Digital prototype for plastic injection

P�i standardním zp�sobu návrhu výst�iku se uplat�ují hlavn� zkušenosti designéra a konstruktéra formy. Do jaké míry byl návrh výst�iku a formy úsp�šný se uká�e a� po výrob� vst�ikovací formy a po vyst�íknutí zkušebních výlisk�. Toté� platí pro samotné nastavení parametr� vst�ikovacího procesu, které je dáno hlavn� zkušenostmi technologa.

Cena vst�ikovaného dílu je z nejv�tší �ásti dána sumou t�chto cen: cenou vst�ikovací formy, cenou plastu, hmotností výst�iku v�etn� vtok� a délkou vst�ikovacího cyklu. Výše t�chto cen je  zejména ovlivn�na ve fázi designu plastového dílce, konstrukcí vst�ikovací formy a technologické p�ípravy výroby, tj. nastavením technologických podmínek vst�ikovacího procesu. Ve vývoji je fixováno a� 70% celkových náklad� na výrobu, p�i�em� vývojová fáze p�edstavuje pouhých 5% z celkových výrobních náklad�. To je rozhodn� d�vod, pro� v�novat vývojové fázi velkou pozornost. S �ástkou odpovídající 5% výrobních náklad� m��eme ušet�it desítky procent celkových výrobních náklad�.(Obr. 1) Tímto se dostáváme k po�adavku krizových rozpo�t�: Extrémnímu stla�ení výrobních náklad�, které ale nutn� nemusí vést ke sní�ení rentability. Nejprve se podívejme, jak je vývoj a p�íprava výroby rozd�lena v globálním tr�ním prost�edí:

Ve sv�t� globálního tr�ního prost�edí jsou realiza�ní týmy, které �eší design dílu, návrh nástroj� a výrobní technologii od sebe vzdáleny tisíce kilometr� a n�kolik �asových pásem.

Obr. 1: R�st náklad� na uvedení výrobku na trh a vliv jednotlivých etap na r�st náklad�

Pokud tyto týmy (Obr. 2) nemají v rukou exaktní hodnoty popisující design, nástroj a technologii, jejich komunikace m��e být velmi slo�itá a� konfliktní a hlavn� vede k nár�stu po�tu chyb, náklad� a prodlou�ení �asu pro uvedení výrobku na trh.

Obr. 2: Klí�ové týmy realizující vývoj a p�ípravu výroby plastového dílu

Typickým p�íkladem  špatné týmové práce v prost�edí, kde se vyu�ívají nejnov�jší výk�iky v�dy byl Hubble�v vesmírný teleskop. Po té, co byl teleskop dopraven na ob�nou dráhu, se zjistilo, �e snímky, které posílá na Zemi, jsou nad o�ekávání nekvalitní a rozmazané. Primární chyba vznikla odchylkou jedné z �o�ek o 1,3mm. Proto�e na vývoji a výrob� teleskopu se podílely týmy jak v USA tak v Evrop�, odchylka údajn� vznikla v d�sledku rozdílných m�rových soustav, tj. palcové a metrické. Oprava této chyby si vy�ádala �ty�i mise raketoplánu do vesmíru. Náklady na odstran�ní výše uvedené chyby ponecháme na fantazii �tená�e.

Digitální prototyp

Digitální prototyp je spojení slov, v sou�asné dob� sklo�ované ve všech pádech, mající pon�kud mlhavý a všezahrnující význam. Zárove� softwarový vývojá�, který toto sousloví nepou�ije, jakoby dnes neexistoval. Digitální prototyp slovy Wikipedie „umo��uje vývojovému, konstruk�nímu, výrobnímu, prodejnímu a marketingovému odd�lení virtuáln� vytvo�it a zdokonalit výrobek p�ed tím, ne� je fyzicky vyroben. Designé�i, konstrukté�i a výrobci vyu�ívají Digitální prototyp k navrhování, optimalizaci, vyhodnocování a vizualizaci výrobku digitáln� b�hem procesu jeho vývoje. Také pracovníci marketingu vyu�ívají Digitální prototyp k tvorb� fotorealistických obraz� a animací produktu p�ed jeho fyzickým vyrobením. Firmy �asto vyu�ívají Digitálního prototypu s cílem zjednodušit komunikaci mezi jednotlivými odd�leními b�hem vývoje produktu a tím ho dostat rychleji na trh a také zjednodušit jeho další inovace.“

Je to tedy nástroj poskytující propojení vývojových, technologických, výrobních a dokonce reklamních a marketingových tým� daty a hlavn� vizualizacemi a simulacemi, tak jak se výrobek postupn� rodí. Co je ovšem nejd�le�it�jší, vše se d�je ve virtuální realit� výpo�etních stanic, bez pou�ití fyzického materiálu �i stroje. Výrobek je takto vytvo�en jako fotorealistický po�íta�ový model a m��e být nap�. provád�n pr�zkum trhu, zatímco je p�ipravována výroba a design m��e být dynamicky upravován podle po�adavk� zákazníka.

Autodesk v tomto sm�ru nabízí �ešení od um�leckého designu, technického designu, analýz a simulací, vývoje výrobních nástroj� a� po dokonalou filmovou animaci, umo��ující p�edstavit výrobek zákazníkovi. P�íkladem m��e být 3D film Avatar, kde byl pou�it software Autodesk Maya. Vra�me se ale ke vst�ikování plast�.

 Digitální prototyp p�i vst�ikování plast�

Obr. 3: Fáze digitálního prototypu p�i vst�ikování plast�

Jak u� bylo �e�eno v úvodu, na realizaci vst�ikovaného plastového dílu se podílí t�i klí�ové týmy, tj. designé�i, konstrukce a výroba nástroje a výroba, tedy vst�ikování plastového dílu. Reklamu a marketing v tomto �lánku ponecháme stranou. Pokud se týká designu, musíme rozlišovat mezi designem um�leckým a designem technickým. Um�lecký nebo také pr�myslový designer vytvá�í takzvanou zákaznickou stranu výrobku, tedy to, co je na vn�jší stran� výrobku, to co výrobku dává charakteristický tvar, ergonomii, to co výrobek prodává. Um�lecký designér pracuje hlavn� se skicami a voln� tvo�enými plochami. Technický designer se zabývá vnit�ní, nepohledovou stranou výrobku, která musí spl�ovat zejména nároky na montá� a zástavbu vnit�ních mechanických �i elektronických �ástí a pracuje s objemovými prvky, tzv, solidy. Technický design musí spl�ovat technologické po�adavky na ekonomickou vyrobitelnost a environmentální zatí�ení, tak aby vydr�el namáhání prost�edí, ve kterém bude pou�íván. Nap�. jiné nároky jsou na plastovou klávesnici pou�ívanou v kancelá�i a jiné nároky jsou na klávesnici pou�ívanou v pr�myslovém prost�edí. Nástroje pro vytvo�ení modelu designu dílu nebo sestavy díl� zahrnují skupinu software CAD (Computer Aided Design). Pro um�leckého designera Autodesk nabízí modelovací nástroj Alias a pro technického designera Inventor. Díl nebo sestava díl� je vytvo�ena ve form� solidu, tj. objem, který má definovanou zákalní fyzikální vlastnost m�rnou hustotu. Model dílu je vytvo�en parametricky a tvorba jeho geometrie je tedy popsána po jednotlivých krocích kótami ve stromu historie. Strom historie umo��ují zm�ny kterýchkoliv rozm�r� modelu. Skupina díl� je svázána do sestavy. Sestava díl� je popsána montá�ními vazbami a jde-li o pohybovou sestavu, pak je pohyb jednotlivých díl� popsán kinematickými vazbami. M��eme takto vytvo�enou sestavu rozpohybovat a proto�e zadáváme rychlost pohybu a díly jsou vytvo�eny pomocí solid� u kterých známe rozm�ry, objem, m�rnou hustotu a t�išt�, m��eme takto vyšet�it dynamické síly, které p�sobí na jednotlivé díly.

Zde se dostáváme k další �ásti virtuálního prototypu, k analýzám. Softwarové nástroje pro strukturální a technologickou analýzu pat�í do skupiny CAE (Computer Aided Engineering). U vst�ikovaného díl je nezbytná technologická analýza dílu (Obr. 3). Autodesk se v posledních letech velmi intenzivn� zam��il na oblast vst�ikování plast� a vyvíjí Inventor Tooling, který umo��uje velmi jednoduchou analýzu vst�ikovaného dílu. Speciální nástroj pro technologické analýzy je Autodesk Moldflow Adviser - expertní nástroj, ur�ený zejména pro konstruktéry dílu a forem pro rychlou analýzu v postupných fázích návrhu, pop�. pro technology pro ov��ení nastavených procesních parametr� a kalkulaci ceny výst�iku. Tento nástroj m��e b�et na pozadí CAD software a konstruktér m��e v kterékoliv fázi návrhu dílu nebo nástroje provést analýzu. Dostává jednozna�ný výsledek s jednoduchým popisem problému a s mo�ností jeho odstran�ní. Tzn. �e tento expertní nástroj nepot�ebuje hluboké znalosti problematiky vst�ikovacího procesu, reologie a fyziky polymer�. Pracuje na bázi metody kone�ných prvk� a umo��uje výpo�ty pomocí sít� Dual Domain i 3D. (Obr. 4)

Vlajkovou lodí pro technologické analýzy vst�ikování plast� je Autodesk Moldflow Insight - nástroj pro hloubkovou analýzu vst�ikovacího procesu. Poskytuje bezkonkuren�ní generování a editaci sít� kone�ných prvk� a mno�ství �eši��. Nejprve generátory sít� kone�ných prvk� v AMI umo��ují provád�t výpo�ty na síti st�ednicové plochy, na síti dual domain a na síti objemové s vyu�itím prvk� TETRA 4 i TETRA 10. (Obr. 4) Výpo�tové moduly jsou ur�eny pro komplexní analýzu vst�ikovacího procesu v�etn� optimalizace DOE, dvoukomponentního vst�ikování, zást�ik�, analýzy vst�ikování se systémem Dynamic Feed, vst�ikování s technologií GIT, vst�ikování termoset�. Dále je mo�no analyzovat pr�hyb jádra ve form� a zm�nu tlouš�ky st�ny výst�iku a kompletní mechanickou analýzu na síti st�ednicové plochy. Inventor Tooling, Moldflow Adviser i Insight obsahují unikátní databázi polymerních materiál�, kde je uvedeno cca 9000 typ� termoplast� s hodnotami technologických podmínek, reologických vlastností, PVT vlastností, teplotních dat, mechanických dat a hodnot smršt�ní, umo��ujících optimalizaci designu dílu, nástroje a výroby. Databáze Autodesk Moldflow obsahuje také jedine�ná data CRIMS (Correct Residual In-mold Stress) modelu, který do výpo�tu zahrnuje vznik krystalické fáze a její vliv na smršt�ní a také vliv orientace makromolekul na smršt�ní ve sm�ru toku taveniny a kolmo na sm�r taveniny. Hodnoty smršt�ní pro CRIMS model jsou nam��eny v testovací form�.

Obr. 4 Sít� kone�ných prvk� Midplane, Dual Domain, 3D objemová sí�

Hloubková technologická analýza vst�ikovaného dílu umo��uje optimalizovat tvar a hlavn� tlouš�ky st�n dílu. Tato optimalizace má zcela zásadní vliv na hmotnost dílu a tedy spot�ebu materiálu, ale také na délku vst�ikovacího cyklu. �as chlazení není jenom na chlazení formy, ale zejména na tlouš�ce st�ny dílu, proto�e tepelná vodivost plastu je o dva �ády ni�ší ne� tepelná vodivost oceli. Dále technický design dílu významn� ovliv�uje deformaci a smršt�ní dílu po vyhození z formy. Kdy� uvá�íme, �e smršt�ní plastu podle typu a pln�ní se pohybuje od 0,4 do 2,5% (mimo LCP polymery) a u technických díl� jsou b�né tolerance n�kterých rozm�r� ±0,05mm, pak znalost deformace p�ed konstrukcí formy je naprosto nezbytná.

Další �ástí virtuálního prototypu je strukturální analýza dílu. (Obr. 3) Strukturální analýza dílu zahrnuje chování dílu p�i zatí�ení v pracovním prost�edí. Tato analýza vyu�ívá také metody kone�ných prvk�. Jedním se zatí�ení dílu mu�e být dynamické namáhání jestli�e je díl sou�ástí pohybového �et�zce. Dynamické síly pak dostáváme ze sestavy, jak je uvedeno výše.

Díl m��e být dále namáhán vn�jšími silami statickými, dynamickými a teplotn�. Statické výpo�ty m��eme provád�t v Autodesk Inventoru, pro rychlou analýzu designu. Hloubkové výpo�ty s namáháním statickým, dynamickým, teplotním a jejich kombinacemi m��eme provád�t pomocí speciálního nástroje Autodesk Algor. Pro kvalitu výpo�tu je d�le�itý nejenom výpo�tový model ale také kvalita popisu materiálových vlastností. V tomto smyslu nabízí kombinace nástroj� Autodesk Moldflow a Autodesk Algor špi�kové mo�nosti výpo�t�.

V Autodesk Moldflow vypo�ítáme vnit�ní namáhání dílu v podob� reziduálních nap�tí, které mohou ovlivnit další chování plastového dílu p�i zatí�ení. Dále m��eme vypo�ítat nehomogenity vznikající orientací vláknitého plniva, studených spoj�, p�ípadn� lunkr� (vnit�ních dutin vzniklých ve vst�ikovací form� v d�sledku nerovnom�rné tlouš�ky st�n dílu). V�tšinu t�chto vnit�ních namáhání a nehomogenit m��eme p�enést do strukturální analýzy v Autodesk Algor. Po provedení technologické a strukturální analýzy m��e být na základ� získaných výsledk� velmi rychle upraven model technického designu dílu ve sm�ru šipek zp�tné vazby (Obr. 3). Otazníky u zp�tné vazby um�leckého designu (Obr. 3) je nutno chápat jako otázku, zda by m�l technik �i technolog zasahovat invencí pr�myslového designéra, který je hybatelem um�lecké hodnoty a ergonomie výrobku. Od toho jsou schopnosti a dovednosti technického designéra a technologa, aby se p�izp�sobil um�lcov� invenci.

Vá�ení �tená�i, Digitální prototyp vst�ikovaných díl� je velmi rozsáhlé téma. S popisem dalších �ástí digitálního prototypu budeme pokra�ovat v n�které z dalších p�íloh Technologie zpracování plast� v Technickém týdeníku. Další informace naleznete na našich webových stránkách a m��ete se také zú�astnit Autodesk Moldflow workshopu, který se bude konat v polovin� m�síce �íjna. V p�ípad� zájmu napište prosím na naší e-mailovou adresu.

halaska@smartplast.cz