mercoledì 13 gennaio 2021

fiber flow coupled

 

Accuratezza della previsione dell'orientamento delle fibre utilizzando nuovi modelli IISO in Moldex3D

Chao-Tsai Huang, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e dei Materiali, Tamkang University, Taipei.

Grazie alle sue eccellenti proprietà, il materiale plastico rinforzato con fibre (FRP) è stato applicato in vari settori come una delle principali tecnologie di alleggerimento della parte stampata (Lightweighting Process), in particolare per i prodotti automobilistici o aerospaziali.

Tuttavia, poiché le microstrutture di fibre all'interno della matrice plastica sono molto complesse, non sono facili da visualizzare e gestire in una simulazione. In effetti, il collegamento tra le microstrutture e le proprietà meccaniche del prodotto finale non è di semplice comprensione. Pertanto, negli ultimi anni, il gruppo ingegneristico della Tamkang University (a New Taipei City, Taiwan) ha cercato di correlare le caratteristiche della microstruttura in fibra alla macro-proprietà di un materiale FRP nel processo di stampaggio a iniezione attraverso la simulazione numerica, utilizzando Moldex3D e confrontando i risultati della simulazione con quelli sperimentali.

I risultati hanno mostrato che le proprietà di trazione delle parti iniettate dipendono fortemente dalla distribuzione dell'orientamento della fibra (FOD). Per confermare ulteriormente l'osservazione, sono stati eseguiti una serie di studi di simulazione e verifiche sperimentali, tra cui la previsione dell'orientamento della fibra utilizzando lo strumento CAE e la verifica utilizzando micro-TC.

E’ quindi possibile confermare una certa correlazione tra la caratteristica della microstruttura in fibra e le proprietà fisico/meccaniche per la termoplastica rinforzata con fibre (FRP) nel processo di stampaggio a iniezione.

Nello specifico, si è progettato un sistema di stampaggio a iniezione con tre campioni standard basati su ASTM D638 in cui i campioni hanno gates diversi come mostrato nella fig. 1.

Questo serve per verificare i comportamenti del flusso e fornire ulteriormente diverse funzionalità di distribuzione dell'orientamento della fibra (FOD).

A causa dell'effetto dimensionale, le caratteristiche di restringimento locale e i comportamenti nel modello sono stati analizzati e verificati fianco a fianco dalla simulazione e dagli esperimenti Moldex3D (Fig. 2).

I risultati sono elencati nella tabella 1. La previsione numerica e i risultati degli esperimenti sono molto coerenti.

Fig. 1 Sistema geometrico con tre campioni standard ASTM D638

Fig. 2 Misurazione del restringimento da diverse viste di osservazione

 

 

Tabella 1: Il confronto dei comportamenti puntuali di restringimento di tre diversi campioni sia per la simulazione sia per l'esperimento

 

Gli effetti sulla proprietà meccanica delle parti iniettate sono esposti nella Fig. 3.

Per il PP puro, tre modelli hanno una resistenza alla trazione simile che è di circa 20 N / mm2.

Tuttavia, quando viene applicato materiale FRP, la resistenza alla trazione è stata migliorata in modo significativo. 

Ad esempio, per il Modello I, quando viene introdotta la fibra corta, la resistenza alla trazione è risultata aumentata da 20 N/mm2 a 140 N/mm2.

Una caratteristica simile può essere osservata per il campione del Modello II, in cui la resistenza alla trazione è stata aumentata da 20 N/mm2 a 120 N/mm2.

La resistenza alla trazione del Modello III è stata aumentata da 20 N/mm2 a 40 N/mm2 (PP), il che non è banale, perché l'iniezione a due lati causerebbe linee di saldatura, e quindi zone di fragilità meccanica.

Perché la resistenza della Model I (porta laterale) è superiore a quella del Modello II?

A causa della particolare conformazione del gate, il comportamento asimmetrico del flusso (con vettore di velocità asimmetrica) guiderà la direzione del flusso FOD (distribuzione dell'orientamento della fibra) nel Modello I.

Questo FOD asimmetrico migliorerà ulteriormente la resistenza alla trazione per fornire una migliore proprietà meccanica.

Nel complesso, la previsione della simulazione è risultata altamente coerente con l'osservazione sperimentale.

Fig. 3 Il confronto della resistenza alla trazione tra PP puro e FRP per tre diversi campioni.

Successivamente, abbiamo cercato di individuare la relazione tra le proprietà fisiche delle parti iniettate e le caratteristiche di orientamento della fibra.

In particolare, si voleva sapere quanto fosse accurata la previsione dell'orientamento della fibra della simulazione con Moldex3D.

In precedenza, in assenza di accoppiamento flusso-fibra, la tendenza della variazione di orientamento della fibra sia per la previsione numerica, sia per l'osservazione sperimentale era in buon accordo.

Alcuni casi sono elencati nella fig. 4.

Per maggiori dettagli, fare riferimento all’articolo "Flow induced Orientations of Fibers and Their Influences on Warpage and Mechanical Property in Injection Fiber Reinforced Plastic (FRP) Parts" pubblicato sull'International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (2020/06/30, DOI: 10.1007/s40684-020-00226-2)".

Fig. 4 Il comportamento di orientamento della fibra attraverso la previsione numerica (senza accoppiamento flusso-fibra) e l'osservazione sperimentale per il Modello I: (a) nella regione vicino al cancello (NGR), (b) alla fine della regione di riempimento (EFR).

Sebbene i precedenti risultati dell'orientamento delle fibre per previsione numerica fossero buoni nella tendenza rispetto all'osservazione sperimentale, si sono rilevate alcune differenze.

In particolare, se esaminate, le quantità dei tensori di orientamento di A11 e A22 non sono le stesse sia nella previsione numerica che nell'osservazione sperimentale.

Ci si è chiesti, qual è la ragione principale che causa questa deviazione.

Fortunatamente, il Dr. Anthony Favaloro1 et al. Più tardi, il Dr. Huan-Chang Tseng di Moldex3D e il Dr. Anthony Favaloro1 [2] hanno modificato il modello di viscosità IISO come modello IISO rivisto e implementato questo nuovo modello nel software Moldex3D.

Successivamente, abbiamo utilizzato questo nuovo modello IISO rivisto per condurre l'effetto flow-fiber sulla variazione di orientamento della fibra durante lo stampaggio a iniezione. Alcuni risultati sono presentati nella fig. 5. Chiaramente, in presenza di accoppiamento flusso-fibra, i tensori di orientamento di A11 e A22 sono molto vicini sia per la previsione numerica che per l'osservazione sperimentale. In particolare, questi tre singoli campioni DI ASTM D638 hanno diverse storie di flusso e caratteristiche di orientamento delle fibre, ma la previsione numerica può catturare con precisione con precisione quelle diverse caratteristiche di orientamento della fibra (Fig. 5).


Fig. 5 Comportamento di orientamento della fibra mediante previsione numerica utilizzando Moldex3D e osservazione sperimentale senza e con effetto di accoppiamento flusso-fibra: (a) Modello I all'EFR, (b) Modello II all'EFR.

In conclusione, il nuovo modello IISO di Moldex3D può aiutarci a prevedere al meglio e con precisione l'orientamento delle fibre, problematica molto complessa e risolta egregiamente da Moldex3D.

Se sei interessato ai risultati della ricerca, fai riferimento all’articolo pubblicato su Polymers 2020, 12, 2274; doi:10.3390/polym12102274

Il link è il seguente:

Versione HTML: https://www.mdpi.com/2073-4360/12/10/2274/htm
versione PDF: 
https://www.mdpi.com/2073-4360/12/10/2274/pdf

Nota 1: Anthony Favaloro: Ricercatore presso la Purdue University, West Lafayette, Indiana, Stati Uniti

Riferimento

Favaloro, A.J.; Tseng, H.C.; Tubi, R.B. Un nuovo modello costitutivo viscoso anisotropico e simulazione di stampaggio con materiale composito. Compos. Parte A 2018, 115, 112–122.

Tseng, H.C.; Favaloro, A.J. L'uso di equazione costitutiva isotropa per simulare comportamenti reologici anisotropici con materiale FRP. J. Rheol. 2019, 63, 263–274.

 


venerdì 11 dicembre 2020

YUKKI

 

YUUKI: 

Superare i problemi nello stampaggio nel progetto di un’aspirapolvere (componente del serbatoio ad acqua)

Premessa

Il gruppo di sviluppo prodotto ed industrializzazione ha rilevato problemi di temperatura nell'ugello del canale caldo nello stampo del serbatoio dell'acqua di un’aspirapolvere a iniezione d'acqua, pertanto il materiale all'esterno non è stato solidificato correttamente. Moldex3D è stato utilizzato per indagare la causa ed esplorare possibili soluzioni al problema. Sfruttando la tecnologia di simulazione del raffreddamento 3D CFD di Moldex3D, Yuuki è stata in grado di convalidare il progetto del sistema di raffreddamento conformato e superare il problema di stampaggio, migliorando la percentuale di successo del 99,7%.


Sfide

•Esitazioni nel flusso di riempimento
•Qualità al di sotto delle aspettative
•Tempo di ciclo lungo

Soluzioni

Moldex3D è stato utilizzato per convalidare l'efficacia di un nuovo sistema di raffreddamento conformato, ridurre i tempi di ciclo dello stampaggio e aumentare la percentuale di successo del 99,7%.

Benefici

•Ottenuto il livello di qualità richiesto in sede di progetto
•Tempo di raffreddamento ridotto del 75%
•Percentuale di successo del 99,7%
•Costi di produzione ridotti

Chemnitz University

 

Chemnitz University
Indagine sullo scorrimento di un materiale termoreattivo in fase di riempimento

Il comportamento del flusso dei materiali e l’effetto di stabilizzazione del materiale nel processo di stampaggio a iniezione è una problematica particolarmente complessa che richiede continui approfondimenti. Pertanto, l'esistenza del fenomeno dello slittamento (Slip Effect) del materiale fuso nel contatto con la parete dello stampo è determinata da diversi fattori.
La problematica amplifica la sua complessità negli stampi 2K e 3K, dove le superfici di contatto non sono solo quelle dello stampo, ma si aggiungono quelle della prima (2K), e talvolta della seconda (3K). 
L’utilizzo di materiali diversi e l’eventuale accoppiamento di materiali termoplastici con materiali reattivi complica ulteriormente il processo.
Questo “semplice” progetto dimostra come Moldex3D abbia aiutato uno laureando dell'Università di Tecnologia di Chemnitz a sviluppare un metodo utile per studiare il fenomeno dello slittamento del polimero sulla parete durante la fase di riempimento e come generare una scheda dati del materiale che può essere importata direttamente nel database dei materiali di Moldex3D per simulare il processo di stampaggio a iniezione di materiali termoindurenti con condizioni limite di slittamento sulla parete.


mercoledì 18 novembre 2020

 

Il successo della simulazione del flusso viscoelastico richiede dati reologici affidabili

Il comportamento reologico è una delle proprietà più complesse e importanti nella lavorazione dei polimeri.

Per completare una simulazione di processo di successo, sono necessari dati e modelli affidabili sui materiali.

Il flusso del polimero può essere previsto ragionevolmente bene con l'ipotesi di fluidi anelastici (newtoniani generalizzati) e con i dati del reometro capillare.

Tuttavia, l'analisi anelastica potrebbe non riuscire a descrivere i fenomeni viscoelastici, perché i polimeri sono di natura viscoelastica.

La curva tipica di modulo e viscosità di un polimero amorfo è mostrata in Fig. 1 [1].

 


Fondamentalmente, il comportamento elastico diventa sempre più significativo rispetto al comportamento viscoso al diminuire della temperatura.

Secondo la fisica del polimero, lo stato di un polimero può essere suddiviso in cinque regioni.

(1) regione vetrosa;

(2) transizione vetrosa;

(3) regione gommosa;

(4) flusso viscoelastico;

(5) flusso viscoso.

 

Nella regione viscosa (5) il modello anelastico (o newtoniano generalizzato) è il modello appropriato per simulare il flusso del fluido.

La componente elastica inizia a diventare sempre più importante dalla regione di flusso viscoelastico (4) alla regione “gommosa” (3).

Il materiale si comporta sempre più in modo solido (elastico) dalla transizione vetrosa (2) alla regione vetrosa (1).

Nella fase di riempimento, la temperatura del fuso è solitamente superiore alla temperatura dell'ugello a causa del riscaldamento viscoso; la temperatura scende nella regione del flusso viscoso indicando che possono essere utilizzati modelli anelastici (newtoniani generalizzati).

Nella fase di impaccamento, la temperatura del fuso inizia a raffreddarsi e passa da viscoelastica (4) a gommosa (3), il che indica che il comportamento elastico inizia a svolgere un ruolo cruciale. Dopo la fase di impaccamento, il polimero attraversa la transizione vetrosa nella fase di raffreddamento e raggiunge la regione vetrosa nella fase di espulsione.

 


Fig.1 Modulo e viscosità del polimero amorfo (sono indicate le zone di transizione)

Oltre a un risolutore viscoelastico stabile ed affidabile, sono necessari dati consistenti sui materiali e parametri del modello matematico per completare una simulazione di flusso viscoelastico che abbia validità. In laboratorio sono disponibili diversi tipi di reometro, come un reometro capillare, un reometro rotazionale e un DMA nel laboratorio materiali di CoreTech System Co. (Moldex3D).

 


Fig. 2 (a) Reometri rotazionali inclusi Anton Paar MCR-502 e TA DHR-3; (b) Sentmanat Extensional Rheometer (SER); (c) fissaggio della piastra parallela; (d) fissaggio torsionale della modalità DMA; (e) reometro capillare.

 

In generale, si ritiene che il riempimento nello stampaggio a iniezione abbia un'elevata velocità di taglio e un flusso ad alta temperatura.

Pertanto, il reometro capillare è generalmente lo strumento ideale per caratterizzare il comportamento del flusso.

Tuttavia, ci sono alcune regioni nella cavità, come lo strato centrale o l'area spessa, dove il flusso è inferiore con una velocità di taglio bassa.

Inoltre, la bassa temperatura sarebbe osservata negli strati superficiali esterni, soprattutto nella fase di confezionamento.

Di conseguenza, i dati di viscosità solo dal reometro capillare potrebbero non essere sufficienti per descrivere con precisione l'intero processo.

 

Per estendere l'intervallo tra velocità di taglio e temperatura, vengono utilizzati entrambi il reometro a piastra parallela e capillare.

Inoltre, polimeri fusi con comportamento al taglio simile possono mostrare un comportamento estensionale molto diverso, specialmente per polimeri altamente “ramificati” [2].

Pertanto, il SER è stato utilizzato per ottenere le proprietà reologiche nel campo di flusso estensionale.

 

L'intervallo misurabile del reometro capillare ha una temperatura elevata (intorno alla temperatura di processo) e un'elevata velocità di taglio (10 - 10.000 s-1).

Tuttavia, quando si passa alla fase di impaccamento, la sua velocità di taglio diminuirebbe improvvisamente a meno di 10 s-1 e la temperatura sarebbe inferiore di quella nella fase di riempimento.

 

Nella fase di raffreddamento, la temperatura risulterebbe  inferiore a Tg.

Le finestre di temperatura e velocità di taglio degli stadi sono mostrate in Fig. 3 (a).

Ovviamente, la temperatura e la velocità di taglio delle fasi di impaccamento o raffreddamento sono al di fuori del normale intervallo misurabile del reometro capillare.

Potremmo sfruttare vari strumenti (inclusi reometro rotazionale e DMA) per ottenere dati reologici con velocità di taglio e temperatura inferiori. Gli intervalli misurabili di questi strumenti sono mostrati nella Fig. 3 (b).

 


Fig 3. Finestre di temperatura e velocità di taglio di (a) vari stadi nello stampaggio a iniezione; (b) vari strumenti reologici.

 

Per modellare accuratamente il flusso del polimero sia per le fasi di riempimento che per quelle di impaccamento le cui velocità di taglio sono comprese tra 104 e 10-3 s-1, potremmo integrare i dati del reometro capillare e rotazionale.

Un esempio (polistirolo) è mostrato in Fig.4.

 

La temperatura del polimero nello stampaggio a iniezione può variare dalla temperatura del fuso alla temperatura dello stampo (es. Tmelt ≈ 200 e Tmold ≈ 60 per PS).

Per ottenere dati reologici affidabili, potremmo combinare il reometro rotazionale e il DMA.

La Fig. 5 mostra i moduli dinamici di PS dalla temperatura di fusione (200 ) allo stato vetroso (30 ).



Fig. 4 Viscosità di taglio da reometro capillare e rotazionale.

 

 



 

Fig. 5 Moduli dinamici della curva master sia dal reometro rotazionale che dal DMA

 


Fig.6 viscosità estensionale da SER

 

Il modello viscoelastico potrebbe essere utilizzato per adattare i dati reologici di vari strumenti. L'esempio EPTT è mostrato in Fig. 4-6 come linea continua).

Il modello viene applicato nel risolutore di flusso viscoelastico Moldex3D.

La figura 7 (a) mostra una geometria dello stampo che include la guida e ed il dispositivo di iniezione.

Lo spessore della parte è di 2 mm e la larghezza e la lunghezza sono entrambe di 60 mm.

Per la convalida vengono condotti vari esperimenti di stampaggio a iniezione del polistirolo. Il confronto tra sperimentale e simulazione per varie pressioni di impaccamento è mostrato in Fig. 7 (b).

Si è riscontrato che le simulazioni sono coerenti con le curve sperimentali durante l'intera fase di riempimento e impaccamento tranne il momento immediatamente successivo al cambio V / P, che è fortemente influenzato dalla risposta della macchina. La pressione di picco degli esperimenti situati su V / P è 53,7 ± 0,3 (MPa), che è molto vicina al risultato della simulazione 54,6 (MPa).

 


Fig. 7 (a) geometria dello stampo ad iniezione; (b) curve di pressione nel canale di colata (valori sperimentali e di simulazione).

 

Se esaminiamo i dettagli nel processo di iniezione di Moldex3D, possiamo scoprire che la distribuzione della velocità di taglio durante il riempimento è da circa 2.000 a 7.000 s-1 nel corridore e da 600 a 1.000 s-1 nella cavità, come mostrato in Fig. 8.

Queste velocità di taglio rientrano nell'intervallo del reometro capillare.

La Fig. 9 mostra la distribuzione della velocità di taglio nella fase di imballaggio.

La velocità di taglio è inferiore a 20 s-1 nel corridore e inferiore a 1 s-1 nella cavità, che non rientra nell'intervallo misurabile del reometro capillare.

In altre parole, non solo la temperatura ma anche gli intervalli misurabili della velocità di taglio del reometro capillare non sono sufficientemente ampi da coprire la simulazione di impaccamento.

 


Fig. 8 Distribuzione della velocità di taglio alla fine del riempimento in (a) cavità (b) corridore

 


Fig. 9 Distribuzione della velocità di taglio nella fase di riempimento nella guida (a) della cavità (b).

 

La Fig. 10 mostra la temperatura nella fase di impaccamento.

È inferiore a 180 nello strato del guscio del sistema di alimentazione ed è inferiore a 140 nella cavità.

Ovviamente le temperature sono nuovamente al di fuori del range del reometro capillare.

Inoltre, si trovano nell'intervallo di temperatura dalla regione viscoelastica a quella gommosa, in cui il comportamento elastico gioca un ruolo importante.

Di conseguenza, il reometro rotazionale contribuisce a ottenere una velocità di taglio bassa e dati a bassa temperatura per completare una simulazione di successo, specialmente nella fase di imballaggio.



Fig. 10 Distribuzione della temperatura nella fase di riempimento nella guida (a) cavità (b).

In sintesi, per simulare l'intero processo di stampaggio a iniezione in modo più realistico e accurato, potremmo combinare i vari strumenti per ottenere un'ampia gamma di dati reologici coerenti e consistenti.

Tuttavia, ci vorrà un forte sostegno da parte dei fornitori di materiali per aumentare la disponibilità generale di dati viscoelastici.

 

Riferimenti

1. Shaw, M.T.; MacKnight, W. J. Introduzione alla viscoelasticità dei polimeri; Wiley, 2005.

2. Macosko, C. W. Reologia: principi, misurazioni e applicazioni; Wiley, 1994.

 

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venerdì 30 ottobre 2020

 


WEBINAR DAL VIVO

Migliorare l'accuratezza della simulazione di stampaggio con la caratterizzazione della macchina

Mercoledì, Novembre 11, 2020 10:00 AM

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Cyber-Physical System (CPS) è una tecnologia chiave nel sistema Industria 4.0.

Il concetto CPS nello stampaggio a iniezione identifica l'integrazione di macchine di simulazione di stampaggio e iniezione.

Tuttavia, c'è ancora un divario tra la teoria e i comportamenti effettivi della macchina a causa di molti fattori come l'ingegneria meccanica, il materiale e le prestazioni del controller.

Moldex3D integra condizioni reali del processo per tenere conto, in modo più accurato, delle informazioni cruciali provenienti dal mondo fisico, anche considerando la risposta dinamica della macchina di stampaggio a iniezione, garantendo che le condizioni di elaborazione ottimizzate ottenute dalle simulazioni possano essere applicate direttamente in ambiente di produzione.

Per raggiungere questo obiettivo, Moldex3D mette a disposizione un applicativo per rilevare le curve reali della macchina di stampaggio in fase di produzione, e attraverso la caratterizzazione della macchina di stampaggio (Machine Characterization) ottenere un file data sempre più accurato per una simulazione ottimizzata in Machine Mode Analysis.

Cosa imparerai in questo webinar:

  • ·        Comprendere le lacune tra la simulazione e la produzione nel mondo reale
  • ·         Come acquisire la risposta della macchina nel mondo reale
  • ·         Come importare i dati reali della macchina di stampaggio a iniezione in simulazioni virtuali
  • ·         Come massimizzare il valore dell'unità di dati reali e simulazioni virtuali

Per registraTi clicca qui:

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mercoledì 28 ottobre 2020

circuiti conformati

 

Usare l'analisi 3D CFD per ottenere un progetto ottimizzato per un sistema di raffreddamento di tipo conformato

Oggi ci sono ancora persone che giudicano con scetticismo l’utilizzo di sistemi di raffreddamento conformati (CCS Conformal Cooling Systems), questo a cause delle difficoltà ad analizzare e simulare correttamente il circuito e le sue prestazioni.
La simulazione è un ottimo strumento di validazione, ma questo non è tutto.
È uno strumento potente, ma i risultati si basano ancora sull'input proveniente dagli utenti.
Naturalmente, ci sono strumenti e moduli di ottimizzazione all'interno del software, ma se applicati male quello che si ottenere non è valido: "garbage in garbage out".
Due analisti che eseguono una simulazione di iniezione plastica possono arrivare risultati totalmente diversi se gli input sono diversi o incompleti.
Per un raffreddamento conformato, in particolare, ipotesi errate e la mancanza o incompletezza di fattori importanti, come la capacità di raggiungere la portata necessaria per garantire un flusso turbolento, può comportare un risultato negativo.

Simulazione e Analisi

Un sistema di raffreddamento conformato può aiutare a ridurre al minimo il tempo di ciclo e raggiungere le tolleranze dimensionali richieste dal progetto. Tuttavia, funzionerà come pure la simulazione, se il progettista è in grado di mantenere la portata necessaria attraverso il circuito di raffreddamento conformato.
Un designer che esegue una simulazione del dissipatore di calore (canale di raffreddamento definito solo come fonte di dissipazione di calore), su progetti complessi, non sarà in grado di raccontare la storia completa di ciò che può accadere nello stampo.
Diamo un'occhiata ad alcuni risultati in Fig. 1, che provengono da un'analisi computazionale della fluidodinamica (CFD) che mostra il numero di Reynolds a una portata di circa 2,0 gpm.

Fig. 1 Risultati di un'analisi computazionale della fluidodinamica (CFD) che mostra il numero di Reynolds a una portata di circa 2,0 gpm.
Alcune regioni mostrano un numero di Reynolds superiore a 4200, che indica un flusso turbolento mentre altre regioni mostrano un numero di Reynolds inferiore a 4200, che indica che il flusso in determinate regioni potrebbe non essere necessariamente turbolento, ovvero lavorare in regime laminato.
Questa variazione condizionerà l'efficienza di raffreddamento in tutto il circuito. La velocità ha una correlazione diretta con il numero di Reynolds, quindi se un progettista identifica le regioni a flusso basso / assente può ottimizzare il design del canale di raffreddamento.
La simulazione può anche visualizzare risultati di velocità che indicano regioni a flusso basso / assente (regime laminare) che svolgono meno lavoro e aree potenzialmente stagnanti (turbolenza eccessiva). Si deve tener presente che i fluidi seguono il percorso di minor resistenza, quindi invece di percorrere percorsi casuali e fluire attorno a tutti i fori, il liquido di raffreddamento tenderà a fluire direttamente dal lato di ingresso al lato di uscita.
I progettisti possono utilizzare tali dati per ottimizzare il design in modo da ridurre al minimo le regioni a flusso basso / assente (mostrate in blu scuro tra i fori Fig. 1).
Ad esempio, i progettisti possono provare a compensare i fori per deviare l'acqua attraverso le regioni con un numero di Reynolds basso, che indica regioni a flusso basso / assente.
Nonostante un designer abbia compensato i fori, può rimanere un percorso di minor resistenza.
Tuttavia, la compensazione dei fori può comunque aiutare a ridurre al minimo le regioni a flusso basso / basso, massimizzando il flusso turbolento con una portata valida e raggiungibile.
La domanda ora è "Quanto differiranno i risultati di un'analisi del dissipatore di calore da questi?" Non molto dal punto di vista del calcolo del raffreddamento e in base all'input della portata.
Tuttavia, l'analisi del dissipatore di calore insieme all'analisi dei CFD possono determinare l'efficacia e l'entità del cambiamento.
Anche considerare il dissipatore di calore da solo non funziona bene per l'analisi del canale di raffreddamento conformato, poiché il raffreddamento conformato consiste tipicamente in circuiti di piccolo diametro con lunghezze di flusso lunghe che seguono la geometria delle parti (vedere Fig. 2 e 3). Il diametro, o lo spessore ridotto del design, e i circuiti di lunghezza del flusso maggiore richiedono pressioni più elevate per realizzare una portata sufficiente attraverso il circuito.

Fig. 2 La pressione del refrigerante deriva dallo stesso modello alla stessa portata di 2,0 gpm.

Fig. 3 Un confronto tra i risultati della caduta di pressione tra i metodi di simulazione dell'elemento Beam e 3D mesh.
I risultati della caduta di pressione indicano la pressione di testa necessaria per spingere la portata indicata attraverso i circuiti di raffreddamento.

Requisiti di pressione
Se il numero di Reynolds e la velocità dipendono dalla portata, identificare la pressione richiesta per raggiungere una determinata portata è essenziale per il raggiungimento della portata richiesta, sempre che il tutto sia realistico.
La Fig. 2 mostra i risultati della pressione del refrigerante stesso modello e stessa portata di 2,0 gpm.
Un progettista deve comprendere i requisiti di pressione e la portata minima per ottenere un flusso di corretta turbolenza nel progetto in cui intende avere un buon trasferimento di calore, poiché i fluidi seguono il percorso di minor resistenza.
La Fig. 1 indica che i flussi d'acqua nelle aree in cui il numero di Reynolds è compreso tra 4.000 e 10.000+ e che il flusso turbolento (Re #> 4200) è probabilmente presente nella maggior parte delle regioni.
Tuttavia, per raggiungere questi valori è necessaria una pressione elevata per ottenere un flusso di 2,0 gpm attraverso i circuiti.
I termoregolatori oggi sul mercato possono generare fino a circa 100 PSI, ma 65 PSI potrebbero non essere realizzabili se i fluidi “preferiscono” il percorso di minor resistenza o aree con circuiti meno resistenti come piastre del collettore e piastre del nucleo e della cavità.
Se la portata scende al di sotto di 2,0 gpm, il numero di Reynolds diminuirà, producendo potenzialmente un flusso laminare attraverso il circuito, in altre parole il circuito non è efficiente.
Inoltre, un progettista che semplicemente aumenta la portata al collettore non comporterà una distribuzione lineare del fluido attraverso tutti i circuiti.
I risultati simulati e i risultati effettivi possono differire se un progettista non collega i circuiti di raffreddamento conformati al proprio termoregolatore o se non usano i limitatori di flusso per deviare l'acqua su linee e percorsi specifici.
Se il progettista non riesce a raggiungere la portata necessaria per mantenere il flusso turbolento attraverso un circuito di raffreddamento conformato, può perforare i circuiti convenzionali e ottenere risultati equivalenti o migliori.

E’ una questione di mesh?
Il progettista può ottenere analisi più accurate e affidabili dei progetti di raffreddamento conformi con un'analisi CFD di livello.
Tuttavia, non tutti i sistemi CFD sono uguali.
In un software di simulazione dei processi di iniezione della plastica, i due principali metodi di meshatura per i canali di raffreddamento sono: elementi trave (Beam) ed elementi True 3D .
Gli elementi beam possono determinare il numero di Reynolds, l'aumento / la diminuzione della temperatura in tutto lo stampo e la distribuzione del flusso, ma non sono così accurati come gli elementi mesh True 3D quando prevedono la caduta di pressione. Gli elementi beam hanno anche difficoltà a catturare le geometrie complesse e richiedono la modellazione come volume relativo.
Tuttavia, gli elementi beam producono tempi di simulazione più rapidi rispetto a ad un sistema di meshatura True 3D.
La Fig. 3 confronta i risultati della caduta di pressione tra i metodi di simulazione con elementi beam e il caso di una mesh True 3D.
I risultati della caduta di pressione indicano la pressione di testa necessaria per spingere alla portata indicata attraverso i circuiti di raffreddamento.
Sebbene il rapporto tra i requisiti di pressione da un circuito all'altro sia simile, la simulazione con elementi beam indica una pressione del 25-50% in meno richiesta per i circuiti complessi e la tendenza ad esacerbare la pressione con un complesso design di raffreddamento conforme.
I risultati della caduta di pressione da soli possono portare a considerazioni sbagliate e a dimensionare in modo non corretto il sistema di termoregolazione, con il risultato di ottenere un flusso insufficiente attraverso circuiti più stretti.
Ad esempio, circuiti di raffreddamento conformati che creano un progetto bello ma inefficace.

Come dimostrarlo

Per determinare se gli elementi mesh True 3D catturano una previsione di caduta di pressione più precisa rispetto agli elementi beam, Kevin Klotz di MGS Mfg. Group ha condotto un test per convalidare le previsioni di pressione (vedere Fig. 4).

Fig. 4 MGS Mfg. Group ha utilizzato questa apparecchiatura di prova per convalidare le indicazioni di pressione: (1) un inserto conformato raffreddato DMLS, (2) un insieme di gorgogliatori stampati in 3D, (3-4) tubi trasparenti con lunghezza e diametri diversi, manometri e flussometri collegati a una pompa di trasferimento dell'acqua e il serbatoio dell'acqua.
L'apparato è stato modellato in CREO e tarato per confrontarsi con la simulazione.
Lo stesso modello è stato inviato al Dr. Jeet Sengupta della Hoerbiger Corporation of America per eseguire un'analisi CFD tramite ANSYS CFX e Moldex3D per simulare utilizzando la mesh true 3D di strato limite (ambiente di meshatura BLM Boundary Layer Mesh). ”
Entrambi gli strumenti software utilizzano i valori di portata registrati in ciascun circuito e il valore di portata combinato di 6,5 gpm come input dalla pompa per registrare le pressioni nelle posizioni di ingresso, uscita e manometro.
La Fig. 5 mostra i risultati dell'analisi CFD e 3D BLM.
Usando quest'ultimo, il progettista ha modellato i tubi di entrata e di uscita direttamente invece che curvi, poiché il software richiede che gli ingressi e le uscite della sorgente di fluido siano perpendicolari alla faccia dello stampo.


Fig. 5 Risultati di un'analisi CFD e 3D BLM per la mesh del modello.
Usando quest'ultimo, il progettista ha modellato i tubi di ingresso e uscita in modo dritto anziché curvo, poiché il software richiede che gli ingressi e le uscite della fonte di fluido siano perpendicolari alla faccia dello stampo.
I risultati di pressione di entrambi gli strumenti software sono molto vicini ai valori registrati dall'apparato fisico.
La tabella 1 confronta i valori registrati con le pressioni simulate.
Ad esempio, la differenza più grande dall'analisi CFD ai valori registrati è di circa 5,0 psi e 2,5 psi utilizzando la mesh BLM.
Entrambi i risultati hanno una precisione accettabile per lo scopo previsto, considerando la tolleranza nella lettura del manometro e le misurazioni della portata da un misuratore di portata in linea.


Lezioni imparate
Il raffreddamento conforme può funzionare come previsto se è progettato correttamente, il che richiede una simulazione approfondita utilizzando l'analisi CFD per comprendere le caratteristiche del flusso del fluido. Ad esempio, se un inserto stampato in 3D si dirama in due o più canali, la determinazione del ramo preferito può avere un grande impatto sull'efficacia del design di raffreddamento conforme.
Se un progettista esegue solo un'analisi del dissipatore di calore, non acquisirà la differenza né predirà la pressione richiesta per ottenere una portata per flusso turbolento per progetti di raffreddamento complessi come il raffreddamento conforme. Tuttavia, un designer può acquisire con precisione le caratteristiche del flusso di fluido utilizzando elementi mesh 3D. Gli elementi mesh 3D catturano le caratteristiche del flusso di fluido, come il cambiamento di momento, per previsioni accurate della pressione.
(*) Copyright MoldMaking Technology 2019. Reprinted with permission from Gardner Business Media.
 
Jay Vang
Customer Success Engineer presso Moldex3d Northern America, Inc.
Con una laurea in ingegneria meccanica presso l'Università del Wisconsin-Milwaukee, Jay Vang ha maturato una grande esperienza nella progettazione, sviluppo, produzione e utilizzo di strumenti CAE tra cui Moldex3D, ProE / Creo, Solidworks e Sigmasoft. In qualità Customer Success Engineer presso Moldex3D, Jay aiuta i clienti a utilizzare software di simulazione per garantire risultati realistici e affidabili.
Per ulteriori informazioni info@moldex3d.it

lunedì 26 ottobre 2020

Planarità

 

Strumento di analisi della planarità Moldex3D per una valutazione rapida relativa alla deformazione del prodotto


Scritto da Jenny Wei, ingegnere del team di supporto tecnico, Moldex3D
 
Nel processo di produzione di prodotti ad alta precisione, il requisito di planarità di alcune superfici specifiche è importante. Gli utenti devono sapere se la planarità della superficie è inferiore alla tolleranza richiesta nella fase iniziale di progettazione tramite strumenti CAE. 
Moldex3D Studio 2020 fornisce uno strumento di misurazione della planarità, facile e conveniente, per consentire agli utenti di misurare la planarità di superfici specifiche dopo l'analisi della deformazione (Warpage).
Inoltre, questo risultato di misurazione può essere parte dei risultati della simulazione relativamente alla deformazione e una varietà di funzioni di post-elaborazione di Studio per osservare meglio la planarità di diverse superfici dopo la deformazione.
Passaggio 1: inizia
Termina la simulazione Warpage o apri un progetto con un risultato di spostamento totale. 
Fare clic su Spostamento totale (Total displacement) del risultato di deformazione (Warpage) nella struttura ad albero del progetto.
Passaggio 2: specificare la superficie per misurare la planarità
Fare clic su Flatness (Planarità) nella scheda Risultati per avviare lo strumento della procedura guidata e specificare il Nome della misurazione. Selezionare la mesh si superficie sul modello per definire automaticamente la superficie misurata. Fare clic su Seleziona per riassegnare l'obiettivo di misurazione. 
Fare clic su Salva se si desidera aggiungere un'altra misurazione o fare clic su Salva e chiudi per terminare.

 

Nota: gli utenti possono fare clic su Impostazioni accanto a Seleziona per controllare la diffusione della selezione.
Passaggio 3: visualizzare la misurazione della planarità
Gli utenti possono fare clic sul nome della planarità dalle misurazioni sull'albero del modello per visualizzare i risultati della misurazione della planarità insieme alla sua superficie di riferimento nella finestra di visualizzazione. 
(Passerà la visualizzazione dei risultati a Spostamento totale (Total Displacement) e verrà chiusa quando vengono selezionati altri risultati.)
Nota: nella misurazione della planarità, viene calcolato solo lo spostamento verticale rispetto alla posizione sulla superficie.
Passaggio 4: collaborazione con altre funzionalità
Compensazione deformazione / stampo: applicare la funzione Deformazione nella scheda Risultato quando si visualizza il risultato Planarità.
La misurazione della planarità verrà scalata quando viene regolata la scala di deformazione, così sarà per la visualizzazione della compensazione.
Confronta: se sono presenti più analisi simulate con la stessa mesh (MFE), la misurazione della planarità può essere condivisa e confrontata tra queste analisi.
https://www.moldex3d.it/it/moldex3d-planarita-flatness-.aspx