke spojitř mu problř mu prirazen diskrř tnı numericky model s konecnym poctem neznamych parametru . Rozdelenım oblasti vznikne sıλ konecnych prvku , ktera je urcena, zname ň li mnozinu ocıslovanych prvku , uzlu , uzlovř souradnice a prirazenı uzlu prvku m. Zakladem vstupnıch Č daju kazdř mu programu MKP jsou datovř struktury obsahujıcı vys e uvedenř informace. Prvky musı splnovat tyto podmınky: - musı pokryt celou res enou oblast spojite a bez prekryvanı. - aproximovat s pozadovanou presnostı hranici oblasti. - sousednı prvky musı mıt spolecnou celou hranu nebo stenu. Uzly mohou byt umısteny ve vrcholech prvku jsou-li tyto prvky jednodus s ıch tvaru , obvyklř je ale i pouzitı uzlu na hranach prvku nebo uvnitr nich.

3.1 Pruzne - deformacnı analyza Prostrednictvım MKP je v mechanice teles realizovana tzv.deformacnı varianta metody konecnych prvku , ktera vychazı z Lagrangeova variacnıho principu a z principu virtualnıch pracı, kde je nezavislou neznamou pole posuvu , prıpadne natocenı v uzlovych bodech sıte. Slozky posuvu a natocenı jsou oznacovany jako deformacnı parametry. Sdruzıme-li vs echny neznamř deformacnı parametry z Č lohy do sloupcovř matice U a vs echny znamř zatezujıcı sıly do matice F, potom pro prıpad statickř Č lohy linearnı pruznosti je zakladnı rovnice MKP: F = K*U K je matice tuhosti konstrukce sestavena z prıspevku lokalnıch matic tuhosti jednotlivych prvku . Modelem MKP je tedy soustava nahradnıch pruzin znazornujıcı ekvivalent tuhosti jednotlivych prvku , ze kterych je poskladan celek. Pres zakladnı rovnici MKP je tedy sestavena soustava hodnot dale res ena nekterou z variant Gaussovy eliminacnı metody. Ostatnı neznamř veliciny (slozky napetı a pretvorenı ) lze na Č rovni prvku dopocıtat az po vyres enı deformacnıch parametru U.

3

3.1

strana 30 3. Metoda konecnych prvku

3.2 Vedenı tepla Vedle napeλove deformacnı analyzy je prave analyza vedenı tepla patrne druhym nejrozs ırenejs ım problř mem v inzenyrskych vypoctu uzıvajıcıch MKP. Na Č lohu vedenı tepla casto navazuje napjatostnı Č loha v zavislosti na spoctenř m teplotnım poli. Vyhodou je pouzitı tř ze sıte konecnych prvku pro vıce tipu Č loh, deformacne napjatostnı i tepelne deformacnı. Velkou vyhodou oproti deformacne napjatostnı Č loze je, ze teplota jako skalarnı velicina je v kazdř m uzlovř m bode predepsana jen jednım neznamym parametrum (teplotou T), kdezto u deformacne napjatostnı jsou definovany v kazdř m uzlovř m bode tri posuvy ( u,v,w ). Tımto je Č loha na stejnř sıti polovicnı(2D) nebo tretinova (3D). Nestacionarnı vedenı tepla pevnymi latkami je popsano diferencialnı rovnicı

tTcQ

zT

yT

xTk

∂∂

=+∂∂

+∂∂

+∂∂ ..).( 2

2

2

2

2

2

ρ

tato rovnice je doplnena okrajovymi podmınkami ve tvaru :

1. ST : T = T* - predepsana teplota 2. Sq : q = q* - predepsany tepelny tok 3. q = – (T П To) - prestup tepla konvekcı

Funkcional, ktery je zakladem variacnı formulace res enı Č lohy teplotnıho pole, ma tvar

Π T = 21 ťťť (TδT.k. Tδ + 2. TTc ...

.ρ - 2.Q.T )dV - ťť q*.T dSq

Mezi jeho cleny mu zeme postupne rozlis it prıspevky odpovıdajıcı teplu vedenř mu telesem, tepelnř kapacite materialu, vnitrnım a vnejs ım zdroju m (tepelny tok povrchem telesa). Pro zjednodus enı tu byl vynechan clen odpovıdajıcı konvektivnımu vedenı tepla. Hlavnı neznamou je teplota ktera je aproximovana nad prvkem jako :

T = N . ⸳T

Kde N je matice bazovych funkcı konkrř tnıho prvku a ’T matice neznamych uzlovych teplot. Po dosazenı do funkcionalu as vyuzitım podmınky stacionarnı hodnoty dostaneme vyslednou diskrř tnı rovnici vedenı tepla ve tvaru

TTTTT FUKUC =+ .. & kde CT - je globalnı matice tepelnř vodivosti KT - globalnı matice kapacity FT - globalnı matice tepelnř ho zatızenı UT - matice neznamych uzlovych teplot.

3.2

strana 31 3. Metoda konecnych prvku (MKP)

Jedna se o nestacionarnı (neustaleny, prechodovy) problř m vedenı tepla, res eny numerickou integracı rovnice. Mu zeme zde takř najıt znacnou analogii jako pri deformacne napeλovř analyze :

teplotnı analyza deformac nα-napαβova analyza matice tepelnř kapacity CT matice hmotnosti M matice tepelnř vodivosti KT matice tuhosti K matice tepelnř ho zatızenı FT matice mechanickř ho zatızenı F neznamř UT: teploty T v uzlech neznamř U: posuvy u,v,w v uzlech gradient teploty Tε pretvorenı σ tepelny tok q napetı Ř Obdobna je i struktura matic a okrajovych podmıne

strana 32 4. Simulacnı software

4. SIMULAC NI SOFTWARE V dnesnı dobe je jiz tř mer nezbytnř pouzitı simulacı a tvorba vernych modelu soucastı ci celku v mnoha oblastech strojırenskř ho pru myslu. Je to dano zejmř na ekonomickymi ukazateli pri klasickř m navrhovanı vyrobku a pri pouzitı simulacı. Odrazı se to nejen ve zkracenı casu vyvoje, kdy konstruktř r mu ze funkcnost overit tř mer okamzite a nemusı cekat na prototipovou vyrobu a zkousky, ale takř v nakladech na celkovy vyvoj. Tyto s co mozna nejkrats ım casem urcenym pro vyvoj jsou dnes na konkurencnım trhu jednım z hlavnıch cinitelu Č spechu firmy a vyrobku. Aλ jiz se jedna o kinematickř schř mata, deformacne napjatostnı Č lohy, teplotnı, CNC obrabenı, elektromagnetismus, proudenı kapalin, simulace tvarecıch procesu a mnoho dals ıch, kterř je mozno provadet. Tyto byvajı casto spjaty s novymi technologiemi rychlř vyroby ň Rapid Prototyping, ktera slouzı pro rychlou vyrobu funkcnıho vzorku, na zaklade 3D CAD modelu soucasti.

K tomuto Č celu potrebujeme vhodny simulacnı program. Vyvoj vypocetnıch programu zacal s pocatky vypocetnı techniky v 60. letech 20.stoletı. Prvnı programy byly urcenř jen pro velkř salovř pocıtace a byly jen pro res enı malř ho poctu problř mu , vets inou jen jednoČ celovř . Jadrem programu se vets inou stavaly analytickř rovnice. Az polozenı zakladu a rozvoj metody konecnych prvku rozs ıril vypoctovř metody a programy do obecnejs ıch problř mu , za doprovodu stalř ho vyvoje vypocetnı techniky. V dnesnı dobe je jiz na trhu mnoho firem nabızejıcıch velkou skalu programu .

Programy lze delit do nekolika skupin dle jejich pouzitı, rozsahlosti a univerzalnosti.

Velkř a vs eobecnř programy obsahujı velkou skalu moznostı pro jejich pouzitı skladajı se z mnoha modulu a castı. Majı velice dobrř res ice, znacnř moznostı zadanı zatızenı teplot a ru znych okrajovych podmınek pro dany problř m, avs ak svou obsahlostı a vs estrannostı jsou jiz mř ne pouzitelnř pro beznou konstrukcnı praci. Je zde jiz treba znalost hlubs ı problematiky vypoctu a programu. Pro beznou praxi se stavajı mř ne pouzitelnř , ale nekterř problř my jsou res itelnř prave jen jimi. Jde predevs ım o programy Ansys, Nastran, Marc, Abaqus a dals ı.

Dals ı skupinou jsou programy mens ı casto odvozenř od velkych jejich zjednodus enım “orezanımÜ nekterych funkcı a moznostı. Takř se zde setkavame s intuitivnejs ım prostredım vychazejıcım z prostredı CAD modelaru . Casto byvajı jiz implementovany do samotnych Cadmodelaru , nebo jsou jako jejich nadstavby. Prace s nimi jiz nevyzaduje tolik znalostı samotnř ho problř mu res enı Č lohy. Programy jsou i cenove na nizs ı Č rovni nez velkř res ice. S vyhodou lze techto programu pouzıt jako urcitř ho meziclanku v res enı slozitych a narocnych Č loh. Vets ina z nich obsahuje rozhranı pro export dat do velkř ho ci jinř ho programu, kde mu zeme castecne definovany problř m dokoncit. Jsou to napr. Ansys DesignSpace, Ansys Workbanch, Cosmos DesignStar, MSC SimDesigner a dals ı.

Poslednı skupinou programu jsou jednoČ celovř a Č zce zamerenř na urcitou oblast simulacı. Obsahujı mnozstvı funkcı a moznostı ale jen pro omezeny problř m. casto vznikajı jen Č pravou velkych programu nebo jsou specielne vyvıjeny pro urcitou oblast. Dnes jiz mnoho oblastı ma svř specialnı programy. Nejrozs ırenejs ı jsou oblasti vstrikovanı plastu (Moldflow, Cadmould), tvarenı (MSC.SuperForge,

4


MSC.superForm), Odlř vanı (Magma) a oblast proudenı (Fluent, CFX) a mnoho dals ıch.

4.1 Vyber a pouzity simulacnı program Res enı mne zadanř ho problř mu klade na pouzity simulacnı program nekolik hlavnıch kriterii, vychazejıcıch z realnř ho stavu vstrikovacı formy.

4.1.1 Rea lny stav Jedna se o simulaci teplotnıho pole a jeho casovy vyvoj na povrchu formy pro vstrikovanı plastu. Funkcnı povrch nachazejıcı se na tvarnıku i tvarnici je vytapen od ramu, v kterř m jsou umısteny topnř patrony. Tyto patrony poskytujı urcity topny vykon, ktery je regulovan optimalizacnım algoritmem prımo z lisu. Tento algoritmus pracuje na zakladu hodnot z teplotnıch cidel umıstenych pod povrchem samotnř ho funkcnıho tvaru formy. Pri serızenı stroje se cidlu m urcı teploty, pri presahnutı nebo klesnutı teploty pod tuto hodnotu stroj reguluje vytapenı. Pru beh vykonu na patronach ale nenı spojity, lis neumı regulovat prımo vykon, jen na zaklade hodnot spına ci vypına patronu. Z tohoto du vodu je odhad topenı jednotlivych patron slozity. Jeho stanovenı je popsano pozdeji. Topenı je vs ak nezavislř na cyklu stroje, je pouze regulovano hodnotami z cidel. Samotny povrch pak prochazı cyklem vstrikovanı tento trva 56s, v tomto cyklu dojde postupne ke vstrıknutı chladnř taveniny do formy nasledne jejımu vytvrzenı, otevrenı formy jejımu ofuku stlacenym vzduchem a opetovnř mu uzavrenı a pocatku dals ıho cyklu. Z tohoto du vodu je stanovenı podmınek na povrchu narocnř a presne jen tezko popsatelnř . Z tohoto du vodu je nutnř pristoupit k urcitym zjednodus enım pri urcovanı teplotnıho zatızenı.

4.1

4.1.1


4.1.2 Model formy Model formy byl vytvoren v programu I-DEAS 10NX. Jedna se o 3D parametricky modelar firmy UGS. Je to velky CAD program obsahujıcı mnoho nastroju pro tvorbu modelu ploch a sestav, vizualizaci, jeho obsahem jsou i vypoctovř moduly. Geometrie a jejı historie jsou ukladany do stromu kde se dajı pri spravnř m poradı editovat. Samotna forma byla tvorena jako kombinace plosnř ho a objemovř ho modelovanı. Mnoho ploch a prvku bylo takř importovano z jinych programu a aplikacı. Z tohoto du vodu je znemoznena editace vets iny ploch. Je zde takř kladen du raz na kvalitu a presnost funkcnıch ploch, nutny pro bezporuchovost a presnost vyslednř ho vylisku(prıloha 24,25). Forma je i s prihlř dnutı k dals ım technologickym parametru m velice slozita a simulace v tomto stavu by byla velmi narocna jak casovř tak na hardwarovř pozadavky presahujıcı danř moznosti. Proto jsem pristoupil k zjednodus enı nekterych prvku formy. Sestava byla zjednodus ena jen na res enı tvarnıku (tvarnice) ramu klınu , izobar a izolacnıch desek. A tyto byly dale zjednodus eny o prvky kterř majı jen zanedbatelny nebo zadny vliv na s ırenı teplot, jako malř dıry pro s rouby, vyhazovace, dıry v nichz jsou s rouby a kolıky a dals ı tvarovř prvky. Samotny funkcnı povrch zu stal beze zmeny i z du vodu nemoznosti jeho editace v progmanu I-DEAS a znacnř spıs e nerealizovatelnř v jinych programech. Prrıloha 1-8.

4.1.2

Obr4.1: Vstrikovacı forma


4.2 Vyber programu Pri vyberu vhodnř ho vypocetnıho programu jsem limitovan nekolika kriterii:

- generace sıte konecnych prvku - moznost vypoctu v case a zadavanı casovych grafu - res enı kontaktu teles.

Sıλ konecnych prvku je pro vypocet a jeho narocnost urcujıcı. Pri velkř m poctu prvku vyvstavajı velkř naroky hlavne na fyzickou pameλ RAM na teplotnı Č lohu je limitnı pro beznř PC s pametı do 1GB asi 150 000 prvku to se ovs em lis ı u kazdř ho programu vzhledem k pouzitym algoritmu m. Z du vodu slozitosti tvaru a rozmeru m je to jedno z hlavnıch kriterii. Dals ım je nutnost zadavanı grafu a vypocet za urcity cas (transient analysis). Je to nutnř z du vodu vstrikovacıho cyklu, hodnot vytapenı a konvekce uvazovanř na plos e, menıcıch se v case. Poslednım nemř ne du lezitym je res enı kontaktu mezi telesy. Sestavu nelze spojit do jednoho kusu z du vodu odlisnych materialu jednotlivych castı. Pocet a narocnost kontaktu je znacna, je jich zde vıce jak 200. Je tedy vyhodnř pouzıt program s automatickym vyhodnocenım kontaktu . Zkous enř programy:

- Ansys DesignSpace (workbanch) - Cosmos DesignStar - Ansys - I-deas TMG thermal solution - SimDesigner for CATIA V5 - Marc 2005

4.2.1 Ansys DesignSpace (Workbansch) Jedna se o dva velice podobnř produkty firmy Ansys. Jsou to uzivatelsky prıstupnř programy navazujıcı na integritu s CAD systř my. Jeho jadro je zalozeno na programu Ansys, jen zkraceno o mnoho funkcı a uzivatelskř prostredı je prıznivejs ı. Program obsahuje takř pru vodce Č lohou (wizard), ktery nas krok po kroku provede celou zvolenou Č lohou. Je zde moznost tvorenı automatickř sıte konecnych prvku i s lokalnımi zmenami hustoty. Dale obsahuje automatickř vyhledanı kontaktu i s jejich definicı. Program, ale bohuzel neumoznuje zadanı casove promennř ho teplotnıho zatızenı a proto je pro mř Č cely nevhodny. Moznostı je i export do programu Ansys, to ale nebylo moznř u mnou dostupnř verze. Program ma takř omezenř moznosti importu krome velkych CAD modelaru (Catia, Pro/Engineer, SolidWorks, Unigraphics , dale podporuje import formatu Parasolid a ACIS).

4.2.2 Cosmos DesognStar Jde o program firmy SRAC. Je prostredım velice podobny jako Ansys DesignSpace. Je unikatnı svym res icem postavenym na res enı firmy SRAC. Takř zde nalezneme automatickř tvorenı sıte konecnych prvku . Je zde mozno regulovat velikost prvku i

4.2

4.2.1

4.2.2


lokalne. Kontakt je zde takř automaticky generovan. Mu zeme zadat casovou analyzu (tranzient analysis), kde je mozno zadat grafem casovy pru beh hodnot. Je zde mozny import z programu Catia, Inventor, SolidWorks, SolidEdge, Pro/Engineer, IGES, STEP, ACIS a Parasolid. Program vyhovuje vs emi prvky, ale program nedovedl pracovat s tak velkou sestavou a slozitostı, jiz vytvorenı sıte prvku nezvladl i pri nastavenı ru znř velikosti a definic tvaru prvku, proto byl program nepouzitelny.

4.2.3 Ansys Produkt stejnojmennř firmy na trhu se simulacnım programy zabırajıcı jedno z prednıch mıst . Je velmi univerzalnı obsahuje mnoho castı pro res enı ru znych problř mu a jejich variacı. Jeho prostredı jiz nenı tak intuitivnı a je treba hlubs ıch znalostı programu i vypoctovř ho problř mu. Nalezenı jednotlivych funkcı je zde casto velmi slozitř . Program umoznuje automatickř vytvorenı sıte konecnych prvku i s jejım lokalnım zhus tenım. I zadavanı casovych krivek je zde moznř , bohuzel program nedovede automaticky vyhodnotit kontakt, je zde moznř jen rucnı zadanı kontaktu a i to je problř movř pri vets ım poctu soucastı.

4.2.4 I-deas TMG Thermal Solution Je to soucast systř mu I-deas a jeho casti MasterFEM. Je urcen pro res enı teplotnıch Č loh, v tomto smeru je velice silny a obsahuje mnoho moznostı zadanı teplotnıch i dals ıch podmınek i s moznostı zadavanı casovych krivek. Kontakt je tu res en takř pomocı funkce Heat Coupling, ktera umoznuje ru znř definice kontaktu mezi odlisnymi sıtemi konecnych prvku a soucastmi, nenı vs ak generovana automaticky. Sıλ konecnych prvku se vytvarı v dals ı casti programu I-deas Master Meshing, zde je poskytnuta cela paleta nastroju pro tvorbu sıte. Obsahuje unikatnı algoritmus pro vytvarenı sıte, ktery nejprve vytvorı sıλ na vnejs ı plos e modelu s co mozna nejpresnejs ım dodrzenım jeho rozmeru a teprve pak se vytvarı prostorova sıλ prvku . Pri slozitosti mř ho problř mu se tato funkce ukazala jako znacne nevyhodna, program vytvarel sıλ presahujıcı 106 prvku, coz je pri danych vypocetnıch moznostech nemoznř a zbytecnř .

4.2.5 SimDesigner for CATIA V5 Software od firmy MSC fingujıcı jako nadstavba Catie V5 slouzıcı pro rozs ırenı vypocetnıch funkcı tohoto programu. Program je plne integrovan do prostredı Catie. Prinas ı mnoho rozs irujıcıch funkcı. Jednou z aplikacı jsou i teplotnı Č lohy, nema jiz tolik moznostı jako predes lř programy, ale vs echny potrebnř obsahuje. Kontakt je tu res en pomocı kontaktnıch teles a program pri vypoctu sam nachazı kontaktnı oblasti. Generace sıte konecnych prvku takř probıha automaticky s moznostı lokalnıch zmen velikosti prvku. Program se snazı na rozdıl od I-deasu rovnou vytvorit celou sıλ tım dochazı k castecnř mu poskozenı povrchu . Pro mř Č cely je vs ak toto poskozenı vyhovujıcı a byla vytvorena pouzitelna sıλ s potrebnym poctem prvku . Je zde takř mozny export do vys s ıch vypocetnıch programu ( Marc, Nastran, Patran ). Program jiz vs ak mel problř my pri samotnř m vypoctu.

4.2.3

4.2.4

4.2.5


4.2.6 Marc Mentat 2005 Jedna se takř o program firmy MSC, ktery patrı mezi hlavnı predstavitele vypoctovych produktu . Je zameren hlavne na nelinearnı Č lohy aλ jiz napeλove deformacnı ci pro teplotnı, elektromagnetismus, a mnoho dals ıch. Jeho moznosti jsou velmi rozsahlř , prostredı je takř mř ne intuitivnı ale funkce jsou dobre logicky razeny a popsany. Obsahuje vs echny pozadovanř funkce: automatickř generovanı sıte, je zde moznř i prı velkych deformacıch teles jako jsou guma a tvarecı procesy automaticka zmena sıte konecnych prvku pri bezıcım vypoctu. To znacı ze pri velkych deformacıch sıte se automaticky vytvorı nova s odpovıdajıcımi a nedegradovanymi prvky. Kontakty se zde zadavajı velice snadno pomocı kontaktnıch tabulek s kontaktnımi telesy, nebo je mozno zadanı pomocı kontaktnıch oblastı. Program si kontakt mezi nadefinovanymi telesy jiz vyhleda behem vypoctu sam. Zadavanı parametru do tabulek a grafu je zde takř velmi dobre mozno. Lze tvorit i 3D grafy. Po zvazenı a odzkous enı vs ech vys e uvedenych programu byla vybrana kombinace programu SimDesigner for CATIA V5 a Marc Mentat 2005 . V programu Sim Designer jsem provedl zakladnı prıpravu modelu formy, to je: Vytvorenı sıte konecnych prvku , zakladnı definice teplotnıho zatızenı ( dany vykon na vytapenř plochy, konvekce na ochlazovanř plochy), dale bude preddefinovany model exportovan do programu Marc.Mentat 2005, kde budou dodany hodnoty ve forme grafu pro jednotlivř veliciny, nadefinovan kontakt pomocı kontaktnıch teles a proveden samotny vypocet s vizualizacı a vyhodnocenım vysledku Po zjednodus enı modelu v programu I-deas, jsem geometrii exportoval pomocı formatu STEP.

4.3 STEP - STandard for the Exchange of Product model data

Je mezinarodnım standardem pro pocıtacem prelozena data modelu, kde cılem bylo poskytnout uzivatelu m neutralnı mechanismus schopny obsahnout zivotnı cyklus vyrobku a byt nezavisly na zadnř m systř mu. Zachovat informace zıskanř o vyrobku behem jeho navrhu, vyroby, pouzıvanı, udrzovanı a prodeji. STEP je sada norem zapsanych v ISO/IEC 10303-xxx.

To jakř informace bude soubor obsahovat urcuje tzv. aplikacnı protokol. Ten obsahuje pozadavky na charakteristickř informace potrebnř k popisu dılu (strojnı soucasti, plechovř dıly, odlitky, slitiny, a tak dale.). Aplikacnı protokol rozepıs e modelova data do logickych a srozumitelnych bloku , kterř mohou byt ihned v pocıtaci zkompletovany.

4.2.6

4.3


Existujı tyto protokoly: AP 203: Configuration Controlled 3D Designs of Mechanical Parts and

Assemblies AP 210 : Electronic Assembly, Interconnect and Packaging Design AP 212 : Electrotechnical Design and Installation AP 214 : Core Data for Automotive Mechanical Design Processes AP 232 : Technical Data Packaging Core Information and Exchange

Nejrozs ırenejs ı jsou protokoly AP 203 a AP 214. Oba majı spolecnou cast pro objemovř a povrchovř modely a lis ı se jen schopnostı obsahnout dals ı informace. ISO/IEC 10303-214 se stal celosvetovym standardem ve vs ech oblastech strojırenstvı. Dokaze pokryt vs echny podstatnř informace potrebnř k vymene a sdılenı mezi vyrobci a dodavateli v automobilovř m, strojırenskř m, elektro-mechanickř m a jinř m pru myslu.

AP 203 podporuje tyto trıdy: - AP 203 (1) : nastavenı prekladu (vs echny dals ı trıdy ji musı zahrnovat ) - AP 203 (2) : povrchovř a dratovř modely bez struktury - AP 203 (3) : dratovř modely se strukturou - AP 203 (4) : plosnř modely se strukturou - AP 203 (5) : ploskovř BREP objemovř modely - AP 203 (6) : BREP objemovř modely

AP 214 podporuje: - objemovř modely - plosnř modely - dratenř modely - modely pro FE analyzy Pro prenos mezi programy byl pouzit protokol AP214 podporovany jak progranem I-deas tak Catia V5 r.11.Pri pouzitı protokolu AP203 se vyskytly chyby v prenas enř m model

strana 39 5. Zatızenı a okrajove podmınky

5. ZATIZENI A OKRAJOVě PODMINKY

5.1 Temperace formy

Vytapenı je na forme realizovano pomocı topnych patron vyrabenych firmou Acrolab LTD. Tyto jsou umısteny ve forme v otvorech ∅16mm. Jejich maximalnı vykon je 600W pri napetı U = 220V.patrony jsou sjednoceny po 2 do jednotlivych topnych zon ovladanych samostatne (prıloha 9,10). Topenı patron je zavislř na lisu a na jeho regulacnıch parametrech. Proto nenı moznř pouzıt pro simulace plnř ho vykonu, ale jeho okamzitř hodnoty v case. To ovs em pozaduje merenı za behu lisu. Jako jedna z moznostı bylo zkous eno merenı pomocı klesλovř ho multimetru PK435 s prıdavnym modulem pro sber dat PM423, kterř ma kapacitu 4032 vzorku . Vzdy bylo mereno napetı (I) na jednř zone a pri znamř m proudu (U) a odporu (R) je mozno dopocıtat Vysledny vykon dle vztahu:

W = R.I2 Zaznamovř zarızenı vs ak poskytovalo jen maly vzorkovacı cas, ktery byl nastaven na 2s, pri nastavenı nizs ı hodnoty jiz prıstroj vykazuje chyby v merenı. Nasledne byla zıskana data prevedena do programu Excel a v nem dale zpracovana. Mereny byly 4 zony a mezi merenım pro odlis enı hodnot byla 20s pauza.

Pru beh napetı

0

1

2

3

4

5

6

2 62 122

182

242

302

362

422

482

542

602

662

722

782

842

902

962

1022

1082

1142

1202

C as t[s]

Napetı I

[A]

5

5.1

Graf 5.1: Pru beh namerenych hodnot napetı na case


Z grafu 5.1 mu zeme videt jak se skokove menı pru beh napetı. To je dano spınanım a vypınanım topnych zon v zavislosti na regulaci stroje, pri vykonu 100% je zona zapnuta stale pri 0% je vypnuta. Pri odlisnych hodnotach cykluje s urcitou frekvencı. Hodnoty spoctenř pro namereny pru beh napetı jsou v Tab.5.1 zona c . prumer vykon %skut %teor c .m.

8 4,63 1019,19 95,13 84,93 6-158 9 0,08 16,86 1,53 1,40 159-306 10 1,93 424,54 39,30 35,38 307-452 11 2,10 462,01 42,43 38,50 476-627

Kde: pru mer ň Je pru merna hodnota z namerenych hodnot vykon ň Vykon spocteny z namerenř pru mernř hodnoty. %skut ň Skutecny vykon topenı z namerenych hodnot %teor ň Teoreticka hodnota vykonu c.m. ň Vzorky jednotlivych merenı. Pri srovnanı vykonu na lisu a vypoctenych hodnot se ukazala chyba asi v radu 10%, ta je zaprıcinena vzorkovacı dobou 2s. Frekvence skokovych zmen napetı je odlisna, a proto jsou zachyceny jen urcitř skoky v case t = 2s. Nevıme tedy presne jaka je frekvence zmen mezi temito intervaly. Merenı nenı ani moznř najednou pro vs echny zony, takze vysledky by byly zkreslenř a nevystihujıcı jednotny stav teplotnıho zatızenı. Jako res enı by bylo moznř provř st merenı logickym analyzatorem zaznamenavajıcım pru beh napetı v realnř m case, nebo datalogerem snımajıcım jen frekvenci zmen (stav ON-OFF) pri danř m napetı. Dals ı moznostı jak zıskat hodnoty vytapenı je pomocı hodnot ze samotnř ho lisu. Lis je vybaven micocomtuterem EC88 ň A02. Tento nabızı celou radu funkcı technologickych parametru tykajıcıch se vstrikovacıho cyklu davkovanı a kompletnıho ovladanı vcetne temperacnıho okruhu. Regulacnı parametry nalezneme na strance “REG. PARAMETRY 0-15Ü . Zde je nekolik Č daju slouzıcıch pro regulaci. Pro hodnocenı vykonu vytapenı je nejdu lezitejs ı parametr Pakt. Zobrazuje hodnotu vykonu v %, rozsah je ň100%ý +100%. Vyjadruje pomer svetlych a tmavych polı na vystupu regulatoru behem jednoho spınacıho cyklu, predstavuje vydany resp. Chladıcı vykon. 100%vykonu se mını plnř zatızenı vystupu (obr5.1)

Tab:5.1: skutecnř a spoctenř hodnoty vykonu.


Hodnota pakt byla zıskana a odectena z obrazovky micomputeru, ktera byla ulozena pomocı funkce printscreen. Z takto zıskanych obrazovek (Obr5.2) byl vytvoren graf 5.2 casovř zavislosti vykonu na hodnote pakt.

% vykonu zo n 1-8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

46 184

318

458

588

728

858

990

1126

1256

1388

1524

1678

1886

C as t[s]

% vyk

onu

zona1zona2zona3zona4zona5zona6zona7zona8

Zde mu zeme pozorovat ze hodnoty se v casovř m Č seku merenı menı cyklicky nebo minimalne.

Obr 5.1: Zpu sob vyhodnocenı PAKT

Graf 5.2: Procentuelnı vykon jednotlivych topnych zon


5.2 Stanovenı okolnıch podmınek Vlivem okolnıch podmınek je forma ochlazovana. Z du vodu zjednodus enı je zanedbana radiace, ktera ma jen maly vliv na celkovř chladnutı formy. Hlavnım cinitelem pu sobıcım na formu je prirozena konvekce. Ta je vyvolana vznikem gradientu teploty a naslednř m gradientu hustoty za pu sobenı objemovř sıly, v nas em prıpadu gravitacnıho zrychlenı. To znamena, ze teplejs ı vzduch stoupa vzhu ru a tım obtř ka teleso a zpu sobı prenos tepla mezi povrchem a vzduchem. Lokalnı merny tepelny tok je definovan vztahem, ktery zname pod jako Newtonu v ochlazovacı zakon:

)( ∞−= TTq wα&

Kde: q& [W/m2]- Lokalnı tepelny tok α [W/m2K] - Lokalnı soucinitel prestupu tepla TW [K] - Teplota povrchu

∞T [K] - Teplota pritř kajıcı tekutiny. Pro beznř vypocty ma vets ı vyznam celkova hodnota tepelnř ho toku z celř ho povrchu o plos e S, kde je pouzita hodnota α , coz je strednı soucinitel prestupu tepla. Tento lze vypocıtat z podobnostnıch kriterii viz [8]

5.2

Obr 5.2: Printscreen obrazovky parametru


Samotny soucinitel zıskame z Nusseltova kriteria :

λαLNuL =

Kde : L[m] ň je vyska vertikalnı steny , nebo je to polomer plochy horizontalnı desky k jejımu obvodu, tj. L=A/P λ [W/m.K]- tepelna vodivost tekutiny konvekce mu ze mıt dva rezimy turbulentnı nebo laminarnı, pro kazdy tento rezim se pouzıva jinř vyjadrenı kriterii. Zda se jedna o turbulentnı nebo laminarnı rezim rozhoduje hodnota kritickř ho Rayleighova kriteria:

946

333

, 10967,21022160,01068,15

8,0)15,29715,358(10365,381,9)(⋅=

⋅⋅⋅⋅−⋅⋅

=−

= −−

−∞

axTTgRa W

kritx νβ

kde: g [m.s-2] ň gravitacnı zrychlenı g = 9,81 m/s2 ν [K-1] ň soucinitel objemovř roztaznosti ν =1/ ∞T =1/297,15 = 3,365.10-3 K-1

x[m] ň rostoucı vyska steny v[m2s-1] ň kinematicka viskozita pro vzduch T = 300K je v =15,68.10-6 m2s-1 a[m2s-1] - teplotnı vodivost

pro vzduch T = 300K je a =0,2216.10-4 m2s-1

Pro vertikalnı povrch platı ze pokud je Rax > 109 , jde o rezim turbulentnı, pokud je Ray < 109, jde o rezim laminarnı.V nas em prıpade se tedy jedna o rezim turbulentnı.

5.2.1 Vertika lnı stena formy Vypocet soucinitele prestupu tepla pro vertikalnı stenu formy: Vychazı opet z Nusseltova kriteria NuL, pro turbulentnı rezim:

3/1Pr)(13,0 LL GrNu =

5.2.1


Kde: GrL - je Grashofovo cıslo :

926

33

2

3

10193,4)1068,15(

8,0)15,29715,358(10365,381,9)(⋅=

⋅⋅−⋅⋅

=−

= −

−∞

νβ LTTgGr W

L

kde: L[m] ň je celkova vyska steny L = 0,8m PrL ň je Prandtovo cıslo :

708,0102216,0

1068,15Pr 4

6

=⋅

⋅== −

−

aLν

tedy:

83,186)708,010193,4(13,0Pr)(13,0 3/193/1 =⋅⋅== LL GrNu Soucinitel prestupu tepla α :

λαLNuL =

⇓

128,68,0

02624,083,186=

⋅==

LNuLλ

α W/m2K

5.2.2 Horizonta lnı desky Vypocet soucinitele prestupu tepla pro Horizontalnı desku: U horizontalnı desky je nutno rozlisovat, zda jejı povrch je chladnejs ı nebo teplejs ı nez okolnı prostredı a zda se jedna o hornı nebo spodnı stranu tř to desky. Pro hornı povrch teplř desky a spodnı povrch studenř desky platı:

4/154,0 LL RaNu = ,platnost pro 104 < RaL <107 3/115,0 LL RaNu = ,platnost pro 107 ∞ RaL ∞1011

Pro hornı povrch studenř a spodnı povrch teplř desky platı: 4/127,0 LL RaNu = ,platnost pro 104 ∞ RaL ∞107

5.2.2

Obr 5.3:Horizontalnı deska, a) hornı povrch studenř desky, b) spodnı povrch studenř desky, c) hornı povrch teplř desky, d) spodnı povrch teplř desky.


Kde:

646

333

10145,2102216,01068,15

0718,0)15,29715,358(10365,381,9)(⋅=

⋅⋅⋅⋅−⋅⋅

=−

= −−

−∞

aLTTgRa W

L νβ

L je charakteristicky rozmer plochy desky k jejımu obvodu, tj L= A/P =0,0718m Pro hornı teply povrch:

67,20)10145,2(54,054,0 4/164/1 =⋅⋅== LL RaNu

552,70718,0

02624,067,20=

⋅==

LNuLλ

α W/m2K

pro spodnı povrh teplř desky:

333,10)10145,2(27,027,0 4/164/1 =⋅⋅== LL RaNu

776,30718,0

02624,0333,10=

⋅==

LNuLλ

α W/m2K

5.2.3 C elnı stena Vypocet soucinitele prestupu tepla pro celnı stenu : Celnı plocha je jiz vystavena menıcım se podmınkam vzhledem k otevrenı ci zavrenı formy. Je tedy nutno provř st vypocet pro oba stavy. Teplota steny je uvazovana Tw = 413K. Pro otevrenou formu: Opet se jedna o turbulentnı proudenı a vztahy stejnř jako pro vertikalnı stenu o dř lce L:

3/1Pr)(13,0 LL GrNu =

Kde:

926

33

2

3

10974,7)1068,15(

8,0)15,29715,413(10365,381,9)(⋅=

⋅⋅−⋅⋅

=−

= −

−∞

νβ LTTgGr W

L

kde: L[m] ň je celkova vyska steny L = 0,8m

5.2.3


708,0102216,0

1068,15Pr 4

6

=⋅

⋅== −

−

aLν

tedy:

48,231)708,010193,4(13,0Pr)(13,0 3/193/1 =⋅⋅== LL GrNu Soucinitel prestupu tepla α :

λαLNuL =

⇓

592,78,0

02624,083,186=

⋅==

LNuLλ

α W/m2K

Pro uzavrenou formu: Jedna se o prıpad rovnobeznř otevrenř s terbiny s izotermickymi deskami o stejnř teplote, na casti tvarnıku a tvarnice mu zeme predpokladat stejnř teploty Tw. Vypocet opet vychazı z podobnostnıch kriterii.

24)/( LSRaNu S

S =

kde:

11020102216,01068,15

01,0)15,29715,413(10365,381,9)(46

333

=⋅⋅⋅

⋅−⋅⋅=

−= −−

−∞

aSTTgRa S

L νβ

S[m] ň s ırka s terbiny, S = 0,01m L[m] ň dř lka desky, L = 0,8m Tedy:

740,524

)8,0/01,0(1102024

)/(=

⋅==

LSRaNu SS

1883,08,002624,0740,5

=⋅

==L

NuS λα W/m2K


5.2.4 Nucena konvekce Je zpu sobena ofouknutım plochy stlacenym vzduchem po vyjmutı vylisku z formy pred jejım opetovnym uzavrenım. Doba ofouknutı je asi t = 3s a z trubice o pru meru 3mm pod tlakem pb = 6.105 Pa. Rychlost proudıcıho vzduchu:

11,482929,1

003,0)100132,1106(2)(2 550 =

⋅⋅−⋅⋅=

⋅−⋅=

ρDpp

u bs m.s-1

kde: po[Pa] ň atmosfř ricky tlak, po = 1,0132.105Pa pb[Pa] ň tlak vzduchu pb = 6.105 Pa D[m] ň pru mer trubice.D = 0,003m ρ[kg.m-3] ň hustota vzduchu, ρ = 1,2929 kg.m-3 dale urcıme zda se jedna o laminarnı ci turbulentnı proudenı, dle hodnoty Ryenoldsova cısla:

56 10928,8

1068.1535,040Re ⋅=

⋅⋅

== −∞

νLu

L

kde: u∆ = 40m.s-1 , rychlost proudenı je snızena z du vodu vzdalenosti od vytoku z trysky. prechod mezi laminarnım a turbulentnım proudenım je priblizne 5.105 pro rovinnou desku, tedy se jedna o turbulentnı proudenı.

1520708,0)10928,8(0296,0PrRe0296,0 3/15/453/15/4 =⋅⋅⋅=⋅= LLNu

86.498,002624,01520

=⋅

==L

NuLλα W/m2K

5.2.5 Vstrıknutı hmoty Behem cyklu se takř do uzavrenř formy vstrıkne tavenina plastu a nızkř teplote oproti stenam plochy teplotnı gradient je asi 118K. Po vstrıknutı se tavenina ohrıva a zesıλovava v konecny vylisek. Teplotnı ovlivnenı mu zeme nahradit teplotnım tokem q.

q =λT/ Rú

Kde : Rú ň odpor proti vedenı tepla. Rú = δ/ ú δ - tlousλka steny ve smeru tepelnř ho toku, pro uvazovanı symetrie pro tvarnık i tvarnici je δ = 1,5mm ν ň tepelna vodivost vstrıknutř ho plastu, ú = 0,2 W/mK

5.2.4

5.2.5


Tok q:

24 /10813,10015,0

)15,29715,433(2,0)(mW

TTq b ⋅=

−⋅=

−⋅= ∞

δλ

Tento bude definovan na kazdy element, takze zde nenı treba uvazovat plochu S.

Urcenı vs ech koeficientu je velice slozitř a presnř vyjadrenı a vypocet mu ze byt zavadejıcı, jelikoz nekterř veliciny pouzitř ve vypoctu jsou stanoveny odhadem ci z tabulkovych hodnot stanovenych merenım v laboratornıch podmınkach, kterř jsou odlisnř od realnych. Proto mohou byt Vyslednř hodnoty zkresleny dle literatury az o 20%. Pro stanovenı presnejs ıch koeficientu a hodnot by bylo nutnř provř st merenı prımo na forme za provozu.

5.3 Materia lovš vlastnosti Ramy - jsou vyrobeny z materialu 11 730. Jedna se o ocel obvyklych jakostı s vys s ım obsahem uhlıku. Jejı hlavnı uzitı je pro strojnı soucasti s vets ı odolnostı proti namahanı a odolnostı proti opotrebenı, vykovky a vylisky s velkou tvrdostı, pasy a pruhy valcovanř za studena. Materialovř hodnoty:

λ [W/m.K] tepelna vodivost, λ = 45.4 W/m .K c [J/kg.K] Merna tepelna kapacita , c = 472 J/kg .K ρ [kg/m3]hustota , ρ = 7850 kg/m3

Klıny ň ne ne je pouzita ocel 19312, jedna se o nastrojovou ocel urcenou pro nastroje jak rucnı tak automatovř . Pro meridla a zapustky vykovku a tvarovacı lisovadla a dals ı. Materialovř hodnoty:

λ [W/m .K] tepelna vodivost, λ = 43 W/m .K c [J/kg .K] Merna tepelna kapacita , c = 473 J/kg .K ρ [kg/m3]hustota , ρ = 7753 kg/m3

Tva rnık, tva rnice - jsou z ocely 2343-ISO B MOD. Jde o ocel urcenou pro nastroje pro formy a presnř tvary. Materialovř hodnoty:

λ [W/m .K] tepelna vodivost, λ = 26 W/m .K c [J/kg .K] Merna tepelna kapacita , c = 460 J/kg .K ρ [kg/m3]hustota , ρ = 7689 kg/m3

5.3


Izobary ň Jak bylo popsanř vys e jsou trubice slozenř z kovovř ho tela porř znı latky a tekavř kapaliny uvnitr. Presnř hodnoty nejsou znamy, ale firma Acrolab, vyrobce techto izobar, dodala informace ze pro mř Č cely postacı nahradit vlastnostmi medi a pouze s jinou tepelnou vodivosti. Materialovř hodnoty:

λ [W/m .K] tepelna vodivost, λ = 2500 W/m .K c [J/kg .K] Merna tepelna kapacita , c = 383,1 J/kg .K ρ [kg/m3]hustota , ρ = 8954 kg/m3

izolac nı desky ň Jsou z materialu Glasterm HT, ktery se vyznacuje velkou mechanickou odolnostı zejmř na v tlaku. Da se dobre opracovavat a je velice staly a odolny. Ma takř vybornř izolacnı vlastnosti. Je absolutne bez azbestu. Materialovř hodnoty:

λ [W/m .K] tepelna vodivost, λ = 0,27 W/m .K c [J/kg .K] Merna tepelna kapacita , c = 816J/kg .K ρ [kg/m3]hustota , ρ = 1970 kg/m3

strana 50 6. Simulace teplotnıho pole

6. SIMULACE TEPLOTNIHO POLE Samotna simulace bude provedena v programu Marc 2005 a prıpravnř faze jako, definovanı teplotnıho zatızenı a okrajovych podmınek , v SimDesigner for CATIA V5.

6.1 SimDesigner for CATIA V5 Pracuje pod prostredım CATIA V5 r11. V mř m prıpadu obsahuje Modul pro teplotnı analyzu, linearnı pevnostnı a nelinearnı pevnostnı analyzu. Modul pro teplotnı analyzu umoznuje zadanı pocatecnıch (vstupnıch ) velicin: stala teplota (Temperature), pocatecnı teplota (Initial Temperature), teplotnı tok (Heat Flux) ň ktery vyjadruje teplotnı tok na plochu, a vykon (Heat Source) ň tento vyjadruje teplotnı vykon v urcitř m bode, pri jeho definovanı na plos e je pak jeho dana hodnota urcena kazdř mu uzlu sıte konecnych prvku . Dale je zde mozno zadat konvekci(Convection) na plos e. Jsou zde i dobrř nastroje pro vytvorenı sıte konecnych prvku . Je zde takř moznost exportu jiz pripravenř konecnoprvkovř sıte bodu zatızenı a okrajovych podmınek do externıho res ice. Podporovany jsou tyto formaty:MSC Marc, MSC Nastran, Abaqus, Ansys, a format STEP(AP209). Po nactenı jednotlivych soucastı a vytvorenı sestavy nasleduje prirazenı materialu. Material zde prirazeny byl pozdeji upraven v programu Marc na odpovıdajıcı hodnoty. Po prepnutı do modulu Simdesigner thermal analysis je automaticky soucastem nadefinovana velikost prvku a stacı jen vygenerovat ci upravit sıλ. Automaticky je vytvorena sıλ ctyrbokych ctyruzlovych prvku ,obr6.1.Vytvorenım sıte dos lo k mırnř zmene geometrie pu vodnı plochy Obr 6.2. Je takř nutno dodefinovat materialu m jejich parametry pro teplotnı Č lohu. Dale jsem zde definoval teplotnı zatızenı danym vykonem (Heat Source) na vytapenř plochy ∅ 16mm. Plochy byly vybırany tak, aby odpovıdaly jednotlivym zonam. Hodnota je opet upravena v programu Marc, jelikoz zde nezname presny pocet uzlu na plos e. Na plochy, na kterř pu sobı vnejs ı podmınky, jsem definoval konvekci. Tu je nutno definovat jen na urcitych plochach, kde pu sobı stejnř podmınku nebo se budou v case menit.Nynı je jiz Č loha plne definovana a pripravena na export do programu Marc, po zadanı se automaticky spustı vytvorenı sıte konecnych prvku . Vyexportovany jsou jen prvky, uzly, souradny systř m, materialovř konstanty definice zatızenı a okrajovych podmınek v jednotlivych uzlech a prvcıch. Nutnost exportu a ne vypoctu prımo v tomto programu je zpu sobena jeho nestabilitou a problř my s vypocty celkove.

6

6.1


6.2 MSC Marc.Mentat 2005 Programy firmy MSC (MARC) dovolujı res it slozitř technickř i vedeckř Č lohy z oblasti mechaniky, pruznosti a pevnosti, Č lohy kontaktu teles, lomovř mechaniky, Č navy materialu, uvazuje kompozitnı materialy, plasty, zeminy a horniny, umoznuje termomechanickou a hydromechanickou analyzu, elektrostatickou, magnetostatickou a elektromagnetickou analyzu, Č lohy tykajıcı se proudenı tekutin i akustiky. Res ı nelinearnı problř my, dovoluje zmenu geometrickř sıte teles a zmenu okrajovych podmınek v pru behu res enı. Pri res enı Č loh se pouzıva metoda konecnych prvku .

Cely systř m je tvoren dvema castmi: Pre- a postprocesor MENTAT, ktery umoznuje interaktivnı zadavanı Č lohy. Vysledkem zadanı Č lohy jsou soubory *.dat, slouzıcı jako vstupnı data pro vypocet v programu MARC (res ice). Po ukoncenı vypoctu res ice umoznı Mentat, jako postprocesor, prohlızenı vypoctenych vysledku . Program je res en jako celek a oddelenı techto castı je mř ne patrnř , prinas ı vs ak znacnou vyhodu v moznosti provedenı samotnř ho vypoctu na vykonnejs ım pocıtaci a pre- a post- na pu vodnım bez jeho zatızenı.

Po nactenı souboru do pre-procesoru metntat. Jsem zjistil ze mnoho hodnot je mırne odlisnych ci jinak upravenych oproti zadanı v SimDesigneru. Vs echny nazvy velicin byly prepsany na implicitnı. Plochy, na kterych byla definovana

6.2

Obr.6.1 Vygenerovana sıλ konecnych prvku na funkcnı pole

Obr6.2: Funkcnı plocha vstrikovacı formy


konvekce, se rozdelili na ctyri definice do ru znych prvku na tř to plos e. Dale jsem musel upravit kontakt teles oproti importovanř mu.

Pro vs echny simulace mnou provedenř bylo nekolik stejnych nastavenı a konstant:

Materialova data ň (Material properties) zde jsou nastaveny konstanty materialu potrebnř pro vypocet. Material je izotropnı a pro vypocet tepla (heat transfer). Definice kontaktu ň kontakt je zde reprezentovan kontaktnı tabulkou a kontaktnımi telesy. Kontaktnı tabulka nam urcuje res ici mezi kterymi telesy ma vyhledavat kontakt a urcuje takř typ kontaktu. Kontakty moznř mezi telesy: dotyk (touching) a slepeno (glue). Pro mu j prıpad byly telesa slepeny a kontakt je vyhledavan automaticky je zde jes te nutnost zadat v jak velkř vzdalenosti od telesa ma vyhledavat kontakt, hodnota zamezı vyhledanı nechtenř ho kontaktu nebo pri nepresnř m modelovanı umoznı kontakt oddalenych teles.Lze zde takř nastavit pro presnř kontakty dotyku koeficienty trenı valenı a prımo dotykovř plochy. Kontaktnı telesa byly upraveny na tepelny kontakt (heat rigid). Podmınky teplotnıho zatızenı ( Boundary conditions ) ň je zde mozno zadat mnozstvı podmınek.od stalř teploty ( Fixed temperature ), teplotnı tok (face flux, edge flux), prıloha 12, vykon v bodu a objemu (Point flux, Volume flux), konvekci (face film), radiaci ( cavity, edge, face radiation), atd. az po specialnı zadanı jako je svarovanı (weld) a dals ı. Je zde nutno dat pozor na zda je zatızenı prepocteno do uzlu ci prvku nebo je definovano hodnotou na celou plochu ci hranu.kazda ze zadavanych jednotek a konstant podporuje zadanı pomocı grafu ci rovnice. Grafy se mohou tvorit i 3rozmernř . Program dovoluje zadanı ci definovanı mnoha podmınek a moznostı pro vypocet, pro mř Č cely vs ak byly pouzity jen vys e zmınenř . Po zadanı vstupnıch hodnot a parametru je nutno zadat zatezovacı sadu (loadcase). Zde jsou nabızeny dve moznosti druhu vypoctu : do ustalenı stavu (Steady State) a vypocet probıhajıcı v case (transient). Prvnı program spocıta ustaleny stav na definovany gradient zmen. U casovř analyzy musıme zadat v jakř m casovř m Č seku se ma vypocet provř st a na kolik kroku . Na pocatku v case t = 0s, je model zcela nezatızen a postupne se prechazı do ustalenř ho stavu.S vyhodou je pouzitelny pri zadanı pomocı grafu s promennymi velicinami. U obou druhu je nutno zadat jednotliva zatızenı (loads), kterř budou pri vypoctu pouzity. Dale se zde aktivuje kontakt zadanım tabulky a prıpadne teles , ktera majı byt z kontaktu vynechana(contact releases). Po definici jednoho ci vıce zatezovacıch sad musıme urcit podmınky vypoctu (Jobs). Zde vybereme, kterř zatezovacı sady chceme pouzıt a seradıme je dle jejıch poradı pro vypocet. Takř lze nastavit pocatecnı zatızenı, parametry vypoctu.Nutnř je pokud je nastavenı vysledku (Job results). Potř jiz jen nasleduje spus tenı vypoctu (Run → Submit). Pri behu vypoctu je mozno sledovat jednotlivř prıru stky (increments) a konec vypoctu je oznamen v kolonce: status, a vystupnı zpravou ktera ma danř cıslo, c. 3004 oznamuje Č spesny vypocet. Otevrenı vysledku (results) a jejich vizualizace a hodnocenı je zde takř mozno. Podporovana je moznost zobrazenı nekolika forem vyslednych hodnot jako jsou:


barevnř stupnice, iso plochy, hodnoty a mnoho dals ıch podporuje takř zobrazenı grafu jak casovych pro jeden uzel nebo pru behy velicin, mezi nekolika uzly. Jelikoz cela sestava formy byla jiz velice narocna (pres 400 000 prvku ). A pouzitř PC (pentium 4 2,6 Ghz, 2GB RAM ) nebyl schopen provř st vypocet byla Č loha rozdelena na simulace casti tvarnıku a tvarnice, pri uvazovanı podmınek a namodelovanı styku pri uzavrenı formy. Dotykajıcı se povrchy majı priblizne stejnou teplotu , takze je mezi nimi mu zu uvazovat nulovy tepelny tok.

6.3 Simulace

6.3.1 Steady state analyza Jako prvnı byl simulovan prıpad pro otevrenou formu plnym vykonem topnych patron (P=1200W na jednu zonu) . Pri otevrenř forme je konvekce definovana na celř plos e formy. Byly zadany hodnoty vypoctenř vys e ve forme:

)( ∞−= TTq wα& q& [W/m2] ň tepelny tok

α [W/m2K] ň spocteny soucinitel tepla Tw [K] ň okolnı teplota T∆ [K] ň predpokladana teplota povrchu.

Zadano do vypoctu : hornı deska izolace : q& = 460,6 W/m2 bocnı desky izolace : q& = 373,8 W/m2 spodnı deska izolace : q& = 230,36 W/m2 celnı deska ramu formy : q& = 876,8 W/m2 povrch tvarnice (tvarnıku): q& = 1028,02 W/m2 Z vysledku (prıloha 13-14) je patrnř pri zadanı steady state analyze, ze topnř zony vytapı stale bez regulace a vysledna teplota je nızka dıky ochlazovanı od okolnıho vzduchu a rozlozenı na povrhu formy je celkem jednotnř az na malř casti zapus tenř pod povrch kde je mıstne teplota vys s ı. Stejne tak stav, kdy je forma zavrena.Zmenı se hodnoty koeficientu u povrchu formy a povrchu tvarnice (tvarnıku) na 0.U celnı plochy ramu vznika pri zavrenı Č zka s terbina, kde je konvekce o hodnote q& = 23.6 W/m2 . Zde je zase teplota zvys ena o nekolik desıtek stupnu . Tyto oba stavy jsou

6.3

6.3.1


vs ak nerealnř a jsou jen pro predstavu co se deje pri porus enı regulace. Pri jejım spravnř m chodu je topenı zapnuto jen dokud teplota na cidlech nedosahne nastavenř hodnoty. Naproti tomu stav otevrenř formy na dels ı dobu taky nenastane, takze topenı nemusı byt dimenzovano na tento stav. Pru beh vyhrıvanı otevrenř a zavrenř formy jsem zjistil pri zadanı tranzient analyzy. Pri zadanı dostatecne dlouhř ho vypoctovř ho casu a s odpovıdajıcım poctem iteracnıch kroku dobre vidıme graf 6.1, pru beh z nehoz lze urcit cas pocatku regulace vyhrıvanı formy po dosazenı zadanř vstupnı hodnoty Je takř patrnř jakř rozdıly jsou ve vyhrıvanı otevrenř a zavrenř formy.

Pru beh ohrıvanı formy

297

347

397

447

497

547

597

647

697

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

C as t[h]

Tepl

ota

T[k]

otevrenaformazavrena forma

6.3.2 Tranzient analyza Pro simulaci realnř ho stavu jsem musel provř st komplexnejs ı analyzu a simulaci .Je zde nutno zahrnuta regulace topenı a promenlivost podmınek pri cyklu stroje. Zadanı velicin je provedeno jiz casovymi tabulkami.

6.3.2

Graf 6.1: Zavislost teploty na case pri uzavrenř a otevrenř forme.


Zadanı vytapenı jiz vychazı z namerenych hodnot a zpracovanych tabulek (viz. 4.4.1). Zadana je pru merna hodnota z namerenych hodnot pro jednotlivř zony, jelikoz simulovany casovy Č sek je maly vzhledem k casu merenı vytapenı. Okolnı podmınky se menı v pru behu cyklu Graf 6.3, Tab 3.1 jako pocatek jsem zvolil zavıranı formy. Cyklus popsan u grafu 6.2. Grafy je nutno zadat pro funkcnı plochu vylisku, dosedacı plocha tvarnıku (tvarnice) a na celnı plos e ramu. Pro kazdou tuto plochu je zadan zvlas tnı graficky pru beh. Samotny vypocet se sklada ze dvou silovych sad (load case), obe jsou casovř (transient). Prvnı nam simuluje ohratı formy na provoznı teplotu. Cas ohratı byl odvozen z grafu 6.1 na 9800s. Po tomto ohratı zacına druhy se zadanymi grafickymi hodnotami a pru behy vytapenı.

Zmena q v cyklu na povrchu tvarniku

0

5000

10000

15000

20000

9800 9850 9900 9950 10000 10050 10100 10150

t[s]

q[W

/mK

2 ]

Graf.6.2: Hodnoty q v 6 cyklech zadanř do vypoctu.


cyklus

0

5000

10000

15000

20000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

t[s]

q[W

/mK

2 ]

cyklus formy: 0 Zac a tek cyklu, forma otevrena

5 Uzavrenı formy

7 Poc a tek Vstr ıknutı chladne taveniny

9 konec vstr ikovanı taveniny

11 Zac a tek vytvrzova nı taveniny

43 Otvıra nı formy

45 Zac a tek vyhozenı vy lisku

45,5 Vyhozenı vy lisku

49 Zac a tek ofouknutı plochy

53 ofukova nı

53,5 Konec ofouknutı

56 Konec cyklu

Graf 6.3:hodnoty q v jednom vstrikovacım cyklu.

Tab 6.1:Pru beh vstrikovacıho cyklu.


Nekterř z techto kroku se casove prekryvajı, prekrytı je zahrnuto do hodnot q. Parametry vypoctu byly nastaveny u prvnı sady na 3 kroky a celkovy cas 9800s. Pro druhou sadu jsem zvolil cas 336s ve 168 krocıch vzhledem k vypocetnım podmınkam a rozsahlosti Č lohy. Vysledny soubor je velikosti 1,178GB a cas potrebny pro vypocet byl 18691s = 5,19h .Vypocet byl provaden na PC s parametry: CPU Intel pentium 4 2,6Ghz, RAM 2GB.

6.4 Vysledky simulace Vyslednř teploty se pohybujı v rozmezı asi 20K jak je viditelnř z grafu 6.4.a 6.5. Jsou zde vyznaceny zmen teplot pri behu cyklu.Vybral jsem uzly odpovıdajıcı teplotnım cidlu m snımajıcım teplotu. Teplotnı rozdıly na forme neprekracujı 20K, coz je jako vysledek simulace pri zadanych parametrech a zjednodus enıch velice dobry vysledek, avs ak pro realnř hodnoty by to byl jiz spatny stav. Dobre nam tento prıru stek teplot ukazuje rozlozenı gradientu teplot na forme (prıloha 15,16). Rozlozenı teplot je zretelnř z prılohy (16-24)

Pru beh teploty na tvarnıku

297

317

337

357

377

397

417

437

457

477

497

9800 9850 9900 9950 10000 10050 10100 10150C as t[s]

Tepl

ota

T[k]

zona26 zona27

zona23 zona 25

6.4

Graf.6.4: pru beh teplot na tvarnıku ve vybranych uzlech behem 6 cyklu .


Pru beh teplot na tvarnice

300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

9800 9850 9900 9950 10000 10050 10100 10150

cas t[s]

tepl

ota

T[K

]

zona14 zona10zona17 zona13

Z grafu je patrnř ze po pocatecnım nabehu se jiz po par cyklech stav formy a povrchu ustaluje na stabilnıch hodnotach ovlivnenych jen cyklem formy. Vyvoj teplot v ustalenř m cyklu je zrejmy z grafu 6.6. Pozorujeme zde vliv cyklu formy tj. naru st teploty pri zavıranı formy, potř nahly pokles pri vstrıknutı chladnř taveniny v 7s. Po vstrıknnutı se forma postupne zahrıva za soucasnř ho zesıtenı hmoty (10-45s). Potř dochazı k otevrenı formy a jejımu ofouknutı (53s) coz je doprovazeno dals ım propadem teplot po ukoncenı ofouknutı se teplota rychle navracı na svř pu vodnı hodnoty a zacına dals ı cyklus. Umıstenı jednotlivych cidel a zon je patrnř z prılohy (9,10).

Graf.6.5: pru beh teplot na tvarnici ve vybranych uzlech behem 6 cyklu .


pru beh teplot v cyklu

350

360

370

380

390

400

410

420

430

440

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

C ast[s]

tepl

ota

T[K

]

zona14zona10zona17zona13

Graf.6.6: pru beh teplot na tvarnici ve vybranych uzlech behem jednoho ustalenř ho cyklu.

strana 60 7. Porovnanı vysledku simulace a mřrenı

7. POROVNA NI VY SLEDKč SIMULACE S ME RENIM

7.1 Merenı termovizı Na forme byla provedeno merenı termovizı pro zjis tenı skutecnych povrchovych teplot. Termovize tipu TVS 100 HANDY THERMO . Merenı probıhalo za chodu formy mezi jednotlivymi cykly s pozastavenım stroje na potrebnou manipulaci pro merenı. Vysledky merenı jsou na obr.7.1

Vyslednř rozlozenı a hodnoty teplot vs ak nejsou zcela presnř , merenı je ovlivneno zadanou stupnicı ktera je jen do 160„C a vys s ı teploty jsou tudız zkresleny. Takř manipulace s kamerou do spravnř pozice pro merenı trvala asi 1min, takze se podmınky mırne zmenily. Nejvıce vs ak merenı ovlivnilo zadanı emisivity (zadano dle tabulek 0,9) a jejı skutecnř hodnoty. Forma je znacne tvarove slozita a jejı povrch je les ten. Termovize je schopna merit jen plochy kterř neodrazı (svetlo, teplo). Nejvys s ı emisivitu ma dokonalř zrcadlo (em=1), to se jevı jako studenř i pri vysokř teplote. Povrch formy je les ten a z tohoto du vodu je merenı zatızeno chybou a zkreslenım. Pro Č cely srovnanı jsou vs ak vysledku dostacujıcı.

7

7.1

Obr 7.1:Vystupnı hodnoty z merenı termovize.


Cast tvarnice

Merenı termovizı: Vysledky simulace:

Tab 7.1: Srovnanı merenı termovizı s pocıtacovou simulacı na tvarnici


Cast tvarnıku

Merenı termovizı: Vysledky simulace:

Tab 7.1: Srovnanı merenı termovizı s pocıtacovou simulacı na tvarnici


Z porovnanı vystupu vzniklych merenım a simulacı (tab 7.1,tab7.2) je patrnř ze obe formy zjisλovanı teplot majı rozlozenı teplotnıch polı mıstne odlisnř i . Teplotnı pole je na obou modelech rozlozeno priblizne stejne i kdyz si podmınky presne neodpovıdajı ve zhruba 30-40s rozdılu merenı. Srovnanı ukazalo ze obe metody nejsou zcela presnř s realnym stavem, avs ak pro hodnocenı rozlozenı teplot na forme dostacujıcı.

7.2 Merenı cidly teploty ve forme jsou takř umıstena cidla teploty, ktera jsou spojena s regulacnı soustavou lisu. Tyto cidla jsou umıstena asi 2mm pod povrchem tvarnice(tvarnıku). Umıstenı cidel je dano topnymi zonami u mezi kterymi jsou cidla umıstena (prıloha XX). Skutecnř teploty byly mereny dotykovym teplomerem. Pro srovnanı byly vybrany uzly lezıcı na povrchu formy lezıcı nad danym cidlem cidlu. Tab 7.3

C ıslo zony Nastavena teplota �C Skutec na teplota �C Vypoc tena teplota �C 8 169 165 125,83 9 169 169 125,03 10 172 170 140,62 11 172 169 141,84 12 169 168 135,42 13 169 166 127,36 14 169 169 103,34 15 172 167 142,28 16 172 167 143,51 17 169 169 102,97

20 165 163 106,55 21 165 166 60,39 22 165 165 93,88 23 165 166 94 24 165 166 73,25 25 165 164 120,61 26 165 166 113,17 27 165 164 134,91 28 165 165 138,55 29 165 168 120,85

Zde jsou jiz znatelnř vets ı rozdıly mezi namerenymi a spoctenymi hodnotami. Do znacnř mıry jsou zpu sobeny rozdılem v mıstu merenı a odecıtanı hodnot. Na vypoctenř m modelu jsou mısta(jako zahyby svislř steny predely ploch) na kterych jsou velkř rozdıly teplot. I ve skutecnř forme jsou tyto rozdıly a zalezı na presnř m mıste merenı. Dals ı velicinou znacne ovlivnujıcı vyslednř teploty jsou zadanř koeficienty tepelnř ho toku, kterř se mıstne menı, jejich zjis tenı analytickou cestou je nerealizovatelnř , a proto byla na cely jeden funkcnı povrch formy predepsan jedeny priblizny koeficient.

7.2

Tab 7.3.Srovnanı teplot z cidel, namerenych a vypoctenych.

strana 64 8. U prava formy a mozne navrzene opatrenı pro zlepsenı procesu

8. U PRAVA FORMY A MOZNě NAVRZENě OPATRENI PRO ZLEPSENI PROCESU.

Ze zjis tenych vysledku tř to teplotnı analyzy je jiz na prvnı pohled patrno, ze teplota na povrs ıch tvaru tř to vstrikovacı formy nenı stala po celř m tvaru, ale lis ı se, a to jednak v zavislosti vzdalenosti povrchu tvaru formy od topnych clanku tak i podle drahy toku vstupujıcıho BMC materialu.

Dodavateli BMC materialu je doporuceno, aby rozdıl v teplotach na povrchu formy nebyl vets ı nez 5 „C. V opacnř prıpade dochazı k nestabilite procesu vstrikovanı a ke zvys enř mu vyskytu zmetkovitosti.

Toto je mozno zleps it pouzitım vets ıho poctu zon na vstrikovacım stroji, kdy kazda zona by ovladala pouze 1 topny clanek a bylo by dosazeno optimalnejs ıho (stabilnejs ıho) rozlozenı teplot na povrchu formy.V prıpade vyskytu defektu, k jehoz odstranenı napomu zeme takř zvys enım nebo snızenım teploty, bychom tento zasah mohli provř st pouze v urcitř m mıste defektu. V soucasnř m stavu nenı toto mozno z du vodu omezenř ho poctu volnych zon na vstrikovacıch strojıch pouzıvanych pro termosety. To s sebou prinas ı i zmenu konstrukce a umıstenı cidel teploty ve forme, prıpadne jiny druh detekce povrchovř teploty.

Dals ım moznym res enım by bylo pouzitı prımř ho topenı (topnř patrony jsou umısteny prımo pod povrchem formy, tudız se eliminuje ztrata tepla vznikla vedenım tvarem formy.V nynejs ım res enı je vytapen ram a vedenım pres soustavu izobar je teplo rozvadeno po forme. Pri res enı prımř ho topenı se ovs em musı dbat zvys enř opatrnosti na lokalnı prehratı tvaru. I zde by vs ak za soucasnř ho stavu vstrikovacıch stroju , kterř majı omezeny pocet zon, nastal problř m, protoze by muselo dojıt k jejich sloucenı, takze by jednım cidlem bylo regulovano nekolik topnych patron. Zde se jevı jako nutnost investice do vybavenı vstrikovacıch stroju , napr. rozs ırenı poctu topnych zon. I toto res enı by vs ak melo svř proti ň samostatnř ovladanı kazdř topnř patrony by znamenalo zvys enı poctu snımacıch cidel a vedlo k problř mu m s jejich umıstenım do formy. Jako dals ı mozna nestabilita a mozna prıcina vzniku defektu na vyliscıch je velky teplotnı rozdıl mezi povrchem tvaru formy a ru znymi vystupky a hrankami, tvorıcımi tvar danř ho vylisku. Tyto jsou pri otevıranı formy a ofuku vzduchem ochlazovany. Pokud pres ne material ve forme prechazı mu ze byt lokalne ochlazovan, coz takř mu ze vř st k urcitym defektu m

8

strana 65 9. Zavřr

9. ZA VE R ve svř diplomovř praci jsem se zabyval simulacı teplotnıho pole na forme pro vstrikovanı duroplastickř ho materialu, v tomto prıpadu o BMC material. Tento jak je uvedeno v prvnı casti prace vyzaduje pro svř zpracovanı a dosahnutı urcenř kvality specifickř podmınky pro technologii vstrikovanı tj. zejmř na teplotu povrchu formy. Pro stanovenı teploty jsem vybral vhodny vypocetnı software vybrany z nekolika dostupnych dle kriteriı danych Č lohou. Jako nejleps ı po res enı jsem zvolil program Marc/mentat 2005 v kombinaci s programem Simdesigner for Catia V5. Pouzitı a moznosti techto software jsem popsal se zretelem na Č lohy vedenı tepla. Pro samotnou simulaci jsem musel stanovit podmınky vytapenı formy a okolnı podmınky. Vytapenı formy jsem stanovil z dat zıskanych na samotnř m lisu jiz z hodnot lisem prepoctenych. Presnř stanovenı podmınek vytapenı se jevı jako znacne slozitř a pro by bylo nutno pouzitı specialnıch prıstroju sledujıcıch merenř veliciny. Zjis tenı okolnıch podmınek jsem stanovil analytickou cestou, pri samotnř m vypoctu konstant jsem zjistil ze tyto jsou vets inou odecıtany z tabulek nebo urceny na zaklade specifickych merenı. V samotnř pouzitř literature je uvadena chyba vznikla vypoctem a odhadem velicin az ve vys i 20% vysledku. Moznř res enı je merenı velicin prımo na stroji z provozu vyzadujıcı vs ak specializovanou techniku a obsluhu. Provedl jsem nekolik simulacı zabyvajıcı se ru znym stavem formy a prostredı. Nejrealneji se ukazala simulace nekolika cyklu se zadanım casove promennych vstupnıch hodnot. Vyslednř rozlozenı teplot a jejı velikost jsem porovnal se stavem realnř formy. Rozlozenı teplotnıho pole se ukazalo jako pomerne spojitř avs ak s velkym rozdılem teplot na oblastech s velkou zmenou geometrie a vzdalenostı od vytapenı. I celkovř hodnoty teplot vyslednř simulace jsou mıstne asi o 20„C odlisnř od realnř ho stavu. Tato odlisnost je zpu sobena jak vstupnımi parametry vypoctu, kterř jiz samotnř jsou urceny s chybou. Pro slozitost formy je takř tř mer nemoznř stanovit realny koeficient pro kazdy povrch takze priblizna hodnota byla nastavena na jeden funkcnı a podobny povrch. Matematicky model svym presnym vypoctem zejmř na gradientu na ostrych plochach a hranach takř zkresluje model oproti realite kde ovlivnenı nenı az tak velkř . Simulace nam i pres tuto nedostatky dobre ukazuje pribliznř rozlozenı teplot i jejı mıstnı rozdıly. Jako mozna opatrenı pro Č pravu teplot jejı leps ı regulace a rozlozenı, je mozna Č prava regulace jednotlivych zon rozdelenı na vıce samostatnych snaze regulovatelnych a zmena konstrukce formy s cılem priblızit topnř patrony povrchu formy a zamezit tım ztratam pri vedenı. Tyto kroky by s sebou prinesli takř nutnost dals ıch zmen jiz zadajıcıch hlubs ı posouzenı nejen z vlivu tepelnř ho zatızenı formy. Prace prispela k zhodnocenı stavu a posouzenı parametru na jiz zkonstruovanř a pracujıcı forme a nastınila dals ı moznosti pro optimalizaci tvaru a konstrukce forem.

9

strana 66 10. Seznam pouzite literatury

10. SEZNAM POUZ ITě LITERATURY [1] VARKOLY l., KOVAC P., BELKO D., TAINOVA S . :Technicke plasty vyroba, spracovanie, a skusanie. 1 vyd., 1995. ISBN 80-7100-285-2.

[2] SMC/BMC: design for sucess : European Alliance for SMC.[On-line] www.smc-alliance.com [3] THIENEL P., HOSTER B., K¨ RTEN CH. : Defects on moulded parts : [on-line] Bakelite AG, < www.bakelite.de > [4] THIENEL P., HOSTER B., K¨ RTEN CH. : Process Optimisation: [on-line] Bakelite AG, < www.bakelite.de > [5] REHULKA Z. : Konstrukce vylisk ̊ z plast ̊ a forem pro zpracova nı plat .̊ Materialy seminaru a prednas ek. [6] GABRIEL J. : Kurz zpracova nı plast ̊pro technology : Kompozity Brno s.r.o., Studijnı texty

[7] KOLOUCH J.: Strojırenske vyrobky z plast ̊ vyra bαne vstrikova nım. SNTL Praha, 1986.

[8] PETRUS KA J.:Pocıtacovř metody mechaniky II, Metoda konecnych prvku : [On ňline] Fsi VUT v Brne. <www.fme.vutbr.cz/opory> [8] INCROPERA F.P., DEWITT D.P. :Foundamentals of heat and mass transfer. 5.ed., 2002. ISBN 0-471-38650-2 [9] JICHA M. : Prenos tepla a la tky 1 vyd., 2001. ISBN 80-214-2029-4 [10] Napoveda programu: I-DEAS 11NX [11] Napoveda programu: MSC Marc.2005 [12] Napoveda programu: MSC SimDesigner for CATIA V5 2004r1.R11 [13] www.matweb.com : materialovř hodnoty [13] Firemnı materialy

10

11.pRILOHZ

strana 67 11. Prılohy

11. SEZNAM PRILOH 1.Model vstrikovacı formy. 2.Model vstrikovacı formy. 3.Model formy c a st tva rnice 4.Model formy c a st tva rnıku 5.Model formy po upravα c a st tva rnice 6.Model formy po upravα c a st tva rnıku 7.Ram 8.Ram po upravα 9.Umıstαnı topnych zon a c idel na tva rnici 10.Umıstαnı topnych zon a c idel na tva rnıku 11.Definice okrajovych podmınek 12.Rozlozenı teplot pri maxima lnım vykonu a otevrene formα na tva rnici 13.Rozlozenı teplot pri maxima lnım vykonu a otevrene formα na tva rnıku 14.Teplotnı gradient na tva rnıku 15Tteplotnı gradient na tva rnici

A) Rozlozenı teplot bαhem jednoho cyklu na tva rnici: 16. Poc a tek cyklu pri otevrene formα t=3s 17. Vstrıknutı materia lu t=10s 18. Vytvrzenı taveniny t=42s 19. Ofouknutı formy t=54s B) Rozlozenı teplot bαhem jednoho cyklu na tva rnıku: 20. Poc a tek cyklu pri otevrene formα t=3s 21. Vstrıknutı materia lu t=10s 22. Vytvrzenı taveniny t=42s 23. Ofouknutı formy t=54s 24. Vylisek reflektoru prednı strana. 25. Vylisek reflektoru zadnı strana.

11


1.Model vstrikovacı formy

2. Model formy

11.pRILOHZ


3. Model formy c a st tva rnice

4. Model formy c a st tva rnıku

11


5. Model formy po upravα c a st tva rnice

6. Model formy po upravα c a st tva rnıku

11.pRILOHZ


7. Ram

8. Ram po upravα

11


9. Umıstαnı topnych zon a c idel na tva rnici

11.pRILOHZ


10. Umıstαnı topnych zon a c idel na tva rnıku

11


11. Definice okrajovych podmınek

11.pRILOHZ


12. Rozlozenı pri maxima lnım vykonu a otevrene formα na tva rnici

13. Rozlozenı pri maxima lnım vykonu a otevrene formα na tva rnıku

11


14. Teplotnı gradient na tva rnıku

15. Teplotnı gradient na tva rnici

11.pRILOHZ


A) Rozlozenı teplot bαhem jednoho cyklu na tva rnici: 16. Poc a tek cyklu pri otevrene formα t=3s

17. Vstrıknutı materia lu t=10s

11


18. Vytvrzenı taveniny t=42s

19. Ofouknutı formy t=54s

11.pRILOHZ


B) Rozlozenı teplot bαhem jednoho cyklu na tva rnıku: 20. Poc a tek cyklu pri otevrene formα t=3s

21.Vstrıknutı meteria lu t=10s

11


22. Vytvrzenı taveniny t=42s

23. Ofouknutı t= 54s

11.pRILOHZ


24. Vylisek reflektoru prednı strana.

25. Vylisek reflektoru zadnı strana.

Documents

dipl v sabl1 - ustavkonstruovani.cz · hledisek je ekonomicnost vyroby. Z tohoto duvodu se vyrobci soucastı snazı o co Z tohoto duvodu se vyrobci soucastı snazı o co nejefektivnejsı