شبیه‌سازی 3D فرایندهای پر کردن
1. شبیه‌سازی فرایندهای قالب
بیش از یک دهه است که برای شبیه‌سازی فرایندهای قالب، از کدهای شبیه‌سازی 3D، استفاده شده است.
بیشتر اجزای قالب مانند سرسیلندرها، هندسه‌ای سه‌بعدی دارند که نمی‌توان آنها را بامدل‌های صفحه‌ایی تشریح کرد.
کمپانی Magmasoft نوعی نرم‌افزار سه‌بعدی را طراحی کرده است که می‌تواند پرشدن، خنک‌‌کاری، جامدشدن و نحوه توزیع در قالب‌های فلزی را آنالیز و بهینه‌سازی کند. طی سال‌های اخیر مدل‌های جدیدی برای پیش‌بینی جریان سیالات غیرنیوتنی، توسعه داده شده‌اند. با این راه‌حل‌ها، امروزه شبیه‌سازی رفتارهای جریان در کناره‌ها برای لاستیک‌ها و پلاستیک‌ها امکان‌پذیر شده است.

2. مقایسه روش 2D/ و 3D
شکل‌های 2 و 3 مقایسه‌ای مستقیم بین تکنیک‌های شبیه‌سازی این دو روش را نشان می‌دهد اثر گرمایی در اتصالات ریب‌ها که باعث بروز «سنک مارک» می‌شود در2D/ نادیده گرفته می‌شود.

شکل 2(a/b ): شبیه­سازی با روش 2D

شکل 3(c/d): شبیه­سازی با روش 3D

IKV مؤسسه‌ای فعال در زمینه پلاستیکی، برای مقایسه2D/ و 3D، روش 3D جریان را در هندسه‌های بحرانی با استفاده از مانیتورینگ سریع، آنالیز کرده است، شکل 4، زمان پرشدن بر حسب جریان، در سطح یک قطعه برای هر دو روش شبیه‌سازی مقایسه شده است.
زمانی که پلاستیک به داخل «کویته» تزریق می‌شود، فوران سیال رخ می‌دهد که این اثر، تنها از طریق روش سه‌بعدی با کد Magmasoft قابل‌بررسی است.

شکل 4: نتایج تجربی بررسی جریان در سطح قطعه توسط هر دو روش 3D و 2D اثرات فورانی تنها توسط مدل‌های 3D قابل آنالیز هستند.

Sigmasoft ابزار شبیه‌سازی جدید با عناصر حجمی
مزایای شبیه‌سازی روش سه‌بعدی، باعث تأسیس Sigma Engineering GMLH شده است. هدف Sigma رشد و توزیع نرم‌افزار شبیه‌سازی 3D برای بهینه‌سازی قالب‌های تزریقی پلاستیک و لاستیک است.
Sigmasoft مبتنی‌بر Magmasoft بوده و بیش از یک دهه برای کاربردهای صنعتی به‌کار گرفته شده است.
الف- ورودی ابعاد هندسی و مشبک‌سازی قطعه
Sigmasoft می‌تواند هر نوع مدل جامد سه بعدی تولید شده توسط نرم‌افزارهای CAD نظیر Pro/Engineer ، Unigraphics، Catia و غیره را به‌عنوان ورودی بپذیرد. راهگاه‌ها نیز در Sigmasoft مدل‌سازی شده و به هندسه قطعه اضافه می‌شوند. «مش‌بندی» به‌طور کاملاً خودکار انجام شده و تنها چند ثانیه زمان می‌برد. این مش‌بندی شامل قطعه و قالب با تمام کانال‌های حرارتی می‌شود.

ب- جریان در 3D
برای حل پدیده جریان سیال، Sigmasoft از معادله Navier – Stoks استفاده می‌کند. در این روش، اثرات سینتیکی نظیر فوران سیال نیز درنظر گرفته می‌شوند. شکل 5 رفتار پر شدن را بر پایه هندسه شیارها نشان می‌دهد. جریان اصلی تا پشت اولین شیار جریان می‌یابد تا زمانی‌که فشار ثانویه اعمال شود. سپس شیار شروع به پرشدن می‌کند. دیگر شیارها نیز به‌همین‌ترتیب پر می‌شوند. در همین شکل، یک نمای نزدیک، سرعت نامتقارن جریان را در انتهای شیار نشان می‌دهد.

شکل 5: اثرات جریان 3D در یک شیار

شبیه‌سازی مراحل پرکردن و پخت در قطعات پلاستیکی
قطعات لاستیکی، اغلب هندسه‌ای با دیواره‌های ضخیم دارند. قطعه نشان داده شده در شکل 6، دارای ضخامت دیواره‌ای بین 1 تا 20 میلی‌متر است. شبیه‌سازی سه‌بعدی تنها راهی است که به‌طوری مناسب جریان سیال و پدیده حرارتی این قطعات را پیش‌بینی می‌کند. برای این قطعه، مکان‌های گیت مختلفی آنالیز شده است. مکان گیت اصلی باعث به تله‌افتادن هوا در بخش‌های دیواره ضخیم آن می‌شد. بخش‌های A و B شکل 7 را ببینید. بخش‌های C و D شکل 7، جریانی را نشان می‌دهند که از گیتی دیگر استفاده کرده است. در هر دو مورد، حرکت سطحی آزاد و گرادیانت حرارتی بالا بر ضخامت دیواره، قابل‌مشاهده است. سیگماسافت، دما، سرعت، فشار و سرعت پخت را به‌عنوان تابعی از زمان محاسبه می‌کند.

شکل 6: قطعه‌ای لاستیکی با ضخامت دیواره بین 1 و 20 میلی‌متر

شکل 7

الف- تأیید نتایج
نتایج حاصله با همکاری شرکت‌های مختلف نظیر Phoenix، Bosch و BTR تأیید و صحه‌گذاری شده‌اند. بخش‌های A و C شکل 8 مقایسه‌ای مستقیم بین قطعه شبیه‌سازی شده و قطعه واقعی در مراحل مختلفی از پر شدن را برای یک قطعه آب‌بندی، نشان می‌دهند. بخش‌های A و B شکل 9 همان قطعه را با مکان گیت اصلاح شده، نشان می‌دهند. هر دو مورد، شبیه‌سازی انجام شده با نتایج تجربی، همخوانی دارند.

شکل 8: مقایسه بین نتایج تجربی و شبیه‌سازی برای یک قطعه آببندی لاستیکی

شکل 9: مقایسه نتایج تجربی و شبیه‌سازی برای یک قطعه آببندی لاستیکی همراه با اصلاح گیت

گرچه به‌نظر می‌رسد که این هندسه با روش متداول 2D/ مطابقت دارد، اما نگاهی نزدیک‌تر به نتایج، نیاز به روش حجمی سه بعدی را تأیید می‌کند. شکل 10 نمایی نزدیک از شبیه‌سازی نشان داده شده در شکل 9 را نمایش می‌دهد.

شکل 10: اثرات فوران در قطعه آببندی نشان داده شده شکل 9 که ممکن است باعث به تله‌افتادن هوا شوند

شکل 11 و 12: مقایسه مستقیم بین نتایج تجربی و شبیه‌سازی

ب- قطعات دارای ملحقات فلزی
شکل 13، داده‌های pro/ Engineer Cad یک سیستم ارتعاشی را نشان می‌دهد که شامل قطعات الحاقی متعددی است. در پردازشگر Sigmasoft خصوصیات فیزیکی – گرمایی مواد مختلفی که درگیر هستند، تعریف می‌شوند. قطعات اتصالی آلومینیمی در مقایسه با قطعات استیل، هدایت حرارتی متفاوتی دارند. با استفاده از سیستم «مش‌بندی» تمام اتوماتیک، شبیه‌سازی می‌تواند طی چند دقیقه شروع شود. شکل 13، نمایی از مراحل پر شدن قالب و توزیع محلی جریان را نشان می‌دهد.

شکل 13

پ- توزیع دمایی در قالب
شکل 14، برشی عرضی از یک قالب حرارت داده شده را نمایش می‌دهد. ترامه‌ها، توزیع دمایی غیریکنواخت را در قالب نشان می‌دهند. قطعاتی که به کانال‌های حرارتی نزدیک‌ترند، داغ‌ترند و مجدداً رفتار پخت موضعی را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد. استفاده از عملکرد چندسیکلی در Sigmasoft، دمای واقعی قالب پس از یک مدت تولیدی مشخص می‌تواند آنالیزه شده و زمان‌های دوره‌ای بهینه‌سازی شود.

شکل 14: توزیع دمایی موضعی در یک قالب که اثرات کانال‌های حرارتی بر روی آن قابل مشاهده است

ت- برقراری تعادل در سیستم‌های راهگاه‌ها
Sigmasoft اثرات پراکندگی موضعی را نیز درنظر می‌گیرد. این اثرات موضعی توجیهی برای این نکته‌اند که راهگاه‌های جانبی، طی پرشدن غیرمتقارن در قالب‌های چند کویته‌ای، سریعتر پر خواهند شد، حتی اگر سیستم راهگاه متقارن به‌نظر آید. شکل 15 یک سیستم راهگاه را از نزدیک نشان می‌دهد. زمانی‌که لاستیک به محل اتصال می‌رسد، سرعت برشی موضعی در سطح، بالاترین حد خود را دارد. در نتیجه راهگاه‌های جانبی سریعتر پر خواهند شد. نمونه‌ای زنده توسط Hanse Technology GmbH تهیه شده است که قسمتی از phoenix آلمان برای صحه‌گذاری نتایج شبیه‌سازی است. (شکل 16 را ببینید). در Sigmasoft یک سطح آدیاباتیک برای بررسی صفحات متقارن به‌کار برده شده است. قالب واقعی، 16 کویته دارد که در مدل، تنها 4 کویته نشان داده شده‌اند. به‌علت اثرات یاد شده فوق، الگوی پر شدن متقارن نیست. کویته بالا سمت راست، قبل از دیگر کویته‌ها پر می‌شود. این امر به‌روشنی در توزیع فشار، قابل‌مشاهده است. به‌محض اتمام پر شدن این کویته، فشار افزایش می‌یابد. این نتیجه، توسط Phoenix نیز تصدیق شده است.

شکل 15: موازنه سیستم‌های راهگاه‌ها، پر شدن نامتقارن

شکل 16

ث- فشار هوا در کویته
Sigmasoft امکان محاسبه فشار هوای درون کویته را در پردازشگر فراهم ساخته است. شکل 17 نمایی از قطعه‌ای را نشان می‌دهد که با استفاده از گزینه خروج هوا پر شده است. تصویر X-Ray مناطقی را نشان می‌دهد که فشار به یک ماکزیمم طی پرشدن کویته می‌رسد. این نواحی مستعد به تله‌انداختن هوا هستند.

شکل 17: فشار هوای حداکثری در کویته، مناطقی را مشخص می‌سازد که برای به تله‌افتادن هوا محتمل‌تر هستند

خلاصه
نتایج اولیه شبیه‌سازی 3D جریان، مزایای روش شبیه‌سازی 3D جدید را نشان داده است که عبارتنداز:
- هیچ‌گونه هزینه اضافی برای تهیه مدل در بخش‌های دیواره‌ای ضخیم در برندارد
- پدیده 3D جریان سیال با استفاده از روش صحیح فیزیکی محاسبه می‌شود
- محاسبات کاملاً به‌هم پیوسته جریان سیال و دمایی برای قطعه و قالب، امکان‌پذیر است
- برقراری تعادل در سیستم‌های راهگاه‌ها موردتأیید است
- فشار هوا به‌عنوان تابعی از شرایط خروج آن محاسبه می‌شود
- کانال‌های حرارتی، مدل‌سازی می‌شوند
- تفاوت‌ها در دماهای موضعی قالب بر شرایط پخت و جریان موضعی اثر می‌گذارد
- ضریب «اسکورچ» و سرعت پخت برای قطعات با دیواره‌های ضخیم، قابل محاسبه است
- خواص مواد قطعات الحاقط قالب در نظر گرفته می‌شود
مدل‌های 2D/ گرچه کاربردهایی در صنعت پیدا کرده‌اند، اما محدودیت ذاتی این روش به روشنی نشان داده شده است. لذا بدون استفاده از یک مدل 3D واقعی، نتایج حاصله رضایت‌بخش نخواهد بود. این روش به اجبار شرایط طی سال‌ها در صنعت قالبسازی توسعه داده شده و به‌کار گرفته می‌شد. بر مبنای تجربیات به‌دست آمده Sigmasoft توانایی ارزیابی اثرات تغییرات طرح و پارامترهای فرایند در 3D را به طراح و سازنده ارائه می‌دهد.
اگر واقعیات موردنظر در روش 3D دیده می‌شود، پاسخ را نیز باید در خود آن جست‌وجو کرد.

منابع:
1. Bogensperger, H.; Durchblick – Erfahrungen mit Spritzgieک-Simula-tionen. Kunststoffe 85 (1995) 1, S. 44 ff.
2. Filz, P.F., Genoske, H.; Simulieren statt Probieren. Kunststoffe 88 (1998), S. 954 ff.
3. Michaeli, W., Findeisen, H., Gossel, T., Klein, T.; 2,5D und 3D im Vergleich – Spritzgieکsimulation auf dem Prüfstand. Kunststoffe 87 (1997), S. 462 ff.
4. Michaeli, W., Zachert, J.; Simulation and Analysis of Three-Dimensional Polymer Flow in Injection Molding. SPE-AN-TEC, Toronto/Canada 1997.
5. Altmann, O., Wirth, H. J.; 3D-CAE-Rheologie über 3D-CAD-Volumen-Modelle. Kunststoffe 87 (1997) 11, S. 1670 ff.
6. Van der Lelij, A.; J. 3D ist genauer als 2D. Kunststoffe 87 (1997) 1, S. 51 ff.
7. Kallien, L. H., Smith, R.L.; Optimierung eines Druckgieکteiles durch nume-rische Simulation der Formfüllung und der Erstarrung, Gieکerei Erfahrungsaustausch (1994) 7.
8. Flender, E., Kallien, L., Hepp, E.; H. New developments for process modeling of the thixotropic forming process. Mangnesium Konfe-renz der Deutschen Gesellschaft für Metallkunde, Wolfsburg 1998.
9. Lipinski D. M., Flender, E.; Numerical simulation of fluid flow and heat transfer phenomena for semi- solid processing of complex castings, 5th International of Alloys and Composites, Golden, USA, 1998.
10. Lothar H. Kallien; 3D Simulation fro Rubber Injection Moulding, Sigma Engineering GmbH, Germany.