form_instr_lection

Для відведення повітря між поверхнею виробу й формою виконують вентиляційні канали у вигляді циліндричних отворів або щілин. Бажано їх розташовувати в найменш помітних місцях. Щілинні канали гідравлічно

більш доцільні.

Довжина каналів має відповідати умові Lотв 10 15 d .

Величина прогину полімерного листа у вентиляційному отворі

(рис. 16.4) може бути обчислена за формулою

y 3 Pd 4 5 ,

16 E 3 1

де Е – модуль пружності полімеру під час розтягу за температури формування, Па, μ – коефіцієнт Пуассона полімеру за температури формування.

Рис. 16.4. Схема прогину листа заготовки у вентиляційному отворі

Звідси, задаючись значенням у з умови непомітності, можна визначити

значення d.

Вентиляційні канали з’єднуються в дренажні з набагато більшим перерізом для зменшення загального гідравлічного опору.

111

17. МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ТЕЧІЇ РОЗПЛАВІВ ПОЛІМЕРІВ У ФОРМУЮЧОМУ УСТАТКОВАННІ

17.1. Загальні положення

Автоматизоване моделювання процесів течії розплавів полімерів у робочих каналах базового та формуючого устатковання для переробки пластмас у вироби стає все більш важливим інструментом для

проектувальників та інженерів. Це надає доступ до такої інформації про

процеси переробки полімерів, яка є ключовою в розумінні умов цих процесів і не може бути отримана іншим шляхом, крім експериментального, який також не завжди доступний. Автоматизоване моделювання також має значні переваги, коли це стосується ефективного скорочення витрат.

Традиційно, головки проектувались з наступними затратними випробуваннями й процедурами виправлення, проходячи до десяти або двадцяти таких стадій.

Основною метою реологічних розрахунків екструзійного інструменту

для виготовлення профілів є досягнення рівномірного розподілу швидкостей

на виході з нього. Зазвичай задаються тільки величиною поперечного перерізу

на вході потоку розплаву в інструмент і поперечним перерізом екструдованого профілю. Можливості формування геометрії каналів між

входом і виходом практично необмежені.

Прямий же розрахунок геометрії виявляється неможливим. Тому

параметри інструменту визначаються багаторазовим підбором методом проб і помилок. Виходячи з першого ескізу каналів, профіль останніх поступово змінюють до досягнення бажаного рівня швидкостей потоку.

У випадку соекструзії декілька матеріалів об’єднують до єдиного профілю задля отримання переваги різних механічних, хімічних або матеріальних властивостей від кожного полімеру (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Схема соекструзійної плоскощілинної головки: 1 та 2 – канали для підведення розплаву; 3 та 5 – регулювальні планки; 4 та 6 – регулювальні болти; 7 – пружна губка

112

Дія головки полягає в тому, щоб конвертувати циліндричні потоки від екструдерів в бажану форму поперечного перерізу готового виробу.

На додаток до типових проблем, що відносяться до екструзії, під час

соекструзії з’являються інші, специфічні труднощі. Потоки матеріалів

надходять від різних впускних секцій або екструдерів з різними витратами, що може призводити до відміни в швидкостях кожного шару. Коли матеріали з різними реологічними властивостями зведені у головці в загальний потік, форма межі між двома або декількома потоками рідин уздовж складного шляху потоку змінюється. Матеріал з найвищою витратою або в’язкістю прагнутиме відштовхнути інші матеріали. Розташування поверхонь розділу рідина-рідина та лінії току під час соекструзії наперед невідомі. Матеріали також по-різному реагуватимуть на теплові умови, які також можуть значно впливати на форму потоку. Все це призводить до того, що можна отримати несподівані для розробників розподіли швидкостей на виході з головки. Тому процес проектування такої головки дуже складний.

Але процес розрахунку головок може бути істотно полегшений за допомогою числових методів моделювання.

Для того, щоб у результаті зміни геометрії каналів можна було швидше і простіше передбачити об’ємні співвідношення потоків, зазвичай звертаються до розрахункової методики, що об’єднує метод скінченних елементів (МСЕ) і теорію мереж. У результаті комбінації обох розрахункових методів вдається реалізувати такі їх переваги, як точний розрахунок величин швидкості й

тиску, а також відносно невеликий час розрахунку.

17.2. Програма COMPUPLAST

Програма [35] заснована на скінченноелементному методі (МСЕ) математичного аналізу й надає детальну інформацію про поля течії, які утворюються в різноманітних елементах екструдера. Вона базується на тривимірному (3D) аналізі і дає змогу проаналізувати течію полімерних матеріалів в каналах складної геометрії на звичайному персональному комп’ютері.

3D модуль МСЕ було розвинено з урахуванням інженерного проектування процесу екструзії. Багато особливостей 3D модуля дозволяють

користувачу виконувати детальне вивчення складного поля потоку відносно швидко та ефективно (рис. 17.2). Виробники устатковання і просунуті

користувачі використовують цей модуль для розробки та аналізу нових

конструкцій екструдерів і головок. Просунутий модуль, що простежує траєкторії частинок, може використовуватися для визначення потрібного

початкового розподілу шарів полімерів під час соекструзії таким чином, щоб досягти правильного кінцевого розподілу. Це, наприклад, може допомогти скоротити кількість зовнішнього полімерного матеріалу, який потрібен у конфігурації співекструдованого профілю.

113

Модуль профільних головок VEL використовується для точного аналізу та проектування секцій головок довільної форми. Програма може забезпечити детальну інформацію про потік крізь профільну головку. Падіння тиску,

розподіл швидкостей та інтенсивності зсуву фрагмента зображення – тільки

деякі з характеристик потоку, які можуть бути оцінені.

Модуль VEL використовується компаніями, які проектують екструзійні процеси та обладнання для розробки нових або модернізації наявних проектів. Серед його нових особливостей є можливість симулювати пристінні ефекти, які роблять програму точнішою. Цей модуль може бути використаний для визначення максимальної швидкості екструзії та оптимізації процесу

(рис. 17.4).

Рис. 17.4. Зображення в модулі VEL зміни профілю екструдата в головці

17.3. Програма Moldflow

Програмний продукт Autodesk Simulation Moldflow [36] вирішує

проблеми, які виникають під час підготовки виробництва нових виробів, і є основним програмним продуктом технології Moldflow. Він надає можливість

проводити аналіз течії, ущільнення та охолодження розплаву термопластичного матеріалу на стадіях уприскування, витримки під тиском і витримки на охолодження.

115

У Moldflow проводиться аналіз неізотермічної течії розплаву частково стискуваного полімеру в каналах літників і порожнині форми з урахуванням тепловиділення від тертя в розплаві, теплових ефектів стиснення–розширення

розплаву, входових ефектів, нерівномірного й несиметричного охолодження,

теплофізичних властивостей формоутворювальних деталей прес-форми та інших чинників. Аналіз уприскування може виконуватися як у режимі управління швидкістю уприскування (за постійної швидкості уприскування або за наявності відомого профілю швидкості), так і в режимі управління тиском.

Геометрична модель виробу для аналізу й сіткова область може бути одержана з таких CAD/CAE-систем, як Parasolid, Autodesk Inventor, CATIA, Pro/ENGINEER, SolidWorks та ін.

Під час аналізу уприскування користувач одержує графічний розподіл у будь-який момент часу всіх найважливіших параметрів розплаву

(температури, тиску, напружень і швидкості зсуву, товщину затверділого

пристінного шару, в’язкості, орієнтації матеріалу тощо), що визначають якість виробу (рис. 17.5). Програма показує положення ліній спаю й повітряних пасток, недоливів, попереджає про появу облою та інших проблем. На основі системи критеріїв робиться висновок про прийнятність конструкції та умов

лиття, а також про заходи для усунення виявлених проблем.

Ряд оптимізаційних завдань програма виконує автоматично або

напівавтоматично. До таких завдань відносяться: знаходження оптимальної

швидкості уприскування, геометрії ливників, визначення місць впускання, балансування товщини ливників, мінімізація тиску й часу циклу, режим

охолодження та ін. Для аналізу витримки під тиском і витримки на

охолодження моделюються процеси об’ємної усадки та ущільнення полімеру, прогнозуються утяжини. Розрахунок параметрів процесу проводиться на основі бази властивостей матеріалів, що містяться в банку даних Moldflow або вводяться користувачем.

Графічний інтерфейс і пре/пост процесор, що постачаються у складі програмного продукту, містить диспетчер проектів, функції автоматичної побудови ливникової системи, перевірки й «лікування» сітки, автоматичної

генерації звіту у форматі текстового редактора Word або програми PowerPoint.

17.4. Програма POLYFLOW

Програмний продукт ANSYS POLYFLOW [37] допомагає розв’язувати

багато задач переробки полімерів, дозволяючи користувачеві широкий вибір

варіантів: 2D або 3D геометрія, ізотермічна або неізотермічна постановка, стаціонарний (наприклад, екструзія), або нестаціонарний процес (наприклад,

лиття під тиском, термоформування, роздув).

116

а

б

Рис. 17.5. Постпроцесор і графічне вікно аналізу Moldflow

117

Головна особливість програми POLYFLOW – її здатність передбачити параметри течії з утворенням тривимірних вільних поверхонь в процесі екструзії узагальнених ньютонівських і в’язкопружних рідин. Програма

дозволяє змоделювати форму екструдату у вільному потоці поза головкою.

Проблеми екструзії в технологічному процесі часто характеризуються складною геометрією з багатьма кутами. POLYFLOW має можливість обчислити форму фільєри головки, потрібної для отримання бажаної форми екструдату.

Багатодоменний підхід використовується в POLYFLOW для моделювання передачі теплоти в областях складної конфігурації або між рідкою та твердою фазами, а також під час соекструзії або інших спільних потоків різних рідин. Моделювання можливо здійснювати для рідин, які є або узагальненими ньютонівськими, або в’язкопружними за поведінкою. Розташування поверхні розділу рідина–рідина при соекструзії апріорно

невідомо. Як і в розрахунках вільних поверхонь, користувачем спочатку

вибираються інтерфейси обчислення разом зі скінченноелементною сіткою. Більшість виробничих проблем, вирішених POLYFLOW, пов’язані з

надзвичайною нелінійністю, внаслідок вільних деформацій зовнішніх поверхонь або складної поведінки рідин. Через цю надзвичайно нелінійну

поведінку, зазвичай неможливо досягти кінцевого значення бажаних

параметрів потоку в межах єдиної ітераційної процедури. Тоді необхідно

одержати рішення в цілому ряді проміжних кроків. Завдання зміни

матеріальних параметрів або граничних умов оброблюється в POLYFLOW повністю автоматичною процедурою. Приріст або зменшення параметрів

коригується на основі сходження ітерацій.

Розподіл швидкостей екструдату на виході з головки може виявитись далеким від прийнятного. Тертя, що виникає між частинками матеріалу та

стінками головки, уповільнює швидкість розплаву до дуже малої, можливо навіть повністю. З іншого боку, в центрі великих секцій потоку, де тертя з

сусідніми частинками незначне, локальна швидкість може бути великою. На

виході екструдату з головки, де немає ніяких стінок і тертя уздовж межі області потоку, швидко відбувається перерозподіл швидкостей. Так, частинки,

які повільно пересувалися біля стінки, матимуть прискорення до загальної

швидкості вільного струменя. Так само, швидкі частинки, що рухались в

середині великої секції потоку, матимуть уповільнення до середньої швидкості екструдату.

У разі звуження області потоку, швидкість частинок в цій області

прискориться. Підтримуючи діючу витрату, звуження секції потоку

автоматично збільшить швидкість розплаву. Так само, для того, щоб уповільнити частинки, екструдату доведеться роздутися. Для профілів

складної конфігурації цей процес стає важко передбачуваним, що утруднює

проектування профільних головок.

118

На додаток до перерозподілу швидкостей, ускладнити ситуацію може також інша поведінка розплаву. Проходячи через вузькі секції потоку, тертя стає значно вище, що призводить до більшого дисипативного нагрівання. Ця

вища температура в місцевому масштабі зменшить в’язкість матеріалу,

поліпшуючи його текучість. Релаксація тиску зазвичай призводить до більшої деформації. Спінювання або хімічні реакції також можуть вплинути на властивості матеріалу.

Програма дозволяє задавати такі параметри як, наприклад, робочі режими (витрата, часткове ковзання уздовж стінки, зовнішні швидкості та сили тощо) або теплові граничні умови (задана температура на поверхнях та в потоці, кількість конвективної або випромінюючої теплоти тощо). Розв’язуючи рівняння Навьє-Стокса спільно з рівнянням енергії, POLYFLOW під час розрахунку поведінки матеріалу і конструктивних елементів головки може взяти до уваги розподіл швидкостей потоку, локальне падіння тиску, деформацію кожної секції конфігурації, температурне поле та ін.

Розглядаючи течію конкретного матеріалу крізь головку визначеної конструкції в заданих робочих режимах, можливо передбачити форму кінцевого екструдату з урахуванням деформації від перерозподілу швидкостей на виході з головки (рис. 17.6). Також можливо проаналізувати

модифікації геометрії каналів головки на кінцеву форму профілю.

Підобласть 2

Підобласть 1

Напрям

екструзії

Рис. 17.6. Розрахункова модель фільєри головки (підобласть 1) та зекструдованого профілю (підобласть 2)

Головна проблема, що вирішується під час проектування екструзійних

головок, полягає в необхідності врахування деформації матеріалу після

виходу з них. Ці деформації виникають переважно завдяки комбінованому ефекту перерозподілу швидкостей і релаксації тиску для в’язкопружних

119