Development and preparation of the production of plastic parts with the help of advanced simulations

Úvod

Plastové díly jsou naprosto b�nou sou�ástí mnoha výrobk�, od automobil� p�es spot�ební elektroniku po léka�ská za�ízení. Vývoj t�chto díl� však není snadný, proto�e se musí brát v úvahu mnoho faktor�, jako jsou materiály, design, funk�ní po�adavky a výrobní procesy.

Proto�e simulace a optimalizace dnes neznamenají jen podp�rné procesy p�i konstruování výrobku a p�i p�íprav� jeho výroby (nap�. simulace procesu vst�ikování do formy), budeme se v tomto �lánku v�novat celkovému workflow zajiš�ující na výstupu výrobek optimalizovaný z pohledu technických parametr�, jakosti, ceny a dnes i ekologické zát�e.

V tomto �lánku se zam��íme na význam CAE simulací pro vývoj plastových díl� a jak mohou pomoci zlepšit jejich kvalitu, sní�it náklady a urychlit výrobu.

1. Návrh a konstrukce dílu

Jestli�e v minulosti návrh dílu p�edstavoval proces, na jejím� konci ale zárove� v jakémsi st�edobodu byl výrobní výkres, v lepším p�ípad� 3D geometrický model, dnes zaznamenáváme posun sm�rem ke komplexn�jšímu digitálnímu modelu, chcete-li dvoj�eti p�ipravovaného výrobku. Ve fázi konceptu a konstrukce je asi nejvýznamn�jším posunem p�ístup Simulation-driven Design, který konstruktérovi dává do ruky nástroje, které mu umo��ují navrhovat díly rovnou na základ� fyzikálních po�adavk� – nap�. silového namáhání. Jedná se o nástroje pro generativní design, topologické, topografické, tvarové, rozm�rové a parametrické optimalizace. Tak�e po�adovaný plastový díl bude mít s ohledem na po�adavky provozu optimáln� navr�ené proporce, rozm�ry, �ebrování, výztuhy a podobn�.

V raných stádiích vývoje je t�eba rozhodnout i o výrobní technologii a jí od za�átku p�izp�sobovat konstruk�ní �ešení. Zde se výše uvedený p�ístup vývoje za pomocí simulací napl�uje ve svém úplném názvu – Simulation-driven Design for Manufacturing. Ten dopl�uje podporu konstrukce o ov��ování vyrobitelnosti a provádí p�edb�né simulace výrobního procesu s cílem odhalit místa, ve kterých mohou vznikat výrobní vady. Pro oblast plast� je k dispozici podpora vst�ikování plast� a PU p�ny, a dále protla�ování polymer�. Spole�nost Altair podporuje Simulation-driven Design produktovou rodinou Altair Inspire.

2. Simulace

Historicky vznikly po�íta�ové simulace ve vývoji výrobk� jako náhrada fyzických test� ve zkušebn� v rámci ov��ování. Dnes jsou simulace integrální sou�ástí vývojového procesu po�ínaje koncep�ní fází popsanou v p�edchozí kapitole. Pokro�ilé simulace, zejména multi-fyzikální nebo vice-kriteriální optimalizace ale stále z�stávají doménou výpo�tá��-specialist�, kte�í se do vývoje v jednotlivých iteracích zapojují. Z pokro�ilých simulací týkajících se plastových díl� vzpome�me nap�. virtuální pádové zkoušky (drop-testy) nap�. pro spot�ební elektroniku, výpo�ty únavy a �ivotnosti, termální �i fluidní analýzy pro potrubní systémy nebo simulace EM polí p�i vývoji antén a jejich zakrytování. Proto�e �ada plastových díl� je vystavena i významnému mechanickému namáhání, p�icházejí v úvahu i strukturální analýzy kompozitních materiál�, kde vstupem jsou výsledky výrobní simulace ur�ující orientaci výstu�ných vláken. Specifickou disciplínou je pak návrh vrstvených kompozitových struktur (laminát�), kde lze materiál modelovat na úrovni vláken a matrice, na úrovni jednotlivých vrstev a jako homogenizovaný na úrovni celého dílu. Funkcionalitu pro pokro�ilé multi-fyzikální simulace naleznete v prost�edí Altair HyperWorks s �eši�i OptiStruct, Radioss, AcuSolve, Feko a dalšími.

Za p�edpokladu, �e jsme v p�edchozích krocích zajistili podmínky vyrobitelnosti plastového dílu, lze „zmrazený", design dílu pou�ít pro komplexní a detailní analýzu technologických (výrobních) parametr� a kontrolu p�edpokládané kvality dílu. Program CADMOULD také ov��í, p�ípadn� navrhne, vhodnou polohu a po�et vtok� i jejich správné dimenzování. Dále uká�e problematická místa z hlediska pln�ní, odvodu tepla z povrchu tvarové dutiny i p�edpokládané kvality dílu.

3. Optimalizace

U návrhu díl� vyvíjených pro hromadnou nebo velkosériovou výrobu se vyplatí konstruk�ní �ešení co nejvíce optimalizovat – zajistit co nejvyšší kvalitu dílu, ale ušet�it na hmotnosti a výrobních nákladech. P�icházejí ke slovu pokro�ilejší varianty strukturálních optimalizací zmi�ovaných u koncep�ního vývoje (topologické, topografické, tvarové, rozm�rové, parametrické) ale i další. Bez zajímavosti není, �e s topologickými optimalizacemi se setkáváme ji� i u fluidních úloh (CFD). Specifické jsou op�t laminátové kompozity, u kterých optimalizujeme tlouš�ky vrstev, sm�r vláken, materiály jednotlivých vrstev a po�adí vrstev, aby vyvíjený díl m�l dostate�nou pevnost, ale i po�adovanou tuhost. Tento typ optimalizací naleznete zejména v nástroji Altair OptiStruct.

Nejpokro�ilejšími optimalizacemi ve vývoji jsou multi-fyzikální a multi-kriteriální, kdy se sna�íme najít ideální kompromis všech sledovaných parametr� – geometrických, fyzikálních i dalších. Anebo zjistit citlivost výstup� na jednotlivé vstupní parametry (DOE studie). Tyto výpo�ty fungují v re�ii nad�azeného �eši�e (Altair HyperStudy), který podle pokro�ilých algoritm� vytipovává kombinace vstupních parametr�, volá pro jednotlivé fyziky p�íslušné �eši�e a výsledky vyhodnocuje. Výhodou je, �e lze zapojit r�zné �eši�e r�zných výrobc�. Takto sestavené optimaliza�ní výpo�ty p�edstavují vysoký po�et b�h� a jsou tedy náro�né na �as pota�mo výpo�etní výkon. Proto nov� do algoritm� vstupují technologie strojového u�ení pro �ádov� rychlejší predikci výsledk�.

Pozadu nez�stávají optimalizace výrobního procesu. Nej�ast�ji se provádí hledání nejlepších technologických parametr� s ohledem na po�adovanou kvalitu dílu. Dále jsou provád�ny optimalizace konstrukce dílu a formy za ú�elem dosa�ení stanovené kvality vyráb�ného dílu, spot�ebu materiálu a energie a tím i cenu dílu. Pro tyto ú�ely se vyu�ívá unikátní systém i od spole�nosti Simcon.

Po získání optimalizované konstrukce dílu z hlediska designu, mechanických a fyzikálních vlastností je nutné pov��it tento stav s ohledem na konstrukci formy, výrobu samotného dílu, a p�edevším na výslednou kvalitu vyrobeného dílu. Pomocí unikátního systému VARIMOS zjistíme pot�ebné nastavení technologických parametr� pro dosa�ení po�adované kvality dílu a dodr�ení technologických a ekonomických po�adavk�.

4. Konstrukce a výroba formy 

Pokud jsme v p�edchozích krocích vynechali návrh a kontrolu vtokového systému a jeho dimenzování, musíme jej navrhnout a ov��it nyní. Stejn� jako tempera�ní systém a ov��ení kvality dílu. Jestli nám výsledky simulací v programu CADMOULD uká�í n�jaká problematická místa nebo p�ímo nedostatky v konstrukci dílu �i formy, je vhodné všechny problémy opravit ješt� p�ed zahájením výroby formy. Ušet�íte tím �as i náklady za pozd�jší úpravy formy. Pro snazší a rychlejší odstran�ní problém� se vyplatí pou�ít systém VARIMOS, který v krátkém �ase doporu�í vhodné úpravy konstrukce dílu nebo formy a také nastavení technologických parametr� s ohledem na po�adovanou kvalitu dílu a dodr�ení vámi definovaných technologických a ekonomických po�adavk�. Systém VARIMOS rychle nalezne technologické okno, ve kterém je mo�né vyráb�t díl v po�adované kvalit�. Dále uká�e citlivost technologických a konstruk�ních parametr� a vn�jších vliv� na kvalitu dílu a pom��e zajistit robustnost a stabilitu výrobního procesu.

Teplotní management formy je mo�né ov��it také pomocí CFD simulací, konkrétn� pomocí Altair HyperWorks CFD se solverem AcuSolve, který umí, stejn� jako CADMOULD, ukázat pr�b�h a vliv oh�evu a chlazení formy na kvalitu dílu.

Po odstran�ní všech problém� v konstrukci dílu nebo formy, zajišt�ní správného pln�ní dílu a po�adované kvality dílu je mo�né p�istoupit k výrob� vst�ikovací formy. P�esnost vyrobené formy a tvarové dutiny m��eme zkontrolovat pomocí optického m��ení a vyhodnotiti m��ícím softwarem od spole�nosti VG Studio MAX. S jeho pomocí a p�i vyu�ití CT technologie m��eme prov��it i vnit�ní strukturu jednotlivých �ástí formy a provedení vtokového a tempera�ního systému.

Pokud chceme vyráb�t malé mno�ství díl�, není t�eba vyráb�t plnohodnotnou „�eleznou“ formu, ale je mo�né vyu�ít n�kterou z rapid prototyping technologií (3D tisk díl�, technologii vakuového lití, …) nebo 3D tisk tvarových vlo�ek. Plastových i kovových. Pro simulaci aditivního výrobního procesu je vhodný Altair Inspire Print3D.

5. Vzorkování 

Vzorkování slou�í k ov��ení funkce formy, nalezení vhodných technologických parametr� a zajišt�ní výroby dílu v po�adované kvalit�. Pro zkrácení doby vzorkování a sní�ení náklad� na vzorkování je mo�né vyu�ít doporu�ených technologických parametr� získaných ze simulací nebo optimalizací. N�které vst�ikolisy jsou propojeny se simula�ním softwarem CADMOULD a optimaliza�ním systémem VARIMOS a proto je mo�né získaná doporu�ená nastavení p�enést do t�chto vst�ikolis� automaticky a zajistit jejich vyu�ití pro první zkoušení formy.

Jestli�e chceme mít náklady a �asovou náro�nost vzorkování zcela pod kontrolou, vyu�ijeme mo�ností a funkcí systému VARIMOS Real. Díky n�mu získáme p�esný plán vzorkování a také jasn� daný �as obsazenosti lisu.

Kvalita vyrobených díl� se dnes nej�ast�ji kontroluje pomocí optického m��ení. V p�ípad� dílu se zálisky se vyu�ívá CT technologie. Pro vyhodnocení zm��ené vn�jší i vnit�ní kvality vyrobených díl� m��eme pou�ít m��ící software VG STUDIO MAX. 

6. Sériová kontrola

Po schválení kvality vyrobených vzork� lze p�ejít k sériové výrob�. Její podoba a náro�nost se odvíjí od po�adavk� na kontrolu kvality vyrobených díl�. Lze provád�t nahodilou kontrolu kvality vyráb�ného dílu, ale je také mo�né mít 100% kontrolu nad sériovou výrobou. S vyu�itím informací ze vst�ikolisu a p�ípadn� senzor� teploty a tlaku umíst�ných ve form�, je mo�né dosáhnout �ízené a 100 % kontrolované sériové výroby. Po zapojení automatické kontroly kvality dílu je mo�ná i 100% kontrola všech vyrobených díl� a jejich okam�ité t�íd�ní podle výsledk� zm��ené kvality. Vše zále�í na po�adavcích zákazníka a vybavení lisovny.

Záv�r 

Simula�ní a optimaliza�ní technologie dnes významn� p�ispívají ke zvyšování kvality plastových díl� p�i udr�ení náklad� v pot�ebných mezích. Da�í se vylepšovat funk�ní a výkonové parametry výrobk�, zajistit vyšší kvalitu dílu ji� p�i prvním vzorkování i minimalizovat po�et korek�ních smy�ek. Celkov� pomohou zkrátit a zlevnit jak vývoj, tak výrobu, �ím� si zajiš�ují návratnost investovaného úsilí a prost�edk�.

Na první pohled je celý proces návrhu a p�ípravy výroby komplikovaný, ale p�i vyu�ití vhodných a vzájemn� provázaných nástroj� lze tento proces snadn�ji nasadit do praxe.

Správn� nastavený a vyu�ívaný digitalizovaný proces vývoje a výroby plastového dílu je u�ivatelsky p�ív�tiv�jší a usnad�uje práci. �innosti, které se b�hem vývoje a výroby plastového b�n� provád�jí n�kolikrát, jsou p�i vyu�ití digitalizovaného procesu provád�ny pouze jednou. Z praxe víme, �e doba vývoje dílu se mírn� prodlou�í. Také náklady na vývojovou fázi mírn� vzrostou. Ale zna�n� se sní�í po�et korek�ních smy�ek vyrobené formy. Tím se celková doba vývoje a výroby plastového dílu významn� zkrátí a také odpadnou vysoké náklady na korek�ní smy�ky, resp. úpravy, formy. Pokud k t�mto p�ínos�m a výhodám p�idáme ješt� i dosa�enou kratší dobu výrobního cyklu, ni�ší spot�ebu materiálu a energie, tak celkové náklady na vývoj a výrobu plastového dílu budou výrazn� ni�ší a produkt se na trh dostane mnohem d�íve.

Proto�e zmi�ovaní výrobci simula�ních technologií Altair Engineering Inc. a Simcon Kunststofftechnische Software GmbH spolupracují v rámci tzv. Altair Partner Alliance, lze zmín�ná �ešení po�ídit pod jednou licencí bez navýšení náklad�.