Введение
Характеристики потока полимера в литьевой форме определяются среди прочего свойствами материала и параметрами процесса литья под давлением. Обладая большим опытом, навыками, а иногда и интуицией, многие молдмейкеры могут спроектировать литьевую форму таким образом, чтобы при первой приемке она производила изделия приемлемого качества. Однако по мере усложнения конструкции изделий перспектива решения этой задачи с первой попытки становится проблематичной. В результате во многих случаях возникает несколько циклов доработки изготовленной формы, включая замену стали или корректировку мест впрыска и, соответственно, изменение дизайна формы и (или) литниковой системы. Сегодня производители литьевых форм и инженеры-технологи могут с успехом использовать компьютерное моделирование для анализа заполнения оформляющей полости, что позволяет сэкономить значительную часть ресурсов, будь то человеко-часы или материалы, необходимые для наладки процесса.
Примером сложного литьевого изделия является прихватка для духовки кухонной плиты, изготавливаемая из жидкого силиконового каучука (LSR) и имеющая толщину стенки всего 1 мм по всей сотовой структуре и утолщениями в периферийной зоне и в области язычка с отверстием для подвешивания прихватки (рис. 1). По финансовым причинам, а также из соображений экономии времени было решено отказаться от этапа создания прототипа для этого изделия, и полный анализ технологичности литья, а также конструктивного исполнения самого изделия, холодноканальной системы (ХКС) и собственно формы был выполнен виртуально — на основе принципа моделирования.
Казалось бы, всего лишь прихватка для духовки, но, как это часто бывает в жизни, «дьявол кроется в деталях». Аналогичное изделие миллионными тиражами изготавливают из твердого силиконового каучука методом прессования. Однако в случае LSR не было известных образцов и опыта производства прихватки. Не было известно также требуемое давление впрыска для сложной тонкостенной и большой по площади сотовой структуры, как и оптимальное положение точки или точек впрыска.
На первый взгляд изделие выглядит симметричным в плане, но это не так: длина пути от центра к краю значительно отличается в зависимости от выбранного направления. Кроме того, толстостенная периферийная часть вокруг тонкостенной центральной может стать сюрпризом при заполнении оформляющей полости, поскольку там фронт потока будет двигаться быстрее, и, следовательно, практически невозможно избежать образования воздушных включений. Поэтому первая и естественная мысль конструктора о расположении точки впрыска по центру такого изделия в любом случае не оправдала бы себя, но об этом позже.
От дизайна к изделию
При проектировании технологического процесса литья, основанном только на геометрии изделия, важное значение имеет определение положение одной или, при необходимости, нескольких точек впрыска. С одной стороны, это определяет длину пути потока материала и то, будет ли оформляющая полость заполнена на 100 % при определенной текучести и фактической кинетике вулканизации LSR. С другой стороны, это имеет решающее значение для выбора подходящей литьевой машины, которой, в свою очередь, должна соответствовать литьевая форма. Например, для выбранного изделия была бы желательна небольшая машина. Однако тогда возникает вопрос, будут ли достаточны ее номинальное усилие смыкания и давление впрыска. Кроме того, необходимо обеспечить вентиляцию полости, чтобы в изделии не было раковин, которые ухудшали бы его внешний вид. Когда все эти требования выполнены и полость полностью заполнена, возникает вопрос о времени нагрева отливки и длительности всего цикла литья при условии полного заполнения оформляющей полости. В идеальном случае вся отливка должна вулканизоваться как можно более равномерно по объему. Однако ее области, которые сшиваются в последнюю очередь из-за толщины стенки или запаздывания потока материала, как раз и будут определять время нагрева и длительность цикла.
Для проверки разработанной концепции литьевой формы зачастую изготавливается ее опытный прототип. Это требует огромных ресурсов, но используется только для изготовления тестовых литьевых изделий в целях оценки выбранной концепции. В случае успеха такая форма может быть использована для производства первых партий изделий до того, как будет создана серийная оснастка.
Другой, гораздо менее затратный, подход основан на принципе моделирования процесса литья и тестирования различных концепций литьевой формы. При этом производитель экономит свои ресурсы и фактически проводит все исследования виртуально. Это особенно полезно в условиях дефицита времени, поскольку виртуально можно также анализировать несколько концепций параллельно. В случае с прихваткой для духовки время действительно было настолько ограничено, что было решено провести имитационный анализ и оптимизацию всего технологического процесса изготовления изделия с помощью программного обеспечения (ПО) Sigmasoft Virtual Molding (разработчик — компания Sigma Engineering GmbH, г. Аахен, Германия) перед выбором литьевой машины и заказом формы и ХКС.
Оптимизация процесса заполнения оформляющей полости
Чтобы спрогнозировать заполнение полости LSR для такого сложного изделия, как прихватка для духовки, полезно предварительно, хотя бы мысленно, проследить путь материала и посмотреть, как при этом меняются его свойства:
Итак, материал, находящийся при комнатной температуре, впрыскивается в нагретую полость из сопла литьевой машины через ХКС. При входе в полость температура материала резко повышается вследствие его контакта с нагретыми стенками полости и диссипации энергии сдвигового течения LSR.
Высокая температура является своего рода триггером для начала вулканизации LSR. При этом теплопередача вглубь потока LSR зависит от температурного градиента, теплопроводности материала и времени. Следовательно, в зависимости от длины пути потока необходимо обеспечить такое время заполнения полости, которое, по возможности, находится в пределах длительности реакции вулканизации материала. Например, короткое время заполнения потребует повышения температуры, но это может привести к преждевременному сшиванию LSR.
Из сказанного вытекают требования к скорости и, соответственно, давлению заполнения, которое должно находиться в пределах давления впрыска, зависящего от номинального усилия смыкания литьевой машины. При этом давление заполнения определяется текучестью материала, которая, в свою очередь, зависит от температуры и степени сшивания LSR.
Вот такая сложная задача оптимизации со многими неизвестными стояла перед партнерами по проекту, решить которую, что называется, «малой кровью», позволило ПО Sigmasoft Virtual Molding, предлагающее современные подходы к моделированию процесса литья под давлением, выходящие за рамки простого расчета заполнения формы. Например, указанное ПО, благодаря разработанным алгоритмам оптимизации, вычисляет и автоматически сравнивает друг с другом сразу несколько комбинаций геометрических и технологических параметров, причем с минимальными затратами. Так, для указанной прихватки из LSR на первом этапе планирования виртуального эксперимента были смоделированы и сопоставлены 15 вариантов заполнения полости с одним или двумя холодными впускными каналами при двух значениях времени заполнения и двух — температуры впрыска (рис. 2). Сравнение проводили по таким критериям, как длина потока и давление заполнения.
После анализа 60 (!) сочетаний различных параметров было сначала принято решение заполнять оформляющую полость в точке впрыска, расположенной в геометрическом центре изделия (рис. 2, слева), что требует давления заполнения около 100 бар при длине потока 100 мм (синий цвет на рис. 2 соответствует минимальному давлению, красный — максимальному). Следует заметить, что это значение давления — не самое низкое среди всех рассмотренных вариантов, но оно имеет явное преимущество с точки зрения общей картины течения LSR. Этот вариант размещения точки впрыска был сопоставлен с другим — с двумя точками впрыска и более низким давлением заполнения (рис. 2, справа), который, впрочем, вызывает опасность образования воздушного включения в центре изделия, в то время как в первом варианте воздух при движении потока LSR направляется к углам полости (показаны кружками на рис. 2, слева), где он может быть, на первый взгляд, оптимально выведен из формы.
Однако при анализе вопроса о том, как заполнить сложную сотовую структуру изделия массой LSR в количестве 85 г в течение приемлемого времени заполнения без использования высокого давления, в конечном итоге была разработана концепция ХКС с двумя разводящими литниковыми каналами к двум точкам впрыска (рис. 3). При этом, согласно данным моделирования, потери давления в ХКС составляют чуть менее 220 бар, или около 70 % от давления впрыска в сопле материального цилиндра (315 бар), при времени заполнения 3 с (рис. 4). Для сравнения на рис. 4 приведены кривые давления в сопле при времени заполнения оформляющей полости, равном 1 и 2 с, откуда видно, что при более быстром процессе заполнения, например за 1 с, потребуется максимальное давление около 650 бар, что также достижимо на выбранной небольшой литьевой машине.
Последний штрих
Еще один момент, который обращает на себя внимание при оценке результатов моделирования процесса заполнения, касается течения материала в область язычка с отверстием для подвешивания прихватки (рис. 5, вверху). В результате того, что низковязкий LSR поступает из сотовой области отливки с толщиной стенки всего 1 мм в более толстую область язычка (3 мм), образуется свободная струя, которая может в конечном итоге привести к образованию воздушных включений и появлению видимых или скрытых раковин в критической зоне — зоне язычка. Для предотвращения образования этих дефектов литья в конструкцию прихватки ступенчатый переход от тонкостенной зоны к толстостенной был сглажен за счет плавных конических переходов (рис. 5, внизу справа).
Однако улучшенная текучесть в области язычка прихватки была не единственной причиной этого изменения дизайна изделия. Это также должно было способствовать сокращению времени цикла, поскольку из-за большей толщины язычка его вулканизация заканчивалась позже, чем в сотовой части изделия, что излишне удлиняло цикл. Это становится очевидным при рассмотрении степени сшивания поверхностного и внутреннего слоев прихватки после ее нагрева в течение 25 с при 170 °C (рис. 6, на котором минимальная степень сшивания показана синим цветом, максимальная — красным). Так, внутренний слой язычка имеет очень низкую степень сшивания, хотя поверхностный кажется полностью вулканизованным (см. рис. 6, слева). Поэтому требуется дополнительный нагрев в течение 15 с для довулканизации LSR в зоне язычка. Но благодаря его оптимизированной геометрии в нем достигается значительно более высокая степень сшивания при неизменных значениях времени нагрева и температуры (см. рис. 6, справа). Дополнительное повышение температуры формы на 10 °C позволяет за 25 с полностью вулканизовать изделие и извлечь его из формы, сохранив при этом стабильность его размеров.
Кроме того, на стадии оптимизации конструкции прихватки было решено увеличить ее размеры в плане (см. рис. 6, справа). Это решение было продиктовано двумя причинами. Во-первых, так будет удобнее человеку пользоваться прихваткой. А во-вторых, на предыдущей стадии моделирования было установлено, что требуемое давление заполнения оформляющей полости намного ниже возможного, обеспечиваемого выбранной литьевой машиной. Последующее моделирование, а также реальный процесс литья показали, что в этом случае требуется давление впрыска чуть более 500 бар при полном заполнении полости за 3 с.
Заключение
Таким образом, с помощью моделирования была разработана оптимальная концепция ХКС с двумя точками впрыска, обеспечивающая оптимальное заполнение оформляющей полости формы при литье прихватки для духовки. При этом оценивалось различное время заполнения, чтобы гарантировать то, что предполагаемая литьевая машина может создать необходимое давление впрыска. Кроме того, оптимизация геометрии изделия позволила избежать образования воздушных включений и сократить время цикла, что было подтверждено хорошим качеством реальных изделий уже во время начального этапа опытных работ на выбранной литьевой машине и изготовленной форме.
В заключение следует, наконец, назвать партнерские компании, которые, кроме Sigma Engineering, приняли участие в проекте, и указать их зону ответственности:
- Emde MouldTec GmbH (г. Обербаххайм, Германия), изготовившая литьевую форму;
- Momentive Performance Materials GmbH (г. Леверкузен, Германия), предоставившая LSR;
- Wittmann Battenfeld GmbH (г. Коттингбрунн, Австрия), предоставившая литьевую машину SmartPower 90-350 с роботом;
- Nexus Elastomer Systems (г. Эберстальцелл, Австрия), предоставившая насос дозирования LSR.
