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Facolt di Ingegneria A.A. 2014/15

POLITECNICO DI TORINO

Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Progettazione di processo con metodi numerici

STAMPAGGIO AD INIEZIONE CON SOFTWARE CAE

VISIFLOW 20.0 DI UNA SCOCCA DI LOCOMOTIVA DA

MODELLISMO

Gruppo : Insegnanti:

Giovan Battista Cusimano (211088) Prof. Alessandro Salmi

Gaetano Di Paola (206505) Ing. Manuela Galati

Stefano Di Paolo (202165)

Giovanni Gotadoro (207010)

Daniele Lo Piccolo (206504)

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Sommario

1. Introduzione ............................................................................................................ 3

2. analisi e digitalizzazione del componente ............................................................. 4

2.1. messa in tavola del componente ........................................................................ 6

2.2. orientazione del componente allinterno dello stampo ...................................... 6

2.3. preparazione del modello ................................................................................... 7

3. simulazione del processo di iniezione ................................................................. 11

3.1. scelta del materiale ........................................................................................... 11

3.2. scelta del punto di iniezione ............................................................................. 13

4. simulazione senza la presenza di canale di iniezione ........................................ 14

4.1. analisi di riempimento ...................................................................................... 14

4.2. interpretazione dei risultati ottenuti ................................................................. 16

5. inserimento dei canali di alimentazione ............................................................. 26

5.1. analisi del riempimento con canali .................................................................. 28

5.2. interpretazione dei risultati ottenuti ................................................................. 28

5.3. ottimizzazione analisi di riempimento con i canali ......................................... 33

6. analisi di mantenimento ....................................................................................... 40

7. analisi di deformazione ........................................................................................ 48

8. conclusioni ............................................................................................................. 49

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INTRODUZIONE

Lesercitazione ha lobiettivo di simulare, analizzare ed ottimizzare, mediante lutilizzo del software CAD/CAM/CAE Vero VISIFlow 20, il processo di stampaggio ad iniezione di un

componente in materiale termoplastico scelto opportunamente. Loggetto preso in esamina la scocca di una locomotiva da modellismo.

A partire dal modello fisico, stato realizzato il modello 3D tramite il software CAD SolidWorks,

nel rispetto dei vincoli dimensionali e delle tolleranze imposte nelloggetto di partenza. Successivamente, discretizzato il modello tramite apposita meshatura, si passati alla fase di

implementazione e introduzione alle simulazioni; questultime hanno permesso di giungere alle condizioni di stampaggio ottimali. Tali risultati sono stati ottenuti, impostando a monte della

simulazione, un adeguato sistema di alimentazione ed uno specifico set di parametri (scelta del

materiale termoplastico, temperatura, portata, pressione di iniezione del fuso, ecc.) e ottenendo in

risposta dati di output, sui quali si lavorato per ottenere una combinazione soddisfacente delle

specifiche di progetto . In particolare, ci si soffermati principalmente sulle seguenti risposte di

simulazione:

Isocrone;

Distribuzione di temperatura;

Distribuzione di pressione;

Shear Stress;

Shear rate;

Spessore dello strato congelato durante il riempimento.

Attraverso tali parametri si cercato di rispettare i criteri di riempimento in un procedimento ad

iniezione, ovvero:

Unidirezionalit del flusso;

Bilanciamento del flusso;

Gradiente di pressione costante;

Range termico contenuto;

Shear stress ridotto.

Tali linee guida, hanno permesso di evitare una serie di problematiche inerenti al pezzo stampato

che incidono nettamente sulla qualit del prodotto finale. Uno dei principali riguarda la

deformazione delloggetto stampato, concatenato ad altri difetti, come quello del ritiro, dellesitazione o della generazione di bolle daria intrappolate nel volume interno dello stampo.

Dal momento che questi parametri variano in contrapposizione tra di loro, bisogna scegliere con

cautela quanti e in che entit andarli a modificare; solo dopo aver testato una serie corposa di

soluzioni alternative, si giunti ad un compromesso ottimale.

Nello specifico, Liter di progetto ha previsto le seguenti fasi:

1. Generazione e ottimizzazione della mesh; 2. Simulazione e ottimizzazione dei parametri sulla sola cavit; 3. Simulazione e ottimizzazione dei parametri sulla cavit e sui canali.

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ANALISI E DIGITALIZZAZIONE DEL COMPONENTE

Il modello preliminare scelto una locomotiva da modellismo Shifter 0-4-0 B&O C16a in scala H0

(rapporto di riduzione 1/87) dellazienda comasca Rivarossi (Figura 1).

Presenta le seguenti dimensioni nominali:

Lunghezza: 95 mm

Larghezza: 36,50 mm

Altezza: 51,60 mm

Scartamento ferroviario: 16,50 mm

Come mostrato in Figura 2, Il rotabile ferroviario si compone dalla cabina di guida accompagnata

dal generatore di vapore composto dal focolaio, caldaia e camera a fumo, un meccanismo motore a

2 cilindri e un sistema di trasmissione basato sul manovellismo di spinta a bielle e schema di

rodiggio 0-4-0, ossia partendo dalla parte anteriore: 0 assi portanti non motorizzati anteriori (folli),

4 assi motori, 0 assi portanti non motorizzati posteriori. Nel sistema americano moderno questo

schema si definisce anche Four Coupled.

Si noti che la cabina di guida ed il generatore di vapore sono due componenti distinti, uniti solo

successivamente alla loro realizzazione. Relativamente al progetto, i due elementi sono stati trattati

come un unico componente. Di conseguenza si proceduto alla progettazione del processo di

stampaggio, considerando un unico corpo.

Figura 1 - Modello originale della locomotiva

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. Figura 2 - Rotabile ferroviario scomposto

Di seguito riportata la rappresentazione grafica del modello virtuale, modellato in ambiente CAD,

tramite il software Solidworks:

Figura 3 Modello CAD della locomotiva

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MESSA IN TAVOLA DEL COMPONENTE

Nellimmagine seguente riportata la messa in tavola del componente rappresentante la scocca

della locomotiva:

Figura 4 Vista in sezione del modello con relativa quotatura

Ai fini tecnologici, sono state riportate tolleranze dimensionali, geometriche e di posizione, in

quelle parti considerate tecnologicamente importanti, ovvero quelle in cui avviene la giunzione tra

la scocca ed il telaio della locomotiva.

ORIENTAZIONE DEL COMPONENTE ALLINTERNO DELLO STAMPO

Di fondamentale importanza, ai fini della progettazione del processo di stampaggio, stata definire

preliminarmente la disposizione del componente e questo si tradotto nellassegnare un piano di

separazione e unorientazione del componente allinterno dello stampo. Tale assegnazione si

riconduce ai criteri che prendono in considerazione le caratteristiche geometriche del pezzo. Nel

caso in questione si scelto di sfruttare la simmetria del modello, orientando il componente lungo il

piano verticale passante per il suo asse longitudinale: ci ha permesso di ridurre la presenza di

sottosquadri facilitando la corretta apertura delle piastre (Figura 5).

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Figura 5 Visualizzazione del piano di separazione del modello

Relativamente allorientamento del diffusore, la scelta ricaduta su una disposizione perfettamente

orizzontale con verso del fronte di flusso indicato dalla freccia nella figura 5. Questa valutazione

stata dettata dalla necessit di uniformare quanto pi possibile il fronte di flusso.

PREPARAZIONE DEL MODELLO

Dopo aver importato il CAD, si avviata loperazione di analisi della cavit di stampaggio affinch

tenesse conto del ritiro volumetrico del componente. Per evitare che leccessivo ritiro, durante il

raffreddamento del pezzo nello stampo, deformi la geometria e le dimensioni previste a monte dello

stampaggio, stato sovrastimato il volume della cavit, in modo da compensare le eventuali

variazione che il ritiro comporta. Si reso quindi necessario fornire al software le propriet fisiche

del materiale da attribuire al modello. Per lesercitazione si scelto il polimero termoplastico

HDPE (dall'inglese high-density polyethylene) con un livello basso di viscosit.

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La procedura di ritiro si avvia tramite il comando allinterno della sezione Mould > Ritiro.

Figura 6 Assegnazione del ritiro volumetrico

In figura 6, nei riquadri rispettivamente di colore rosso, blu e verde, sono riportate le caratteristiche

del materiale, della cavit dello stampo e del relativo ritiro volumetrico percentuale. Solo

successivamente possibile procedere alla generazione della mesh sulla superficie del modello.

Tramite la fase di meshing si ricavata la matematica del modello, in un numero finito di elementi

base sui quali il software svolge le operazioni inerenti alla simulazione dellavanzamento del fronte

di flusso allinterno della cavit, riportando i parametri fisici ad esso connessi. Di norma, lelemento

di default scelto per la discretizzazione lelemento triangolare (mesh triangolarizzata), che meglio

si predispone per una progettazione di processo, rispetto alla mesh tetragonale.

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Figura 7 Applicazione della mesh sul modello

importante che la mesh risulti il pi uniforme possibile, ovvero che gli elementi tendano alla

forma del triangolo equilatero: per ottenere ci necessario che il CAD importato sia un solido

valido, cio senza imperfezioni o punti di criticit geometriche che portano inevitabilmente ad una

errata generazione della triangolazione. La verifica si svolge direttamente allinterno del software,

nella sezione Analisi > Verifica solido. La dimensione degli elementi viene automaticamente

fornita dal software in base alla grandezza stimata del componente, tuttavia possibile impostarla

manualmente, qualora sia possibile ottenere un migliore. Nel caso in questione si scelti di

raffinare la mesh, ottenendo unapprossimazione che pi si avvicina alla geometria della superficie

CAD di partenza, e che allo stesso tempo, non rende esageratamente onerosi i tempi di

simulazione. Infine si proceduti ad unultima verifica per assicurarsi che il modello sia

complessivamente connesso.

Il passo successivo alla generazione della mesh quello relativo allassegnazione degli spessori.

Il software assegna inizialmente gli spessori in maniera automatica, fornendo un risultato non

conforme allesigenze di progetto, a causa della non uniformit degli spessori nei tratti a geometria

costante (Figura 8).

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Figura 8 Assegnazione iniziale degli spessori

Al fine di ottenere un flusso pi bilanciato, si intervenuto localmente per correggere e rendere pi

omogenea la distribuzione degli spessori in determinati settori del modello. Il risultato finale

dellassegnazione mostrato in Figura 9:

Figura 9 Assegnazione finale degli spessori

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SIMULAZIONE DEL PROCESSO DI INIEZIONE

SCELTA DEL MATERIALE

Come detto precedentemente, il materiale scelto per la progettazione del processo di stampaggio

lHDPE, Polietilene ad alta densit. Nella caso in particolare della scocca della locomotiva la

tipologia di HDPE bassa viscosit.

Il Polietilene si ottiene per polimerizzazione del gas etilene C2H4, di costo commerciale contenuto,

gode delle propriet di trasparenza e notevole resistenza chimica, sia agli acidi che alle basi.

L'HDPE presenta scarse ramificazioni, col risultato che le forze intermolecolari e la resistenza alla

trazione sono maggiori che nelle variet di polietilene meno dense. Le differenze meccaniche sono

pi rilevanti delle differenze in densit, di modo che l'HDPE possiede una pi alta forza specifica.

anche pi duro e pi opaco e pu sopportare temperature pi elevate (120 C per brevi periodi, 110

C continuamente).

Le propriet del materiale vengono riportate in tabella 1, coerentemente ai dati presenti nella

finestra di stampaggio della simulazione.

Parametro Valore Parametro Valore

Tabella 1 Propriet del materiale

In figura 10 e 11 si riportano infine i grafici che descrivono il comportamento reologico del

polimero durante le fasi di riempimento e mantenimento:

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Figura 10 - Equazione reologica HDPE per la fase di riempimento

Figura 11 - Equazione reologica HDPE per la fase di mantenimento

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SCELTA DEL PUNTO DI INIEZIONE

Il parametro successivamente impostato stata la posizione del punto di iniezione. A causa della

geometria ridotta si decisi di simulare il processo con una singola iniezione. Dapprima sono state

vagliate alcune ipotesi di posizionamento dirigendo il punto direttamente sul modello esaminato, in

assenza di canali, per riconoscere le configurazioni valide da quelle non rilevanti al fine della

convalida della simulazione stessa.

Si scelti di posizionare il punto di iniezione sulla faccia frontale del modello, appena al di sopra

del vano caldaia e al centro, in modo da sfruttare la simmetria del componente. Questa scelta stata

compiuta in base ai dati ottenuti dalle simulazioni preliminari e tenendo in considerazione alcune

problematiche ricorrenti durante il processo tecnologico:

La posizione centrale e frontale ha assicurato un riempimento uniforme e omogeneo,

raggiungendo ogni spessore nel medesimo tempo;

Prediligendo una superficie di iniezione piana ha reso possibile un facile raggiungimento e

posizionamento del canale corrispondente;

Si ottenuti un flusso orientato unidirezionalmente, in modo da ottenere una maggiore

omogeneit del polimero;

Lestetica del componente, funzionale e in linea con lobiettivo progettuale, non viene

compromessa, avendo preferito una zona poco visibile a causa dellaggiunta postuma allo

stampaggio di un tappo incollato sulla superficie stessa.

Figura 12 - Punto di iniezione e relativa posizione stabilita

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SIMULAZIONE SENZA LA PRESENZA DI CANALE DI INIEZIONE

ANALISI DI RIEMPIMENTO

Si passa dunque alla definizione dei parametri di stampaggio. In prima analisi si decisi di eseguire

la simulazione di processo mantenendo il set di stampaggio suggerito dal software. Infatti,

questultimo agisce, determinando i calcoli matematici, mediante degli opportuni algoritmi

numerici, in seguito, in base ai risultati ottenuti, si ottimizzata la simulazione variando

opportunamente i parametri di processo.

Lobiettivo principale nel simulare il processo tecnologico senza la presenza di un canale quello di

eseguire unanalisi di riempimento, con il fine di individuare la posizione migliore per il punto di

iniezione e conseguentemente selezionare il set di parametri di stampaggio pi idoneo alle

simulazioni successive.

Nella figura seguente visibile la finestra di dialogo per lesecuzione dellanalisi di riempimento

gi ottimizzata.

Figura 13 - Finestra di stampaggio

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Le informazioni necessarie distinguibili nella finestra sono:

Tempo di iniezione: il tempo necessario al totale riempimento della cavit. Il software

sovrastima i tempi ottimali, suggerendo valori superiori al dovuto. Il parametro stato

impostato manualmente a 0,53 secondi.

Portata: calcolata in cm3/s, viene stimata in base al tempo di iniezione scelto e al volume

della cavit.

Temperatura del materiale: si imposta manualmente tenendo in esame il range di

temperature suggerito per il materiale scelto, nel caso seguente stata selezionata una

temperatura di 245C in un range di 116-248 C.

Temperatura dello stampo: anchessa viene impostata manualmente, in generale si

riscontrano temperature comprese tra i 25 e i 45 C, il software nel caso specifico limita lo

stampo ad una temperatura di 55C. Si deciso di operare con una temperatura di 45C.

Commutazione V/P %: rappresenta la percentuale di volume riempito passando dal

controllo della portata al controllo della pressione di iniezione, lo si imposto al 95 %.

Pressione a fine riempimento: essa il valore di pressione da mantenere costante una volta

superato il punto di commutazione. Il software, imponendo questo valore nullo, agisce

mantenendo la pressione post commutazione V/P massima, tuttavia il grafico mostra un

repentino abbassamento della pressione. Dunque indispensabile eseguire una prima analisi

allo scopo di individuare il valore massimo e impostarlo come pressione di fine riempimento

in una successiva analisi, lasciando inalterati i restanti parametri.

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INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI OTTENUTI

Vagliato il set dei parametri predefinito e lanciata la simulazione, il software restituisce i dati

ottenuti dal processo numerico mediante lausilio di infografiche. Si riportano di seguito i risultati

ottenuti dallanalisi di riempimento:

Isocrone: il grafico riporta landamento del flusso del fuso nel modello durante il

riempimento. Mediante la lettura delle isocurve quindi possibile verificare il flusso e la

presenza di errori dovuti a fenomeni di esitazione o alla non uniformit direzionale del

flusso. In figura 14 visibile il risultato ottenuto dalla simulazione che mostra chiaramente

un andamento del flusso ben bilanciato, aiutato dal fatto che liniezione singola permette

ununica direzione del flusso. Non si verificano fenomeni di esitazione allinterno della

cavit.

Figura 14 - Isocrone

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Temperatura: linfografica seguente mostra landamento della temperatura media del

materiale. Al fine di ottenere una qualit estetica superiore del manufatto, il delta di

temperatura devessere compreso in un intervallo abbastanza ristretto in modo da riuscire a

compensare il calore perso per conduzione con le pareti, con il calore dovuto allattrito del

materiale iniettato. In linea di massima, la differenza tra il valore massimo raggiunto e il

minimo dovrebbe aggirarsi tra i 15C e 20C. Il grafico mostra un salto termico pari a 19C,

dunque accettabile nellottica di previsione.

Figura 15 Temperature

Pressione: questa sezione presenta la distribuzione delle pressioni allinterno della cavit

durante la fase di riempimento. Ci permette di visualizzare eventuali zone a rischio di

sovra-impaccamento. Il fronte di flusso si presenta a pressione nulla, indice che il

riempimento avviene in maniera corretta. La zona di massima pressione delimitata

nellintorno del punto di iniezione, con un valore massimo pari a 33.06 MPa.

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Figura 16 Pressione

Gradiente di velocit (shear rate): le isocurve descrivono la differenza di velocit determinata tra i piani adiacenti del canale di flusso rapportata alla distanza dei piani stessi.

Il valore indicato nel diagramma esprime il valore massimo dello shear rate attraverso lo

spessore, difatti in prossimit dei punti con il massimo gradiente si hanno i massimi valori di

shear stress, contrariamente dove le velocit sono minime anche le tensione risultano minori.

Il gradiente di velocit massimo riscontrato sul modello di circa 30000 s-1

, ben al di sotto

del valore critico caratteristico del polimero scelto: 65000 s-1

.

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Figura 17 - Gradiente di velocit

Sforzo di taglio (shear stress): il diagramma 18 riporta landamento dello shear stress sul

modello studiato. Esso descrive il rapporto che intercorre tra la forza elastica che pilota il

flusso e larea resistente al flusso stesso, dunque funzione della velocit di flusso e della

viscosit propria del fuso. Linfografica mostra il range di tensioni che si sviluppano durante

la fase di processo, pertanto possibile leggere il valore massimo raggiunto. Questultimo

deve, in prima analisi, essere inferiore allo sforzo di taglio massimo del materiale. Nel caso

di studio si ricavato uno shear stress con un margine di valore dallo sforzo massimo

raggiungibile dellHDPE pari a 0.17 MPa (Figura 19) nella zona maggiormente sollecitata

in prossimit del punto di iniezione. A conferma di ci si rileva che valori troppo elevati

dello shear stress siano legati alle eccessive velocit di flusso e alle alte temperature;

ciononostante sperimentalmente sono state riscontrate relazioni anche con basse velocit e

materiale localmente freddo. Come noto, questo fenomeno causa di tensioni interne nel

componente e di orientamento delle molecole nella direzione del flusso. Sono da evitare

anche fenomeni di inversione del flusso, dovuti a pressione di iniezione troppo basse.

20

Il caso specifico presenta globalmente un margine di rischio abbastanza basso in gran parte

del componente, dunque si scongiura la presenza di fenomeni non voluti.

Figura 18, 19 - Shear stress e valutazione della qualit sul margine tensionale

21

Guaina solidificata: esprime la percentuale di strato solidificato dello spessore durante il riempimento. Al fine di scongiurare che il materiale si mostri fortemente orientato e generi

in seguito valori eccessivi di ritiro e stress interni, lo si mantiene di norma inferiore al 8-

10%. In figura 19 e 20 sono presenti il diagramma in scala della guaina solidificata e il

relativo giudizio di qualit.

Figura 19, 20 - Guaina solidificata e relativa valutazione di qualit

22

La qualit estetica del componente di primaria importanza, essendo funzionale allobiettivo di

progetto, dunque sono stati vagliati gli eventuali difetti estetici e di processo ottenuti in simulazione.

In figura 21 e 22 sono rappresentate delle panoramiche sulle linee di giunzione che inevitabilmente

si vengono a creare durante la fase di processo. Il modello si presenta abbastanza ripulito, con una

concentrazione di giunzioni in prossimit degli elementi termici posti in caldaia e nelle adiacenze

degli spigoli vivi. Ci facilmente spiegabile se si valuta landamento del flusso del fuso allinterno

della cavit: avviandosi incontro a geometrie simili, il flusso pu localmente dirigersi in maniera

differente, creando un orientamento separato delle macromolecole polimeriche. Dallanalisi della

temperatura iniziale, avendo ottenuto un range di temperatura relativamente contenuto (19 C), si

pu suppore che la zona in prossimit delle linee di giunzione abbia temperature locali vicine a

quelle di iniezione, dunque scongiura una pericolosit legata alla loro presenza.

Figura 21 - Linee di giunzione vista tridimensionale

La presenza di tali difetti risulta essere inevitabile, ma una scelta opportuna dei parametri di

stampaggio ha permesso di concentrarli in zone poco visibili come linterno del componente (figura

21) e non interessate ad accoppiamenti meccanici, dunque poco sollecitate.

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Figura 22 - Linee di giunzione - vista inferiore

In maniera analoga sono state valutate le bolle daria intrappolate durante la fase di riempimento.

Esse possono essere gravose , in quanto compromettono lomogeneit del flusso del fuso e creano

difetti estetici rilevanti. Nel caso specifico si riscontrata unalta concentrazione di bolle sul retro

del componente formatesi all'incirca a fine iniezione e sugli elementi posti in caldaia. La

localizzazione di tali difetti permette fortunatamente di ovviare al problema prevedendo degli

opportuni sfiati nello stampo.

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Figura 23 - Bolle d'aria

Infine si riporta un diagramma che manifesta una serie temporale dei valori di portata e pressione

durante la fase di riempimento. La pressione segue un andamento crescente arrivando ad un valore

massimo di fine riempimento a mezzo secondo dallinizio delliniezione, in seguito tende a

mantenere il valore raggiunto. La portata presenta un andamento lineare con un massimo a circa 24

cm3/s, a fine riempimento prevedibilmente si riporta a zero.

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Figura 24 - serie temporale di portata e pressione in fase di riempimento

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INSERIMENTO DEI CANALI DI ALIMENTAZIONE

Il sistema di alimentazione applicato alla simulazione del stampaggio, costituito dai seguenti

componenti:

Gate conico;

Canale cilindrico (Runner);

Canale di alimentazione (Carota);

Il primo passo per la creazione dei canali di alimentazione consiste nella designazione delle

dimensioni e dellorientazione di cui il sistema deve essere caratterizzato. Quindi si procede con la modellazione di uno schizzo di tre linee rappresentative delle anime dei componenti.

Figura 25 - Rappresentazione delle linee rappresentative dei canali

Come si evince dalla figura, le linee sono disposte in modo da rispettare gli assi di simmetria

delloggetto. A partire dal modello verso lesterno, si dispongono in ordine il gate e il Runner, coassiali tra loro. La terza linea, ortogonale alle precedenti, rappresenta invece il gate conico.

Si successivamente deciso di impostare gli ingombri del sistema di alimentazione, garantendo che

il rapporto tra il volume dei canali ed il volume della cavit fosse limitato al 20%. In base a tale

criterio sono stati impostati dei valori di prima approssimazione.

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CAROTA:

lunghezza = 109 mm

diametro maggiore = 7 mm

diametro minore = 3 mm

tipo di canale: freddo conico

RUNNER:

lunghezza = 32 mm

diametro = 7 mm

tipo di canale: freddo

GATE:

deve essere pi piccolo rispetto al canale di alimentazione per favorire successivamente il distacco

del pezzo, per pilotare il valore della pressione in ingresso cavit e anche per mantenere alta la

temperatura della massa fusa. Nel caso in esame il gate avr sezione conica per assicurare un

attacco ridotto in corrispondenza della cavit, ma con una variazione graduale di diametro.

lunghezza = 9 mm

diametro maggiore = 7 mm

diametro minore = 0.8 mm

tipo di canale: iniezione conica

Si ottiene un sistema di alimentazione definito come in figura:

Figura 26 - Canale di iniezione

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ANALISI DEL RIEMPIMENTO CON CANALI

Dopo aver definito il sistema di alimentazione, si passati allanalisi di riempimento. Si

proceduto impostando, in prima approssimazione, i parametri di stampaggio ricavati dalla

simulazione ottimizzata di riempimento senza canali, come mostrato nella seguente figura:

Figura 27 - Finestra di stampaggio

INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI OTTENUTI

Nelle figure seguenti si riportano i risultati della simulazione:

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Figura 28 - Isocrone

Anche in presenza di canali, il flusso continua ad essere orientato e ben bilanciato.

Figura 29 - Temperatura

Il gradiente di temperatura che si raggiunge di 15C, migliore di quello gi accettabile che si

otteneva nellanalisi di riempimento senza canali.

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Figura 30 Pressione

Il range di pressione si dimostra apprezzabile e contenuto.

Figura 31 - Gradiente di velocit

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Si noti una zona localizzata del componente in cui il gradiente di velocit supera il valore di soglia

imposto dal materiale (65000 1/s), questo aspetto sar valutato successivamente nellottimizzazione della simulazione di riempimento.

Figura 32 - Sforzo di taglio

E rispettato il valore limite relativo al materiale impiegato (0.33 MPa).

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Figura 33 - Guaina

La guaina solidificata risulta essere ancora nellordine del 78% e dunque accettabile.

Figura 34 - Bolle d'aria e linee di giunzione

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I difetti estetici continuano inevitabilmente a presentarsi, ma visibile un marcato miglioramento in

particolar modo per gli intrappolamenti daria previsti sul retro del componente, le linee di giunzione allo stesso modo, risultano essere notevolmente ridotte rispetto alla simulazione senza

canali.

In figura 35, viene riportato landamento dei parametri di riferimento in funzione del tempo.

Figura 35 - Andamento della portata e della pressione nel tempo

OTTIMIZZAZIONE ANALISI DI RIEMPIMENTO CON I CANALI

Procedendo con lottimizzazione del processo, si giunti alla definizione di una nuova geometria dei canali e ad un nuovo set di parametri di stampaggio:

GATE (iniezione conica)

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RUNNER (freddo)

CAROTA (freddo conico)

Figura 36, 37 - Schematizzazione del progetto del canale

I parametri di processo ottimizzati per la fase di riempimento sono mostrati in Figura 38:

Figura 38 - Finestra di stampaggio

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Si riportano infine gli ultimi risultati conseguiti:

Figura 39 - Isocrone

Il flusso continua ad essere orientato e ben bilanciato.

Figura 40 - Temperatura

Il T=15 continua a mantenersi allinterno di un range accettabile.

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Figura 41 Pressione

Le pressioni rimangono in un range accettabile.

Figura 42 - Gradiente di velocit

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Con i nuovi parametri di processo si eliminata la zona critica, restando ovunque al di sotto del

valore di soglia.

Figura 43 - Sforzo di Taglio

Per quanto riguarda lo shear stress, continua a confermarsi come punto pi critico quello in

prossimit del punto di iniezione. Tuttavia i dati di output restituiscono valori che risultano

accettabili ed al di sotto del limite imposto dalla tipologia di materiale.

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Figura 44 - Guaina

Non si registrano variazioni sostanziali nella valutazione della guaina solidificata rispetto ai casi

precedenti, dunque rimane accettabile anche in questultima analisi.

Figura 45 - Giunzioni e bolle d'aria

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Non si riscontrano particolare evidenze rispetto al caso precedente.

In conclusione si riporta nuovamente, in figura 46, landamento temporale dei parametri di

pressione e portata.

Figura 46 - Serie temporale per gli andamenti di portata e pressione

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ANALISI DI MANTENIMENTO

Alla fase di riempimento, in linea teorica, seguono le fasi di pressurizzazione e di compensazione

del manufatto. Dopo aver riempito lo stampo, si mantiene lo stampo in pressione sfruttando le

caratteristiche di comprimibilit della plastica e si pu forzare fino al 15% in pi di materiale

allinterno della cavit. Nella fase di compensazione si tiene conto del fatto che la plastica presenta

una notevole variazione di volume nel passaggio da stato fuso a solido che usualmente nellordine

del 25%. Durante tale fase si provvede allora a compensare la variazione di volume inserendo un

ulteriore 10% di materiale in pi allinterno della cavit.

In realt il software non opera una distinzione tra le due fasi, ma ne considera ununica di

mantenimento nella quale il materiale fuso continua a fluire allinterno dello stampo al fine di

compensare i ritiri volumetrici di cui sopra.

I parametri da impostare in questa fase sono fondamentalmente tre:

Pressione di mantenimento

Tempo di mantenimento

Tempo di raffreddamento

La pressione di mantenimento quella richiesta nel pezzo durante questa fase. Essa deve risultare la

pi uniforme possibile ed pari al valore di pressione massima raggiunta durante la fase di

riempimento.

Il tempo di mantenimento quello che intercorre dal momento in cui finisce la fase di riempimento

fino a che solidifica il gate del canale di colata. In seguito al congelamento del gate infatti non pi

possibile introdurre materiale allinterno dello stampo.

Il tempo di raffreddamento quello che segue il tempo di mantenimento e termina nel momento in

cui il pezzo raggiunge una temperatura tale da poter essere estratto senza problemi.

In prima istanza si deciso di realizzare una analisi di mantenimento utilizzando come parametri di

processo quelli consigliati dal software e riportati nella Figura 47:

41

Figura 47 Dati Analisi Mantenimento

Tuttavia i risultati trovati mostrano come il tempo di mantenimento impostato dal software troppo

grande in quanto il gate congela prima ancora che sia terminata la fase di mantenimento. Una volta

che il gate congelato, non pi possibile iniettare quel materiale necessario per le fasi di

pressurizzazione e compensazione.

Per risolvere il problema si intervenuti modificando i parametri di processo gi prima ottimizzati,

decidendo di aumentare le temperature sia del materiale che dello stampo al fine di ritardare il punto

di congelamento del gate. Poich il problema continuava a manifestarsi, si ancora intervenuti sulla

geometria del canale di colata, ridefinendo i diametri della carota, del runner e del gate.

Si riportano nella Figura 48 i dati di stampaggio definitivi e nelle Figure 49 e 50 i nuovi valori della

geometria dei canali.

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Figura 48 Finestra di stampaggio

GATE (iniezione conica)

RUNNER (freddo)

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CAROTA (freddo conico)

Figura 49, 50 - Schematizzazione del progetto del canale

Realizzando questa nuova simulazione, non si riscontrano particolari problemi durante la fase di

riempimento.

Si in definitiva giunti alla definizione di un tempo di mantenimento di 8s ed un tempo di

raffreddamento di 25s, con una pressione di mantenimento di 51 MPa uguale alla pressione di fine

riempimento.

Figura 51 Dati Analisi Mantenimento

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Figura 52 Pressioni a fine mantenimento

In figura riportato landamento delle pressioni dopo 8.09s, istante in cui la pressione indicata sul gate risulta essere nulla, ovvero si congelato. Come si pu notare, le finestre risultano

sovraimpaccate, situazione che si sempre verificata in tutte le simulazioni svolte: ci dovuto

fondamentalmente al valore di spessore di queste, pi piccolo rispetto alle altre parti del pezzo in

analisi.

In seguito al congelamento del gate comincer la fase di raffreddamento, nella quale risulter

fondamentale ottenere una densit uniforme sulle varie parti del pezzo ed inferiore ad un valore di

soglia indicato dalle propriet del materiale (0.95 g/cm3), un ritiro uniforme, fondamentale affinch

il pezzo non presenti grandi deformazioni ed infine valutare leventuale presenza di risucchi e porosit, depressioni superficiale che dipendono fondamentalmente dal ritiro del materiale, le quali

sono da limitare in quanto esteticamente non gradite.

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Figura 53 Densit a fine raffreddamento

La densit risulta essere abbastanza omogenea su tutte le varie parti del componente in analisi.

Inoltre non si raggiunge mai il valore di soglia di 0.95 g/cm3.

Conseguenza di ci sar un ritiro uniforme, sintomo di una complessiva bont della simulazione

svolta.

Anche i risucchi e le porosit risultano essere molto basse e prossime allo 0% su gran parte del

pezzo.

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Figura 54 Ritiro percentuale Figura 55 Risucchi e porosit percentuale

La temperatura a fine raffreddamento risulta essere uniforme su tutto il pezzo e di circa 44 ben al

di sotto della tipica temperatura di estrazione di 86.

Figura 56 Temperatura fine raffreddamento

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Si riporta dunque landamento della portata e della pressione per lintero tempo ciclo.

Figura 57 Andamento Portata e Pressioni nel tempo

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ANALISI DI DEFORMAZIONE

La deformazione di un pezzo dipendente dal ritiro: se questo risulta essere non uniforme nel

componente, si generano degli stress interni che sono in seguito causa di difetto. Un pezzo

deformato pu chiaramente perdere di funzionalit oppure essere esteticamente non accettabile.

Nel caso in analisi ci siamo interessati di controllare che i valori di deformazione massima non

superino i valori classici del materiale plastico scelto, e di verificare che le zone da accoppiare

successivamente con altre superfici non risultino particolarmente deformate.

Si riporta nella figura seguente il risultato ottenuto:

Si pu vedere come i valori di deformazione trovati rimangono abbastanza uniformi nellintorno dei

12 decimi di millimetro, in particolare le deformazioni nei punti evidenziati in rosso risultano

essere di circa 2.5 decimi di millimetro, dunque tollerabile. Il buon risultato trovato figlio di un

ritiro abbastanza uniforme durante la fase di mantenimento ed in generale dellottimizzazione

generale del processo di stampaggio.

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CONCLUSIONI

Lesercitazione ha permesso di progettare ed ottimizzare il processo di stampaggio ad iniezione di

un componente reale. Contemporaneamente si sono scoperte le potenzialit e limportanza delle

simulazioni di processo grazie al software VISIFlow: infatti indubbio il vantaggio in termini di

tempo e denaro che fornisce la simulazione rispetto ad una serie ripetuta di prove sperimentali.

I risultati cos ottenuti dal software sono stati esaminati attentamente e con spirito critico al fine di

ottenere una ottimizzazione del processo di stampaggio.

Non poche sono state le difficolt incontrate durante lesercitazione.

In fase di modellazione si risolto il problema dellassegnazione degli spessori; questa viene

effettuata in automatico dal software con risultati non sempre conformi alloriginale CAD 3D ed, in

conseguenza di ci, si provveduto a modificare manualmente il valore degli spessori in gran parte

del componente.

In fase di riempimento si risolto il problema fondamentale di scelta del punto di iniezione. Si

considerato un unico punto selezionato sul piano di separazione al fine di sfruttare le simmetrie del

pezzo, di rendere il flusso pi bilanciato possibile e di minimizzare difetti quali giunzioni e bolle

daria.

In generale, a causa dellinesperienza, risultata problematica la scelta ottimale dei parametri di

processo. Solo in seguito a numerose prove si giunti alla soluzione ottimale.

Complessivamente il processo di stampaggio realizzato risulta comunque essere valido: il

componente cos realizzato non presenta grossi difetti estetici, quali risucchi o deformazioni, che

possono inficiarne la qualit.