Como fazer simulação de fluxo?

Há alguns anos, nossa equipe de engenharia se deparou com um projeto de habitação para produtos eletrônicos de consumo. Marcas de afundamento perto das características do chefe não desapareciam, não importa o que tentássemos no chão de fábrica. O molde já estava cortado. Essa experiência mudou a forma como abordamos novos projetos-toda geometria complexa agora passa por simulação de fluxo antes do pedido do aço.

 O que o software realmente faz

Basicamente, a simulação de moldagem por injeção resolve equações diferenciais parciais acopladas que descrevem o fluxo de fluido não-isotérmico e não{1}}newtoniano através de uma cavidade tri-dimensional. O software calcula campos de pressão, distribuições de temperatura, perfis de velocidade, taxas de cisalhamento e tensões de cisalhamento durante os estágios de enchimento, empacotamento e resfriamento.

A fase de enchimento modela como o polímero fundido avança da porta através da cavidade. Quando o plástico entra em contato com a parede fria do molde, ele congela quase instantaneamente, criando uma película solidificada. Entre esta fronteira congelada e o núcleo fundido que flui, as moléculas do polímero são esticadas e orientadas na direção do fluxo. Esta orientação fica bloqueada durante a solidificação e é extremamente importante para as propriedades mecânicas. A simulação captura isso por meio da modelagem de fluxo de fonte, onde o material na frente do fluxo se deposita continuamente nas paredes enquanto o derretimento fresco avança por trás.

A simulação de resfriamento aborda o que normalmente consome de sessenta a oitenta por cento do tempo total do ciclo. O resfriamento desigual cria encolhimento diferencial, o que causa diretamente empenamento.

A análise do empacotamento é iniciada após o preenchimento da cavidade. Material adicional é forçado para compensar o encolhimento volumétrico à medida que o plástico esfria. As características de pressão-volume-de temperatura do tipo de polímero específico determinam quanta compensação é possível. Dados precisos de pvT não são{5}}negociáveis ​​para previsões de redução significativas.

 A preparação do modelo (demora mais do que você pensa)

A limpeza da geometria normalmente leva mais tempo do que a própria simulação. Pequenos recursos, como texto gravado e carimbos de data, raramente afetam o comportamento do fluxo, mas aumentam significativamente a complexidade da malha. Remova-os, a menos que sejam estruturalmente significativos. Reparar descontinuidades de superfície e arestas não{3}}variedades-criam falhas de malha que desperdiçam tempo de depuração.

Vimos projetos em que os engenheiros passaram dias analisando geometrias CAD desatualizadas, apenas para descobrir que a peça de produção tinha espessuras de parede diferentes. Antes de iniciar qualquer análise, verifique se você possui a versão atual e confirme se a compensação de redução já foi aplicada.

 Dados materiais (mais críticos do que a maioria das pessoas imagina)

A seleção de materiais em software de simulação tem mais consequências do que muitos engenheiros imaginam. As principais bases de dados contêm mais de dez mil notas caracterizadas, mas a qualidade dos dados varia substancialmente. Materiais testados diretamente por fornecedores de resina com caracterização reológica completa produzem previsões muito mais confiáveis ​​do que entradas genéricas estimadas a partir de valores limitados de planilhas de dados.

Os modelos-de viscosidade cruzada WLF exigem coeficientes precisos. Os parâmetros de sensibilidade à temperatura afetam particularmente as previsões do desenvolvimento de camadas congeladas e do comportamento de disparos curtos. Para materiais semi{4}}cristalinos, a cinética de cristalização adiciona complexidade -a taxa e a extensão da cristalização dependem da taxa de resfriamento, e a cristalinidade afeta tanto o encolhimento quanto as propriedades mecânicas.

 As condições de processamento precisam corresponder à realidade

As condições de processamento padrão são pontos de partida, não recomendações. Jennifer Schmidt, do American Injection Molding Institute, enfatizou publicamente que confiar em padrões de software para relatórios finais é um erro comum-os padrões geralmente representam extremos da janela de processamento em vez de condições típicas (ptonline.com).

As configurações de temperatura de fusão devem refletir o que realmente sai do barril, e não os pontos de ajuste do controlador. Os perfis de velocidade de injeção devem aproximar-se do que a máquina pode realmente fornecer. As máquinas hidráulicas têm características de resposta diferentes de todas-as máquinas elétricas. O layout do canal de resfriamento deve corresponder ao projeto real do molde tanto quanto possível.-muitas análises rápidas são executadas com configurações de resfriamento simplificadas, o que prejudica a precisão.

 Não confie demais-nos números

Os resultados da simulação incluem distribuições de pressão, mapas de temperatura, contornos de tempo de preenchimento, localizações de linhas de solda, posições de retentores de ar e previsões de empenamento. A tentação é tratá-las como previsões precisas. Eles não são.

As localizações das linhas de solda e dos coletores de ar são geralmente confiáveis ​​para orientação qualitativa. Se a simulação mostrar duas frentes de fluxo se encontrando em uma superfície cosmética, essa é uma preocupação legítima que vale a pena abordar por meio da realocação do portão.

As previsões de pressão ajudam a identificar se a peça pode ser preenchida com a capacidade disponível da máquina. Pressões previstas extremamente altas sugerem possíveis problemas de enchimento, mas os números absolutos não devem ser considerados requisitos exatos.

As previsões de empenamento merecem particular ceticismo. Como os pesquisadores documentaram, a semelhança entre a simulação e os resultados experimentais depende muito das condições operacionais e da qualidade dos dados do material (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). Em nossa experiência, a simulação prevê corretamente a direção do empenamento e a gravidade relativa na maioria das vezes, mas as previsões dimensionais quantitativas requerem validação.

 Você ainda precisa de validação física

Executar simulação sem validação cria falsa confiança.

Estudos-de curta duração fornecem confirmação visual direta da progressão do preenchimento-comparando padrões de preenchimento previstos com amostras congeladas reais revela se a física do fluxo foi capturada corretamente. Os dados do transdutor de pressão de moldes instrumentados permitem a verificação dos traços de pressão previstos. Medições dimensionais em peças de produção, particularmente dados CMM em recursos propensos a empenamento, estabelecem correlação entre deformação prevista e real.

O objetivo não é uma previsão perfeita. O objetivo é uma previsão útil que informe melhores decisões no início do desenvolvimento.

Todo projeto precisa disso?

Nem todo projeto justifica um esforço total de simulação. Geometrias simples com janelas de processamento generosas podem ser moldadas com sucesso apenas com base na experiência. Mas peças complexas com tolerâncias restritas, paredes finas, múltiplas entradas ou requisitos estéticos quase sempre se beneficiam de uma análise inicial. O custo de um estudo de simulação completo normalmente é recuperado evitando até mesmo uma única revisão do molde.

O caso da Mold Craft envolvendo um componente de ponta de funil médico ilustra o ponto: um micro{0}}molde PEEK com espessura de parede de apenas 0,015 polegadas alcançou Cpk de 1,33 especificamente porque a simulação informou o projeto e o processamento antes da construção do ferramental (molde-craft.com).

Quando realmente executar a análise

Quanto mais cedo a simulação entra no processo de design, mais valor ela agrega. A execução da análise após a conclusão da ferramenta limita as opções de otimização do processo. A execução de análises durante o projeto da peça permite melhorias fundamentais: ajuste de espessuras de parede, realocação de portas para áreas não{2}}cosméticas, modificação de nervuras para reduzir a tendência de marcas de afundamento.

Conclusões práticas