Un quarto di secolo di simulazione La simulazione dello stampaggio ad iniezione di materie plastiche ha raggiunto la maturità: si può infatti far risalire l adozione generalizzata della simulazione al K 83. Con una certa arbitrarietà, quest anno si potrebbe celebrarne il 25-esimo anniversario. L effettivo ingresso della simulazione sull arena mondiale risale ad anni precedenti, ma le sue applicazioni al processo di trasformazione della plastica non avevano ancora varcato i cancelli delle università ed erano ancora oggetto di studio e ricerca dei servizi di assistenza offerti dai maggiori e più innovativi fornitori di polimero. Nel corso di questo quarto di secolo gli strumenti di simulazione del processo di trasformazione delle materie plastiche sono evoluti costantemente riuscendo dapprima a calcolare in modo affidabile ritiri e deformazioni e dalla fine degli anni Novanta offrendo strumenti di simulazione ed analisi di processo tridimensionali. Con quest ultima espressione si indicano quei software che, anziché rappresentare le pareti del manufatto con spessori relativamente limitati con modelli realizzati con elementi finiti, cioè con figure piane bidimensionali disposte nello spazio collegate tra loro mediante i lati del perimetro, impiegano mesh realizzate con elementi solidi tridimensionali che si interfacciano attraverso le superfici di contatto. I prodotti di questa classe, come 3DSIGMA, sono in grado di simulare con grande precisione ed accuratezza l avanzamento del flusso del polimero fuso tridimensionale in cavità dalle forme complesse. Questi strumenti consentono, oltre alle normali funzioni di simulazione, di analizzare lo scambio termico tra i vari componenti che entrano in gioco nella realizzazione del manufatto. È così possibile, per esempio, descrivere strutture di stampo complesse, manufatti con spessori elevati o ultrasottili, componenti dello stampo (inserti in rame-berillio, movimenti, circuiti di raffreddamento o riscaldamento ) o del manufatto (inserti metallici, gomme, chip elettronici) realizzati con materiali diversi. Con questi strumenti è quindi più facile controllare il comportamento termico dei canali di alimentazione e i sistemi di condizionamento, il o i polimeri immessi nella cavità, gli inserti di materiali diversi, metallici e non metallici, che costituiranno il cuore del manufatto. Lo studio e la concettualizzazione dello scambio termico non è così evidente come l analisi del flusso del polimero in cavità. Per i principianti è abbastanza facile intuire il modo con cui avanza il polimero nella cavità confrontando alcuni dei risultati ottenibili con le simulazioni al computer con le stampate parziali ottenute iniettando frazioni sempre più grandi del fuso necessario per riempire la cavità in modo da controllare il suo avanzamento. I risultati delle simulazioni e le stampate parziali consentono di trasferire con una certa facilità le indicazioni sulla dinamica della trasformazione del materiale plastico tra i diversi operatori interessati al processo. Molto spesso è possibile farsi un idea del modo in cui il materiale fluisce in cavità osservando come e dove si formano linee di giunzione, bolle d aria, striature e altri difetti nel pezzo stampato. Non è invece possibile fotografare o visualizzare gli scambi termici che avvengono nello stampo. Naturalmente gli specialisti sono in grado di intuire e descrivere gli scambi termici tra materiali diversi e diverse condizioni, ma poiché questi sono fenomeni di natura transitoria che non è possibile fermare in prove dirette e tangibili, i relativi modelli sono tuttora piuttosto semplici e fondamentali. 1 (7)
SIGMA Engineering K 07 Press Bulletin SIGMA Engineering con sede ad Aachen, in Germany, ha realizzato una serie di prodotti per la simulazione tridimensionale dei fenomeni che si verificano durante lo stampaggio ad iniezione di polimeri. Il software SIGMASOFT sfrutta le funzionalità del modulo di ottimizzazione Frontier frutto di una collaborazione internazionale che permettere di visualizzare l impatto dei flussi termici che transitori durante il processo di trasformazione. Questi programmi sono stati utilizzati nell esempio concreto descritto nel seguito per sfatare l idea ricorrente che i canali di raffreddamento devono seguire il contorno della cavità per disperdere il calore il più rapidamente possibile. Questo criterio costruttivo si è dimostrato fallace in molte circostanze ed anzi si possono ascrivere all applicazione di questo principio eventuali elevate deformazioni del manufatto. Frontier consente di simulare lo spostamento dei canali di raffreddamento nello stampo di modo del tutto automatico. È così possibile, per esempio, analizzare le conseguenze dello spostamento dei canali di raffreddamento in diverse posizioni entro i limiti imposti al sistema e specificati dall utente come nel caso riportato nella Fig. 1. I due canali di raffreddamento di quali uno segue la figura - previsti nel semistampo in cui si trovano gli estrattori possono essere spostati, indipendentemente l uno dall altro, a diversa distanza dalla cavità. Il canale che segue il contorno può essere avvicinato alla parete della cavità sino a 10 mm. Il canale che si trova sulla parte fissa può essere ridotto od allargato. Figura 1 - Limiti delle variazioni di posizione dei tre canali di raffreddamento. Nella Variante # 53 i canali di raffreddamento sono stati spostati nella posizione più esterna. L obiettivo era quello di trovare la configurazione di canali di raffreddamento che garantisse il minimo ritiro tra i due punti indicati nella Fig. 2 e di minimizzare il tempo di ciclo, individuato misurando la quantità di materiale fuso (la cui temperatura supera quindi un limite predefinito) ancora presente in cavità al termine della fase di riempimento. 2 (7)
Figura 2 - Posizione più esterna dei canali di raffreddamento SIGMASOFT Frontier ha iniziato il calcolo ipotizzando la configurazione di canali ai limiti esterni della Variante #53. La Fig. 4 riporta i risultati ottenuti durante le simulazioni eseguite in modo automatico: in ascisse è riportato il tempo di raffreddamento per ogni configurazione e in ordinate il ritiro tra i due punti di riferimento. Ponendo i canali di condizionamento della Variante #53 nelle posizioni più esterne si ottiene un ritiro elevato e un lungo tempo di ciclo. È assai interessante notare che con ben 10 configurazioni di canali collocati in posizioni più vicine alla cavità si ottengono tempi di raffreddamento peggiori, confermando l assunto iniziale. La configurazione di canali di raffreddamento prevista nella Variante #41 permette di ottenere i tempi di ciclo migliori, ma anche il ritiro più elevato. La Variante #16 permette invece di ottenere un ritiro limitato e un tempo di ciclo sufficientemente veloce. Figura 3 - L'obiettivo per l'ottimizzazione del pezzo è costituito dalla minimizzazione del ritiro tra i due punti indicati. Confrontando le due varianti #41 e #16 si può notare che spostando il canale che segue il contorno della figura di soli 5 mm, pur lasciando gli altri canali nella posizione iniziale, si ottiene una variazione dell efficienza del raffreddamento davvero significativa. 3 (7)
SIGMA Engineering K 07 Press Bulletin V 53 V 41 V 16 Optimal Figura 4 Diagramma ritiro-tempo di raffreddamento per tre diverse configurazioni dei canali di raffreddamento. Si ripete spesso un antico adagio che avverte che non tutti gli errori di progettazione possono essere rimediati e nella trasformazione delle materie plastiche ciò significa che eventuali errori compiuti durante la catena di decisioni che conducono al manufatto finale non sono facilmente reversibili. Basta ricordare le modifiche apportate allo stampo dopo la fresatura della cavità o la foratura dei canali di condizionamento. È pur vero che i problemi che si riscontrano durante le prove sulla macchina possono essere superati variando i parametri impostati come la temperatura del fuso e dello stampo, il tempo di iniezione, il profilo di pressione e la durata dell impaccamento e così via. Tuttavia occorre sempre tener presente che certe decisioni non sono sempre correggibili agendo sui parametri del processo e possono comportare produzioni non conformi alle attese. Si deve ancora una volta sottolineare che la scelta del layout dei canali di raffreddamento è una decisione non priva di serie conseguenze. Il tecnico ben difficilmente sarà in grado di realizzare uno stampo con prestazioni ottime senza rifacimenti e correzioni se non può contare sul supporto di una simulazione davvero tridimensionale ed accurata che disponga di un solutore sperimentato. Di solito si è portati a ritenere che i simulatori tridimensionali tornino utili solo per anticipare e risolvere i problemi che si possono incontrare con manufatti con spessori importanti. L esempio appena presentato, l astuccio di un telefonino cellulare dimostra invece che tali strumenti 3D sono utili anche quando si devono affrontare geometrie con pareti assai sottili, spesso al limite della stampabilità. SIGMASOFT consente di simulare il comportamento di tutti i componenti dello stampo ed è quindi in grado di simulare con precisione la dinamica della distribuzione termica. Talvolta occorre verificare il comportamento di sistemi complessi con camere calde, iniettori particolari, inserti, movimenti e non è poi cosi raro dover realizzare stampi che comprendono un numero elevato di entità geometriche (in qualche caso anche oltre 2500) che devono essere lette e trattate dal solutore. Più che uno strumento di simulazione, gli specialisti che sviluppano ed applicano SIGMASOFT per la soluzione di problemi concreti preferiscono considerarlo un sistema completo per l analisi e la simulazione dei processi di 4 (7)
trasformazione di materiali polimerici: non soltanto di termoplastici, quindi, ma anche di gomme, elastomeri, termoindurenti e PIM (polveri stampate a iniezione). Questo software è un sistema completo in grado di tener conto della presenza di elementi riscaldanti (resistenze di vario tipo, canali caldi) e di inserti in grado di facilitare la dispersione del calore in luoghi dello stampo difficilmente raggiungibili altrimenti. SIGMASOFT è stata in grado di presentare sul mercato ed applicare a prodotti molte innovazioni: la simulazione dinamica dei cicli di stampaggio, la simulazione di manufatti con diversi componenti (inserti metallici e non). Recentemente sono stati rilasciati alcuni nuovi moduli per tener conto della cristallizzazione dei materiali e utilizzare curve pvt in condizioni di raffreddamento rapido. All ultima fiera di Duesseldorf, il K 07, è stato presentato il modulo per il rilassamento degli stress nello stampo con la valutazione del ritiro in forme obbligate e la simulazione della forza degli estrattori. Figura 5 - Pezzo con estrattori. L'estrazione causa tensioni che possono rendere il manufatto inaccettabile La Fig. 5 presenta una configurazione di estrattori che nella Fig. 6 sono riportati con l indicazione dei vettori delle forze associate e si può notare che i due estrattori interni svolgono il grosso del lavoro. Ciò è dovuto al fatto che il manufatto si ritira sulla superficie interna dello stampo (Fig. 7). Tuttavia il diagramma delle forze cambia in modo significativo se le teste degli estrattori sono piane anziché sagomate dando continuità alla superficie interna dello stampo. In quest ultimo caso, infatti, alcuni estrattori più esterni sono più sollecitati di quelli interni e i quattro estrattori superiori contribuiscono all estrazione in misura assai modesta nell uno e nell altro caso. 5 (7)
SIGMA Engineering K 07 Press Bulletin Figura 6 - Forze esecitate durante l'estrazione da pin con testa sagomata. SIGMA Engineering è orgogliosa di continuare a svolgere l attività di sviluppo del software iniziato tanti anni fa per offrire all industria dello stampaggio ad iniezione i mezzi per studiare il comportamento delle materie plastiche per ottenere prodotti migliori, stampi più efficienti e processi di trasformazione più efficaci. Figura 7 - Punti di contatto degli estrattori sulla superficie del manufatto. Figura 8 Forze esercitate da estrattori non sagomati sulla superficie del manufatto. 6 (7)
Viadelo srl è lieta i poter annunciare di aver avviato con Sigma Engineering un accordo di collaborazione per offrire e supportare sul territorio italiano i sofisticati prodotti di quest ultima. Wim Schermerhorn ws@sigmasoft.de Vittorio Belski vittorio.belski@viadelo.it 7 (7)