isicad.ru :: портал САПР, PLM и ERP :: версия для печати

Статьи

20 декабря 2013

SolidWorks Plastics — анализ технологичности проектирования пресс-форм

Андрей Шишин

Вероятно, ни для кого не секрет, что современном мире детали, изготовленные из полимерных материалов, нашли себе место практически в каждом изделии, используемом нами ежедневно, будь то корпус мобильного телефона, компьютерная мышь или офисные принадлежности. Более трети от общего объема подобных деталей изготавливается методом литья под давлением в формы на термопластавтоматах — специальных машинах, подающих расплав полимера под большим давлением в пресс-форму. Наиболее важным этапом в данном технологическом процессе является отработка отливок на технологичность — анализ качества и возможности заполнения пресс-формы, поиск и устранение линий холодного спая, доработка исходной модели для устранения возможных утяжин. Традиционный метод анализа (который в современном мире практически всегда означает «устаревший» и «неэффективный») подразумевает изготовление последовательности деталей-прототипов с последующим устранением ошибок. Наверное, все согласятся, что сегодня подобные задачи должны максимально полно решаться еще на этапе проектирования модели с использованием расчетных модулей. Программный комплекс SolidWorks уже давно зарекомендовал себя, как эффективный инструмент для решения инженерных задач в самых различных областях машиностроения. В этой статье мы рассмотрим, какое решение предлагает нам SolidWorks в области проектирования пресс-форм деталей из полимерных материалов.

SolidWorks Plastics входит в состав программного комплекса SolidWorks и предназначается для моделирования и оптимизации процесса литья деталей из пластмасс. SolidWorks Plastics обладает достаточным функционалом для быстрого и точного анализа проливаемости проектируемых деталей. В состав программы входят модули расчета параметров проливаемости и выдержки изготавливаемых отливок.

Подготовка данных для моделирования

Как и в любой системе инженерных расчетов, в SolidWorks Plastics, для выполнения моделирования, проектировщик должен задать ряд исходных параметров и определить граничные условия моделирования. Для работы программы проектировщику необходима трехмерная модель детали. Так как программный комплекс SolidWorks позволяет работать с самыми различными форматами трехмерной геометрии, для выполнения расчетов можно совершенно спокойно использовать геометрию, импортированную из других CAD систем. Моделирование процесса литья происходит с использованием метода конечных элементов — основного математического инструмента практически всех систем инженерных расчетов. Поэтому первой задачей, встающей перед инженером, является создание сетки конечных элементов из исходной модели детали. Для этого SolidWorks Plastics позволяет использовать два метода разбиения геометрии: поверхностный и объемный. Каждый из методов по-своему полезен и используется в своем, конкретном случае. Поэтому распространенное мнение, что «3D всегда лучше», неверно.

Поверхностный метод использует наружные и внутренние грани детали для создания расчетной сетки. Преимущества поверхностного метода разбиения очевидны: упрощается стуктура сетки и сокращается время анализа пресс-формы. Недостатком же является меньшая точность расчета по сравнению с 3D-сеткой. Поэтому сфера применения поверхностного метода — это тонкостенные детали, в которых нет больших перепадов толщин стенок. Также поверхностный метод часто применяется при укрупненном анализе геометрии детали, когда необходимо предварительно оценить возможность ее изготовления методом литья под давлением.

Для более сложных деталей, а также для выполнения финальных расчетов применяется метод разбиения геометрии детали, использующий весь объем твердого тела при построении сетки конечных элементов. При гораздо больших затратах ресурсов компьютера, моделирование процесса заполнения пресс-формы с использованием этого метода дает максимально точные результаты. Разбиение геометрии детали при таком методе может происходить с использованием тетраэдров или гексаэдров в качестве элемента сетки.

Несмотря на то, что моделирование процесса заливки пресс-формы с использованием модели, полученной объемным методом, дает хорошие результаты, из-за большого числа элементов время самого моделирования может быть очень и очень существенным. Поэтому в SolidWorks Plastics существует третий, гибридный метод разбиения геометрии, включающий в себя преимущества обоих стандартных.

При гибридном методе разбиения внутренняя часть тела детали формируется из тетраэдров, а на поверхности строятся два слоя плоских элементов. Пример подобного разбиения представлен на рис. 1, где можно увидеть тетраэдры во внутренней полости детали и плоские элементы у ее поверхности.

SolidWorks Plastics разбиение геометрии

Рис.1 Гибридный метод разбиения геометрии

Использование гибридного метода дает ряд существенных преимуществ для инженера. Во-первых, резко сокращается число элементов в сетке. Например, если при использовании только лишь объемного метода сеть элементов состояла из 1 миллиона элементов, то с гибридным методом их число сократилось до 300 000. Вследствие меньшего числа элементов сети сокращается и время расчета. Во-вторых, гибридный метод позволяет более точно рассчитывать температуру внешних и внутренних стенок пресс-формы, а следовательно и фазы состояния материала на момент конца цикла заполнения полости полимером.

После того как была построена расчетная сетка, для выполнения расчетов необходимо также задать тип используемого материала и станка. В стандартную поставку SolidWorks Plastics уже входит обширная база данных полимеров, в которой числится более пяти тысяч наименований пластмасс от различных производителей с самыми разными характеристиками. Если по какой-то причине проектировщик не сможет найти нужного материала, то он в любой момент без особых проблем может его добавить в базу данных. Назначение станка-термопластавтомата ведется аналогичным образом — выбором нужной модели из базы данных.

И, наконец, прежде чем выполнить расчет, необходимо определить граничные условия моделирования и указать места, где будет производиться впрыск расплавленного полимера. Граничные условия представлены широким набором параметров, большая часть из которых, по умолчанию, назначается автоматически по информации из баз данных станка и полимера. При этом если предложенные значения проектировщика не устраивают, он в любой момент, опираясь на свой опыт, может их изменить и, тем самым, очень гибко настроить систему расчетов.

Моделирование процесса

После того, как инженер задал исходные параметры, а также определил граничные условия для выполнения расчетов, можно запустить процесс моделирования заполнения пресс-формы расплавленным полимером. SolidWorks Plastics позволяет выполнять два вида расчетов: расчет параметров проливаемости материала и моделирование процесса выдержки пресс-формы под давлением. Расчеты можно запускать как по очереди (для экономии времени и для предварительных анализов), так и одновременно, для получения сразу всех результатов.

Естественно, время моделирования может варьироваться от минуты до нескольких суток, в зависимости от мощности компьютера, точности требуемых результатов и размеров детали. Для оптимизации загрузки компьютера, в SolidWorks Plastics есть функция расписания, позволяющая отложить расчеты на более удобное время, когда за компьютером никто не работает. Использовать ее можно, например, чтобы запустить расчет вечером, а на следующее утро, придя на работу, уже получить готовый результат.

Во время моделирования процесса пользователь может следить за текущим состоянием расчета как в графической области, где с помощью палитры цветов отображается положение фронта расплава, так и в сводной таблице, где отображаются текущие значения параметров. Таким образом, можно наблюдать, в правильном ли направлении протекает процесс и, при необходимости, остановить его.

После окончания расчетов пользователь получает доступ к набору параметров, позволяющих оценить технологичность изготовления детали. К таким параметрам расчета проливаемости относятся:

  • разнообразные температурные поля внутри и на поверхности пресс-формы;
  • распределение давления в отливке;
  • зоны застывания;
  • величина объемной усадки и т.д.
При моделировании фазы выдержки пресс-формы под давлением проектировщик, помимо вышеописанных параметров, получает в свое распоряжение следующие данные:
  • время охлаждения;
  • остаточное напряжение;
  • местоположение утяжин и их величина и т.д.
Интерфейс SolidWorks Plastics весьма информативен, и значения многих параметров можно посмотреть в любой точке модели. Помимо стандартного набора параметров SolidWorks Plastics позволяет отслеживать места, где возможно появление воздушных карманов, а также места холодного спая. На рис. 2 показана рассчитанная модель с указанием подобных проблемных мест. Красными конусами указаны места впрыска полимера.
SolidWorks Plastics Схема мест спая

Рис. 2 Схема мест воздушных карманов и линий холодного спая

Одним из самых мощных инструментов SolidWorks Plastics является Results Adviser — экспертная система, которая анализирует полученные значения и дает рекомендации по повышению технологичности процесса. При этом помощник довольно подробно описывает способы устранения той или иной проблемы, тем самым молодой проектировщик, еще не обладающий накопленным опытом в своей области знаний, может следовать рекомендациям помощника и принимать соответствующие решения.

Помимо прочего, в SolidWorks Plastics, для повышения наглядности получаемых результатов, встроен модуль генерации отчетов, сводящий все результаты моделирования в единый файл, содержащий в себе таблицы значений, графики, иллюстрации и рекомендации инженеру.

SolidWorks Plastics поставляется в двух конфигурациях: Professional и Premium. Первая обладает базовым функционалом и позволяет выполнять только расчеты проливаемости. Вторая же является более полной и, помимо того, что позволяет выполнять оба вида расчетов, т.е. проливаемость и выдержка, также имеет различные дополнительные функции, например балансировка литников, многоместные пресс-формы, двухкомпонентное литье и т.д.

А если нужно больше?

Из всего вышеописанного можно сделать вывод, что функционал SolidWorks Plastics позволяет достаточно полно описать процесс отливки деталей из пластмасс и рассчитать его технологичность. Однако на практике иногда встречаются случаи, когда необходимо провести более подробный и углубленный анализ пресс-формы.

В таком случае следует обратиться к «родителю» SolidWorks Plastics, программному продукту SimpoeWorks. В SimpoeWorks, помимо базовых функций Plastics, входят также модули анализа затвердевания и коробления отливок, называющиеся SimpoeWorks MFG и TOOL соответственно.

Первый позволяет точно рассчитывать местоположение утяжин и величину коробления. При этом полученную деформированную модель можно сохранить в STL-файл и вставить, например, в основную сборку, чтобы оценить величину влияния коробления.

Модуль SimpoeWorks TOOL позволяет выполнять более детальный анализ охлаждения пресс-формы с уточненным расчетом всех соответствующих параметров. Помимо этого также появляется возможность моделировать охлаждающие каналы и определять их влияние на процесс отливки.

Заключение

К сожалению, объем статьи не позволяет подробно рассказать о всех особенностях работы и полезных функциях, которые SolidWorks Plastics предоставляет своим пользователям. Данная статья дает только общую методику работы в этом модуле. Если же вас интересуют подробности, вы можете обратиться к техническим специалистам компании SolidWorks Russia, которые с радостью ответят на имеющиеся у вас вопросы.


Автор — Certified SolidWorks Professional (CSWP)

Все права защищены. © 2004-2024 Группа компаний «ЛЕДАС»

Перепечатка материалов сайта допускается с согласия редакции, ссылка на isicad.ru обязательна.
Вы можете обратиться к нам по адресу info@isicad.ru.