P á g i n a | 1
SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA
INSTITUTO SUPERIOR TUPY
S.I.M
SIMULAÇAO DE INJEÇÃO – MOLDFLOW
Autor:
Guilherme Ferreira Eça Guimarães
Co-autores:
Prof. Écio
Prof. Ewandro José de Souza
JUNHO/2010
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Apostila SIM Completa rev.1, Notas de estudo de Engenharia Mecânica
primeira edição da apostila de operação do MoldFlow 2010
Tipologia: Notas de estudo
2013
1 / 36
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SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA
INSTITUTO SUPERIOR TUPY
S.I.M
SIMULAÇAO DE INJEÇÃO – MOLDFLOW
Autor: Guilherme Ferreira Eça Guimarães Co-autores: Prof. Écio Prof. Ewandro José de Souza
JUNHO/
LISTA DE FIGURAS/TABELAS
- Tabela 1: Síntese de resultados gerados em uma análise de injeção(1/2).............................
- Tabela 2: Síntese de resultados gerados em uma análise de injeção(2/2)..............................
- Figura 1. Efeito do tempo de preenchimento na camada congelada. ..................................
- Figura 2. Escoamento laminar e turbulento. ..................................................................
- Figura 3: (a) Modelo digital, (b) Malha de Elementos Finitos (FEM)...............................
- Figura 4: Layout de página inicial do software MoldFlow Insight 2010 R2....................
- Figura 5: Janela de diálogo para criação de um novo projeto. .................................
- Figura 6: Janela de diálogo para importação de modelo digital da peça.....................
- Figura 7: Janela de diálogo para definição de tipo de importação de arquivo ...................
- Figura 8: Exemplo de malha gerada á partir de peça importada................................
- Figura 9: Exemplo de ponto de injeção criado á partir de análise própria do software. .....
- Figura 10: Exemplo de ponto de injeção impróprio de ser adotado “na prática”. ..............
- Figura 11: Exemplo de ponto de injeção definido pelo programador. ..........................
- Figura 12: Exemplo de análise de injeção básica. ...........................
- Figura 13: Árvore de trabalho com dados de análise de injeção. ................................
- mais cavidades .............................................................................................................. Figura 14: Exemplo de pontos gerados em projeto para a criação de canais de injeção e
- Figura 15: Exemplo de espelhamento de produto para a criação de mais cavidades. ........
- Figura 16: Exemplo de criação de nó para a realocação do ponto de injeção. ..................
- Figura 17: Demonstração de criação de análise cool+fill ...................
- Figura 18: Janela de diálogo para a criação de canais de refrigeração(1/2) .......................
- Figura 19: Janela de diálogo para a criação de canais de refrigeração(2/2) .......................
- Figura 20: Exemplo de canal de refrigeração criado. .............................
- Figura 21: Exemplo de análise cool+fill .......................
- Tabela 3: Síntese dos dados obtidos em uma análise cool+fill. .......................
- INTRODUÇÃO ........................................................................................................ SUMÁRIO
- MPI – MOLDFLOW PLASTICS INSIGHT ..............................................................
- 2.1 PARAMETROS DE ANÁLISE...............................................................................
- 2.1.1 Fill Time (Tempo de injeção) ............................................................................
- 2.1.2 Pressure (Pressão de injeção) ............................................
- 2.1.4 Bulk temperature at end of fill (Temperatura do material no final do .................. 2.1.3 Temperature at flow fron t (Temperatura da frente de avanço) .................................9.
- 2.1.5 Volumetric shrinkage at ejection (Contração volumétrica após a injeção) ............
- 2.1.6 Frozen layer fraction at end of fill (Camada congelada no final da injeção) .........
- 2.1. 7 Shear rate, bulk (Taxa de cisalhamento) .......................................................................
- 2.1.8 Shear stress at wall (Tensão de cisalhamento) ............................
- 2.1.9 Time to freeze (Tempo de resfriamento) .......................................
- 2.1.10 Air traps (Aprisionamento de gases) ...........................................
- 2.1.11 Weld lines (Linha de emenda) ......................................................
- 2.1.12 Clamp force: XY Plot (Força de fechamento) ............................................................
- 2.1.13 Circuit coolant temperature (Temperatura do fluido refrigerante) ........................
- 2.1.15 Circuit flow rate (Vazão do fluido refrigerante) ............................................... 2.1.14 Circuit metal temperature (Temperatura do circuito de refrigeração) .................13.
- 2.1.17 Temperature (top), part (Temperatura da cavidade/macho) ...............................
- 2.1.18 Temperature difference, part (Diferença de temperatura cavidade/macho) ........
- IMPORTAÇÃO DE PEÇAS E GERAÇÃO DE MALHAS.....................................
- 3.1 IMPORTAR ARQUIVOS ......................................................
- 3.2 GERAÇÃO DE MALHAS ....................................................
- PONTO DE INJEÇÃO................................ ..........................................................
- INJEÇÃO (FILL) ................................
- CANAIS DE INJEÇÃO................................ ................................
- 7 CANAIS DE REFRIGERAÇÃO................................ .............................................
- CONSIDERAÇÕES FINAIS................................ .....................................................
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................ ............
1. INTRODUÇÃO
Dentre várias áreas de atuação da tecnologia CAE, uma das mais difundidas é a análise de fluxo; a análise de simulação de injeção, cuja qual é de suma importância para a confecção de moldes de injeção de polímeros, alumínio e suas ligas, assim como o entendimento da mecânica dos fluídos. Através deste tipo de análise, executada, é claro, por um software, é possível prever o comportamento dos polímeros, alumínio e ligas metálicas durante o preenchimento da cavidade do molde de injeção, por exemplo. Com estas informações torna-se possível detectar possíveis falhas de projeto que possam prejudicar a processabilidade do molde de injeção. Desta forma, garante-se a produtividade necessária e o nível de qualidade exigido para a peça moldada, com a vantagem de reduzir os custos de fabricação, através da redução ou até eliminação de retrabalhos após o try-out do mesmo. Em especial, os softwares voltados a essas análises possuem como base o estudo da mecânica dos fluídos e cálculos efetuados com a matemática dos números finitos. Outra consideração importante sobre essas ferramentas de trabalho é o fato de que, normalmente, os valores apresentados em tais análises podem variar em uma pequena margem de tolerância, até por que não há como definir todos os parâmetros e variáveis (como temperatura do molde, umidade relativa do ar e do material a ser injetado, entre outras). A ferramenta que será apresentada nesse material será o MPI ( Moldflow Plastics Insight, que em uma tradução livre significa Introspecção do Fluxo de Moldagem de Plásticos ). Como a própria denominação já indica, esta ferramenta apenas executa análises de injeção de materiais poliméricos não-celulares (como o polipropileno, poliestireno, poliamida...), o que exclui alumínio e ligas do mesmo(cuja injeção pode ser analisada pelo software Magma, por exemplo) e poliestireno expandido, conhecido como Isopor®, e outros polímeros celulares. Porém, mesmo avaliando e demonstrando grande parte do que ocorre dentro do molde no momento da injeção, mostra-se imprescindível um conhecimento prévio sobre o que é um molde de injeção e como ele funciona, suas especificações e limitações, para que o MPI possa ser explorado ao máximo.
Este software, que já se apresenta na sua terceira versão, também permite a análise do resfriamento da peça em função do sistema de refrigeração utilizado. Alguns resultados obtidos nesse módulo de simulação são:
Tabela 2: Síntese de resultados gerados em uma análise de injeção(2/2). Fonte: do Autor, 2010.
Resultado: O que significa: Denominação no Software(inglês):
- Distribuição de temperatura na peça e no molde;
Como a denominação indica, mostra áreas de maior aquecimento e resfriamento no molde, mostrando onde se deve refrigerar mais ou não.
- Aumento de temperatura do fluido refrigerante;
Delimita o aumento da temperatura do fluído refrigerante em relação ao tempo de injeção.
Circuit coolant temperature
- Vazão ao longo dos canais de refrigeração;
Quantifica a vazão mínima de fluído refrigerante no sistema de refrigeração.
Circuit flow rate
- Tempo de congelamento da peça;
Mostra quanto tempo o molde “precisa” para fazer as trocas de calor necessárias para o resfriamento da peça.
- Pressão necessária na bomba;
Quantifica a pressão necessária no momento de refrigeração do molde.
- Número de Reynolds. É um número adimensional usado em mecânica dos fluidos para o cálculo do regime de escoamento de determinado fluido sobre uma superfície. Mostra possíveis turbulências de material e reduz problemas com trincas e linhas de solda. Esta versão ainda disponibiliza análise de empenamento da peça após seu resfriamento.
2.1 PARÂMETROS DE ANÁLISE
Antes de entender a operação/ análise de injeção de polímeros utilizando o software, é importante conhecer e entender algumas das variáveis do processo da injeção em si.
2.1.1 Fill Time (Tempo de injeção)
Definimos como sendo o tempo necessário para o polímero encher completamente a cavidade. Sabe-se que determinando o tempo em que se tem a menor pressão, a força de fechamento necessária será menor, assim como o tensionamento interno da peça e conseqüentemente uma menor tendência ao empenamento. A relação entre tempo de preenchimento e pressão de injeção depende de uma série de fatores contraditórios. Quanto menor o tempo de preenchimento, maior o fluxo volumétrico e a pressão requerida. Dada uma cavidade com um volume fixo, o tempo de preenchimento é inversamente proporcional ao fluxo. Entretanto, alta velocidade de injeção também gera aquecimento viscoso que aumenta a temperatura do material. O efeito combinado de alta temperatura e alta taxa de cisalhamento reduz a viscosidade, e dessa maneira diminui a pressão requerida na injeção. Por outro lado, o tempo de preenchimento também influencia o efeito de resfriamento provocado pelas paredes do molde. Maiores tempos de injeção resultam em uma camada congelada mais espessa, que se traduz em um canal mais restrito para o fluxo, exigindo desta forma uma maior pressão de injeção.Com a ajuda da simulação é possível prever o efeito líquido das influências contraditórias resultantes da mudança no tempo de injeção, podendo ser estimado um ótimo tempo.
2.1.2 Pressure (Pressão de injeção)
A pressão de injeção é a mínima pressão necessária para vencer a resistência que o polímero fundido enfrenta e fazer com que a cavidade seja completamente preenchida. Esta pressão depende de vários fatores como:
fragilidade da peça, ocasionados por tensões internas não uniformes.
2.1.6 Frozen layer fraction at end of fill (Camada congelada no final da injeção)
Durante o preenchimento da cavidade, a camada de polímero que está em contato com as paredes do molde resfria-se rapidamente, formando uma camada “sólida” de material, quanto maior for o tempo de injeção, maior será a espessura desta camada. Níveis elevados de solidificação geram elevação na pressão de injeção necessária para preencher a cavidade.
Figura 1. Efeito do tempo de preenchimento na camada congelada. Fonte: C-MOLD (1998).
2.1. 7 Shear rate, bulk (Taxa de cisalhamento)
Durante o preenchimento da cavidade o polímero fundido se divide em camadas que se deslocam paralelamente uma em relação à outra. A camada em contato com a superfície da cavidade tem sua velocidade estacionária e as demais se movem em velocidade crescente quanto mais distante das paredes do molde se encontram. Este movimento entre as macromoléculas do polímero é chamado de cisalhamento e a diferença de velocidade entre estas camadas é chamada de taxa de cisalhamento. Altas taxas de cisalhamento representam um alto aquecimento por atrito entre as macro-moléculas do polímero fundido. Com isto concluímos que altas taxas de cisalhamento são bons indicadores para as condições de processo da peça, uma vez que a viscosidade dos materiais poliméricos varia
de acordo com a temperatura. Este aquecimento diminui a viscosidade do polímero melhorando as condições de preenchimento da cavidade. Na simulação deve-se observar se a taxa de cisalhamento está dentro do permitido pelo polímero. Caso este limite for excedido, o superaquecimento do polímero poderá causar a quebra das cadeias moleculares, degradação, descoloração e etc.
2.1.8 Shear stress at wall (Tensão de cisalhamento)
Durante o preenchimento da cavidade o polímero fundido é forçado a percorrer o espaço existente entre as duas faces do molde que definem a espessura do produto, sendo que a velocidade junto a estas faces é muito pequena e aumenta à medida que se aproxima do centro. Este preenchimento ocorre como se o material fosse dividido em camadas que deslizam uma sobre as outras. Para isto, cada “camada” exige que seja superada uma certa tensão para então deslizar sobre a outra, tensão esta conhecida como Tensão de Cisalhamento ( Shear Stress ). Então, concluímos que tensão de cisalhamento é a resistência intrínseca ao material, que precisa ser vencida para que as macromoléculas do material deslizem entre si.
2.1.9 Time to freeze (Tempo de resfriamento)
É o tempo necessário para que o polímero moldado atinja a temperatura de extração. Estas temperaturas variam conforme propriedades intrínsecas de cada tipo polímero. É o tempo mais longo do processo, normalmente representa 70% do tempo do ciclo total. A temperatura de processo do polímero e a temperatura de trabalho do molde afetam diretamente o tempo de resfriamento. Ambos podem precisar de variações para obter uma redução de tempo. Aumentando a temperatura da massa ou a temperatura do molde, o tempo de resfriamento aumenta. O projeto do molde exerce um papel importante no tempo de resfriamento e deve beneficiar ao máximo a refrigeração. O controle da temperatura do líquido refrigerante também é outro fator importante.
2.1.13 Circuit coolant temperature (Temperatura do fluido refrigerante)
Corresponde à temperatura do fluido utilizado para refrigerar o molde. Acréscimos maiores que TRE graus Celsius entre a temperatura de entrada e a temperatura de saída do fluido devem ser evitados. Isto pode ser controlado através da vazão e da temperatura do fluido.
2.1.14 Circuit metal temperature (Temperatura do circuito de refrigeração)
Corresponde à temperatura dos canais de refrigeração usinados no molde. Neste parâmetro busca-se a uniformidade de temperatura em todos os circuitos. Concentrações de temperatura significam que há regiões com deficiência de refrigeração, sendo necessária a otimização do sistema de refrigeração.
2.1.15 Circuit flow rate (Vazão do fluido refrigerante)
Para que o fluido refrigerante apresente alta eficiência na extração de calor, é necessário que o mesmo escoe no interior dos circuitos em regime turbulento. Esta turbulência é medida através do número de Reynolds , sendo que o valor recomendado para haja um nível de turbulência ideal é ≥ 10.000 Re.
Figura 2. Escoamento laminar e turbulento. Fonte: C-MOLD (1998).
2.1.17 Temperature (top), part (Temperatura da cavidade/macho)
Corresponde à temperatura na interface polímero/molde. O sistema de refrigeração do molde deve garantir que esta temperatura seja uniforme, e que a mesma esteja dentro da faixa de trabalho recomendada pelo fabricante do polímero. Recomenda-se que o gradiente de temperatura ao longo da geometria da cavidade não ultrapasse os 10 °C.
2.1.18 Temperature difference, part (Diferença de temperatura cavidade/macho)
Diferenças maiores que cinco graus Celsius entre cavidade e macho devem ser evitadas, pois geram diferentes condições de resfriamento entre a superfície superior e inferior da peça moldada, onde o percentual de contração é maior do lado mais quente, induzindo a um empenamento da peça.
3.1 IMPORTAR ARQUIVOS
Ao abrir o software, o seguinte layout será apresentado:
Figura 4: Layout de página inicial do software MoldFlow Insight 2010 R Fonte: do Autor (2010)
Á partir de então, deve-se clicar na opção “ New project ”, criando assim um arquivo onde os dados de análise da simulação serão gravados.
Figura 5: Janela de diálogo para criação de um novo projeto. Fonte: do Autor (2010)
É importante citar que o software utilizado nas aulas é educacional, e isso acarreta em algumas restrições. Uma delas é a de que a análise feita em um computador só e somente só pode ser aberta na mesma máquina. Portanto, aconselha-se que o diretório onde o projeto vai ser gravado seja mantido padronizado, pois somente serão abertos arquivos daquela pasta. E, posteriormente, deve-se criar um backup de segurança do projeto em um pen drive. Com o projeto criado, deve-se importar um modelo sólido para o programa (Import).
Perceba que há a possibilidade de alterar a forma com que o software importará o modelo e também alterar a unidade de medida. Existem também limitações referentes ao formato suportado pelo software.
3.2 GERAÇÃO DE MALHAS
NOTA: Deste ponto em diante, as instruções de processo, ou seja, o “passo a passo” que devem ser seguidos para completar a etapa da simulação serão informadas em tópicos, apresentados na sequência em que devem ser executados. Com a peça já importada para dentro de sua área de trabalho, se faz primordial a criação de uma malha de pontos que delimitará a sua peça em questão. Simplificando, a superfície do produto a ser injetado será fracionada em várias superfícies menores, para assim, uma a uma, elas serem avaliadas em relação a posição, referência e curvatura. Desta maneira, se define então o melhor ponto de injeção.
Por etapa: -Na aba “Mesh” selecione a opção “ Generate Mesh ”; Preview; Mesh now ; Verificar se a malha está bem feita, (Se os vértices dos triângulos estão coincidentes); Finish/Ok.
Figura 8: Exemplo de malha gerada á partir de peça importada Fonte: do Autor (2010)