© 2011 Autodesk

Autodesk Simulation Moldflow 2013:

Analiza stanów nieustalonych temperatury

na modelu FEM formy wtryskowej – nowe

możliwości optymalizacyjne

Piotr Woźniacki

© 2011 Autodesk

Przedstawmy się, czyli Who is Who…

Autodesk, Inc. Czołowy dostawca rozwiązań CAD/CAM/CAE na świecie

Ponad 100 różnych aplikacji w ofercie

Ponad milion zarejestrowanych użytkowników (95% z elitarnej grupy Fortune

100)

Procad SA Najważniejszy Partner firmy Autodesk w Polsce

Stabilna spółka notowana na WGPW

Adres: ul. Kartuska 215, 80-122 Gdańsk

Telefon: 58 739 68 00 Web: http://www.procad.pl

Piotr Woźniacki Specjalista ds. Systemu Autodesk Moldflow w firmie Procad SA

Ponad 20 lat doświadczenia we wdrożeniach i wsparciu systemu Moldflow

Kontakt: piotr.wozniacki@procad.pl GSM: +48696462907

© 2011 Autodesk

Najważniejsze nazwy i pojęcia…

Autodesk Simulation Moldflow Najdłużej istniejący, najszybciej się rozwijający, najbardziej renomowany

system CAE do symulacji i optymalizacji procesu przetwórstwa tworzyw sztucznych

Autodesk Inventor (Professional) Flagowy produkt firmy Autodesk, środowisko modelowania 3D oraz

prototypowania cyfrowego

Prototypowanie cyfrowe Proces projektowania wyrobu, narzędzi do jego produkcji oraz procesu

technologicznego za pomocą komputerowych narzędzi CAD/CAM/CAE, pozwalający zoptymalizować jakość i koszt produktu bez potrzeby wykonywania jego fizycznych prototypów ani próbnych uruchomień produkcji

© 2011 Autodesk

Etapy cyfrowego prototypowania wg Autodesk

© 2011 Autodesk

Projektowanie 3D

Symulacja

Walidacja

Optymalizacja

Istota prototypowania cyfrowego

© 2011 Autodesk

Systemy Autodesk Simulation Moldflow

Zestaw narzędzi CAD do projektowania formy wtryskowej

Funkcjonalność CAE:

Punkt wtrysku

Wypełnianie

Jakość powierzchni

Skurcz

Autodesk Inventor

Tooling

Autodesk Simulation

Moldflow Adviser

Autodesk Simulation

Moldflow Insight

Samodzielne środowisko analityczne

Ogólna walidacja technologiczności

Symulacja pełnego procesu wtrysku termoplastów

MES 2,5D oraz 3D

Prosty w użyciu

Stosowany iteracyjnie i równolegle z projektowaniem

Nie wymaga dogłębnej wiedzy analitycznej (MES, itp…)

Samodzielne środowisko analityczne

Dogłębna symulacja, walidacja, optymalizacja wypraski, formy i procesu

Wszystkie materiały (termoplasty, termosety)

Proces wtrysku, PLUS wiele technologii specjalnych

MES 2,5D oraz 3D

Niezbędna wiedza analityczna (MES, …)

„Full-time job” dla analityka

Design for

Manufacturing plug-in Funkcjonalności ASMA

w czasie rzeczywistym

podczas projektowania

części z tworzywa

© 2011 Autodesk

Autodesk Inventor Professional

(dawniej – Tooling)

Autodesk Simulation Moldflow

Adviser

Autodesk Simulation Moldflow Insight

Zakres wyników

Ogólna walidacja Ogólna walidacja i optymalizacja Wnikliwa walidacja optymalizacja

wypraski, formy oraz procesu

Możliwości symulacyjne

Wypełnianie (Filling) Wypełnianie (Filling) Wypełnianie (Filling)

Docisk/skurcz (Packing/Shrinkage) Docisk/skurcz

(Packing/Shrinkage)

Docisk/skurcz (Packing/Shrinkage)

Chłodzenie (Cooling) Chłodzenie (Cooling)

Orientacja włókna (Fiber

Orientation)

Orientacja włókna (Fiber Orientation)

Odkształcenie (Warpage) Odkształcenie (Warpage)

Technologie specjalne (2K, Inserts,

Cascading, Valve Gates)

Materiały termoplastyczne Materiały termoplastyczne Materiały termoplastyczne i

termoutwardzalne

AIT, ASMA, ASMI – porównanie ogólne

© 2011 Autodesk

Wirtualna forma wtryskowa

© 2011 Autodesk

Koncepcja, projektowanie

Plan produkcji Materiał Produkcja Cena

zbytu

25

50

100

75

Koszty finalne

5% 3%

28%

54%

10%

70%

18% 7%

5%

source: em. Prof. Dr.-Ing. Klaus Ehrlenspiel Institut für Produktentwicklung TU München

0

Śmiałe inwestycje

na wczesnym etapie!

Potencjał oszczędności

Wczesne inwestycje szybko się zwracają!

© 2011 Autodesk

Agenda

Od czasu włączenia renomowanego systemu CAE Moldflow do oferty firmy

Autodesk w ramach jej środowiska prototypowania cyfrowego, przemysł

przetwórstwa tworzyw sztucznych jest świadkiem ekscytującego rozwoju tego

systemu i zwiększania jego możliwości. W szczególności, następujące dwa

fakty można uznać za prawdziwie przełomowe:

• Ścisłe zintegrowanie systemu Moldflow ze środowiskiem prototypowania

cyfrowego, umożliwiające import modelu 3D CAD kompletnej formy

wtryskowej w celu jej analizy i optymalizacji – idea „wirtualnej formy

wtryskowej” została zrealizowana!

• Wprowadzenie modelu termicznego formy opartego na Metodzie

Elementów Skończonych (w odróżnieniu od tradycyjnej Metody Elementów

Granicznych), umożliwiające dokładną symulację działania wszystkich

elementów formy i wszelkich, najbardziej zaawansowanych, metod regulacji

cieplnej narzędzia

© 2011 Autodesk

Agenda – c.d.

Niniejsza prezentacja ma na celu przedstawienie kliku najważniejszych, nowych

możliwości symulacyjno-optymalizacyjnych w systemie Autodesk Simulation

Moldflow Insight 2013 – takich jak:

• praktyczne aspekty importu do ASMI i przygotowania do analizy kompletnych

modeli form wtryskowych

• analiza stanów nieustalonych temperatury Cool (FEM)

• symulacja technologii RH&C i RTC

• chłodzenie konformalne

• modelowanie grzałek

• zwiększona dokładność symulacji elementów gorąco-kanałowych

Agenda prezentacji obejmuje również niektóre nowe możliwości, przewidziane

przez Autodesk w kolejnym wydaniu systemu Moldflow (2014), a dostępne dla

użytkowników wersji 2013 jako projekt Scandium Technology Preview

© 2011 Autodesk

Wybrane aspekty integracji Moldflow

ze środowiskiem CAD/CAM/CAE/PDM

Pełna komunikacja z systemami CAD

Import modeli ze wszystkich ważniejszych programów CAD 3D do

ASMA i ASMI

Bezpośrednio

Przez translator Autodesk Simulation Moldflow Design Link (ASMDL)

Możliwość wstępnej naprawy i/lub uproszczenia modelu wypraski w

specjalizowanych aplikacjach:

Autodesk Simulation Moldflow CAD Doctor

Autodesk Inventor Fusion

W tym przypadku, również modyfikacja geometrii w trakcie procesu

optymalizacyjnego (ASMI)

© 2011 Autodesk

Formaty CAD obsługiwane przez ASMDL

Darmowy komponent AMDL, instalowany automatycznie z ASMA/ASMI

Inventor 2013

Alias 2013

Step

Iges

Płatny komponent AMDL

Parasolid V24

Pro-E v5.0 – Creo 1.0

Solidworks 2012

NX NX8.0

Rhino 5.0

Catia V5r21

Free

$1000

© 2011 Autodesk

Wybrane aspekty integracji Moldflow

ze środowiskiem CAD/CAM/CAE/PDM – c.d.

Możliwość zaimportowania (poprzez format SAT) kompletnej formy

wtryskowej do ASMI, celem przeprowadzenia zaawansowanej analizy

chłodzenia Cool (FEM) 3D (jako punktu wyjścia do pozostałych analiz)

Z dowolnego modelera CAD 3D: złożenie formy (główne płyty formy, wkładki,

rdzenie formujące, gniazda oraz układy: zasilania i chłodzenia)

W ASMI wymagane jest przygotowanie zaimportowanych „CAD Bodies” poprzez

przypisanie im odpowiednich własności (Properties), itd…

Z Autodesk Inventor Tooling zapis do pliku SAT jest inteligentny:

Detale, nieistotne dla analizy Moldflow, są pomijane/upraszczane automatycznie

Układ dolotowy i chłodzenia przekazywany jest w formie centralnych osi segmentów,

z przypisanymi własnościami (Properties)

Dwukierunkowa wymiana danych CAD z Autodesk Inventor

Fusion

© 2011 Autodesk

Analiza chłodzenia FEM (3D) - Transient Cool

Możliwości nowego solwera, opartego na MES (FEM; dotychczas

stosowana była metoda BEM=Metoda Elementu Granicznego)

Zmienność temperatury formy w ramach cyklu (stany nieustalone)

Pełna kontrola i wizualizacja rozkładu temperatury w wnętrzu formy

Stabilizacja temperatury podczas rozruchu produkcji

Temp. formy w cyklu

Te

mp

era

ture

Time (sec)

Rozkład temp. formy

Te

mp

era

ture

Time (sec)

Stabilizacja temp. formy

© 2011 Autodesk

Analiza stanu nieustalonego temperatur

w chłodzeniu formy wtryskowej Cool (FEM) 3D

3 opcje analizy, dla temperatury: Uśrednionej w ramach cyku (Averaged within cycle) – jak w analizie tradycyjnej

Zmiennej w ramach cyklu (Transient within cycle)

Zmiennej od rozpoczęcia produkcji (Transient from production startup)

Obliczenia przepływu ciepła Solwer kondukcyjny: szybki algorytm, wyliczający jedynie temperaturę części i przepływ

ciepła od niej do formy, przy upraszczającym założeniu że gniazdo jest cały czas

całkowicie wypełnione i uwzględnieniu jedynie przewodnictwa cieplnego.

Analiza płynięcia w każdej iteracji: pełna analiza Fill+Pack jest wykonywana w celu

dokładnego wyliczenia wymiany ciepła i temperatury części. Poza temperaturami

tworzywa/formy, bilans cieplny uwzględnia sposób wypełniania, ciepło generowane

przez ścinanie, efekt konwekcji, oraz ciśnienia od wektorów prędkości. Ten solwer

zapewnia absolutną dokładność kosztem dłuższego czasu obliczeń.

Paralelizacja obliczeń, akceleracja GPU

© 2011 Autodesk

Chłodzenie FEM: siatka 3D dla formy

Ograniczenia

Przekroje kanałów inne od kołowych traktowane są

jako kołowe o równoważnym przekroju.

2 sposoby tworzenia siatki 3D dla formy

Sposób 1 (model formy stworzony w Synergy):

Wymagania

Część z siatką 3D (od wersji 2013 – również DD)

Osie centralne segmentów chłodzenia/dolotu

Region(y) bloku formy (zdefiniowane z użyciem wizardu)

Zaleta: proste przygotowanie siatki o optymalnie

zróżnicowanej gęstości

Ograniczenia: tylko 1 blok formy, bez wkładek

© 2011 Autodesk

Chłodzenie FEM: siatka 3D dla formy

Sposób 2 (kompletna forma skonstruowana w systemie CAD):

Wymagania Geometria wypraski

Blok(i) formy z otworami pod kanały chłodzące i zasilające, opcjonalnie z wkładkami

Osie centralne segmentów obu układów (można użyć format IGES)

Zaleta: obsługa dowolnie skomplikowanych form z wkładkami wysoko-

przewodzącymi, rdzeniami formującymi i/lub wieloma płytami

Wada: Bardziej pracochłonne definiowanie zróżnicowania gęstości siatki

© 2011 Autodesk

Współczynnik transferu ciepła

przez ścianki zewnętrzne Dotyczy tylko swobodnych ścianek czworościanów

nie współdzielonych z sąsiednim elementem

Pozwala symulować izolację cieplną elementów formy

Solwer traktuje blok i wkładki formy jednakowo

Przypisanie odrębnych properties ułatwia postprocessing

© 2011 Autodesk

Współczynnik transferu ciepła

przez ścianki zewnętrzne

Umożliwia symulację

chłodzenia konformalnego :

Import modelu CAD formy z

konformalnym układem chłodzenia

Wygenerowanie siatki 3D

Przypisanie całej formie wysokiego

HTC(100000) i temperatury takiej,

jak dla chłodziwa

Przypisanie zewnętrznym

ściankom temperatury i HTC jak

dla powietrza

© 2011 Autodesk

Selective Laser Melting (SLM)

References [1] Bild: Materialgeeza (creator), http://de.wikipedia.org/wiki/Selektives_Laserschmelzen, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.de

[2] Jean-Pierre Kruth u.a.: Binding Mechanisms in Selective Laser Sintering and Selective Laser Melting, In: Rapid prototyping journal, 11 (1), 2005, pp. 26-36. ISSN 13552546

[1]

• Powdered materials (such as tool steel) is melted locally in several layers by laser

radiation and becomes to solid material layer after cooling down.[2]

• By this production process, inserts with conformal cooling can be produced, which aren’t

possible by conventional manufacturing methods.

© 2011 Autodesk

Conformal Cooling

Conformal temperature can reduce

cycle times and improve part quality.

This can be analysed with Autodesk ®

Moldflow ® Insight 2012, shown on

following example.

Procedure:

1. import of the assembly

2. assign properties

3. define local mesh density

4. mesh model

5. temperature properties

6. define process conditions

7. start analysis

8. evaluate the results

[3]

Referecne:

[3] Picture und CAD-data by courtesy of Dipl.-Ing. (FH) Günter Hofmann,

http://www.hofmann-innovation.com/technologies/lasercusing-werkzeugeinsaetze.html

© 2011 Autodesk

Model import

Using the numerous CAD interfaces, parts and

assemblies can imported directly into Autodesk ®

Moldflow ® Insight 2012.

© 2011 Autodesk

Assign

Properties

© 2011 Autodesk

Define local mesh

density (optional)

Advantage: more efficient

for faster computation times.

Edge length

10 mm

Edge length

2.5 mm

© 2011 Autodesk

Meshing

1.

2.

• Automatic meshing in 3D.

• Meshing time for part and mold was 2 minutes for each.

• Automatic distribution of elements on seperate layers.

• Quick and easy to handle.

© 2011 Autodesk

Insert with conformal cooling:

Selection of the tetrahedron elements

1. Select of all outside tetrahedron WITHOUT direct contact to cooling.

The fastest way doing this, is the function "Select Facing entities".

2. Assign the selected tetrahedron on a new layer and hide it.

© 2011 Autodesk

Assigning temperature properties

for conformal cooling

3. The remaining elements are assigned the following characteristics

A: high “Heat transfer coefficient“, B: Contact temperature of the cooling channels

Note: This property affects only the exposed tetrahedron, meaning the elements in contact of the cooling channel.

All other free tetrahedron were previously hidden in step 1 and 2.

A B

© 2011 Autodesk

Define and set up process to launch

1. Gate in the middle of the part.

2. The material is Ultramid A3WG6 (PA66-GF30).

3. Transient Cooling within a cycle was calculated. The heating up after several cycles

can be analysed optionally.

4. The analysis took 25 minutes (on a Notebook):

5 min. transient cooling, 12 min. for filling/packing, 8 Min. warpage

© 2011 Autodesk

Temperature distribution

in the tool

Temperatures rise and fall during the cycle. The

maximum temperature in the corners are about 125°C

and more.

Temperature after 1.9s

© 2011 Autodesk

Conformal vs. conventional temperature control

To evaluate the benefit of the conformal temperature, is was compared a conventional one

(two cooling channels).

Like in the first calculation, the needed cycle time to achieve the ejection temperature of

195°C was calculated.

© 2011 Autodesk

Comparison of temperature and cycle time

Conformal Conventional

Conformal Conventional

Max.temp 139°C 174°C (+35°C)

Cycle time 8.3 seconds (100%) 12.5 seconds (151%)

Cycles/per hour 433 288 (-145)

© 2011 Autodesk

Confo

rmal

Conventional

© 2011 Autodesk

Comparison of deflection

Conventional Cooling

The deflections are 17% higher with conventional cooling and problems such as sticking in

the mould can be expected. Deflection magnified x 15.

Conformal Cooling

The picture shows the deformation using conformal cooling. The vertical deflection of 0.34

mm are mainly due to fibre orientation. Deflection magnified x 15.

© 2011 Autodesk

Summary

Thank You.

The workflow shown is based on an idea by Yannick Moret and Stefan Kuehne.

The presentation and calculations were made by Anton Reichl.

Contact: Anton.Reichl@autodesk.com

In comparison to the conventional cooling, the conformal cooling shows

• a much shorter cycle time (8.3 s instead of 12.5 s),

• 35 ° C lower temperature peaks (better surface quality).

• less deflection,

• and a improved part ejection.

© 2011 Autodesk

Scandium 2013 Technology Preview (http://labs.autodesk.com/utilities/scandium)

Przedstawiona wcześniej, nieco uciążliwa metoda modelowania dla

symulacji chłodzenia konformalnego zostanie zastąpiona wersją

finalną, dzięki:

Możliwości modelowania dowolnych przekrojów i konfiguracji „płaszcza

wodnego” w 3D (dotychczas tylko belki 1D, kanały o przekroju kołowym)

Nowe warunki brzegowe – Channel (3D) Inlet/Outlet

Wykorzystaniu „silnika obliczeniowego” Autodesk Simulation/CFD dla

dokładnej kalkulacji przepływu chłodziwa w takich dowolnie zdefiniowanych

objętościach (super dokładne obliczenia ciśnień i prędkości)

Workflow staje się jasny i przejrzysty, a wyniki – bardziej dokładne

Ponieważ wszystkie podzespoły formy można już modelować siatką

3D, import formy z CAD staje się bardziej elastyczny

© 2011 Autodesk

Scandium 2013 Technology Preview (http://labs.autodesk.com/utilities/scandium)

© 2011 Autodesk

Technologia Rapid Heating & Cooling

Zmienna temperatura medium na wlotach kanałów i w czasie cyklu: • Faza nagrzewania formy (albo jej części, np. matrycy)

• Przedmuchanie powietrzem układu chłodzenia

• Faza chłodzenia

• Ponowne przedmuchanie

Nagrzewanie odbywa się z użyciem: • wody, pary wodnej, grzałek elektrycznych lub indukcyjnych

[temperatura wody pod ciśnieniem może przekraczać 100 C]

Korzyści z technologii RH&C: • Poprawa jakości wizualnej powierzchni wypraski

• Maskowanie linii łączenia

• Skrócenie czasu cyklu

• Zmniejszenie odkształceń

© 2011 Autodesk

Mo

uld

Tem

pera

ture

Time

1.Inject Air to evacuate cooling water

2.Inject Steam to raise mould

temperature

5.Inject Air to evacuate steam

6.Start cooling water flow to reduce

mould temperature for part cooling

3.Evacuate Air from mould cavity

via vacuum 4.Inject Plastic

Steam Supply

@ 10bar Steam Connection Pipe

Condensate Return Pipe

Compressed Air

@ 7 to 10 bar

Cooling Tower

Water Supply

Water Tank

RTCTM

Controller

Air Cooling Water Steam Condensate return Vacuum

Technologia Rapid Heating & Cooling

© 2011 Autodesk

RAPID TEMPERATURE CYCLING – RTC™

RTC™ MOULD

Aluminum plate with

Conformal channels

Resin insulation plate

Stainless Steel cavity plate

© 2011 Autodesk

RAPID TEMPERATURE CYCLING – RTC™

CONFORMAL CHANNELS

Mould is open, cooling fluid has reduced

the mould surface temperature down to

80oC and the part has ejected

Cooling Fluid In

Cooling Fluid

Out

© 2011 Autodesk

Technologia Rapid Heating & Cooling

Możliwa do symulacji dzięki Cool FEM

Nowy parametr w ustawieniach procesu –

„Mold-close time before injection”

Nowy warunek brzegowy –

“Rapid heating and cooling inlets”

Synchronizacja cyklu ma miejsce na

początku 2-go przedmuchania i czasu

otwarcia formy W przypadku niezgodności między warunkami

brzegowymi i parametrami procesu, software

uwzględni dłuższy czas

© 2011 Autodesk

Eject

Inj + Pack + Cool

Fill Pack Cool

Mold Close Mold Open

Steam Purge Coolant Purge

Cartridge Heater On Cartridge Heater Off

Cycle Time

UWAGA: Switch on/off time – czasy mierzone od początku fazy wtrysku

(parametry grzałek)

© 2011 Autodesk

Inne udoskonalenia analizy chłodzenia

Zoptymalizowana została również tradycyjna analiza Cool BEM

(Boundary Element Method) dla 3D

HTC jest obecnie częścią „macierzy sztywności” dla części

Poprzednio, ustalonym warunkiem brzegowym rozwiązania dla części była

różnica temperatur, wyliczana na warunku brzegowym HTC iteracyjnie, aż do

uzyskania tolerancji zbieżności

Obecnie, warunkiem brzegowym dla części jest strumień ciepła (Heat Flux)

przez interfejs z formą

Skutkiem tych zmian jest skrócenie czasu analizy BEM i uzyskanie wyników

zgodnych z FEM (MES), a więc dokładniejszych

© 2011 Autodesk

Transient Cool – dodatkowe korzyści

Dalsze zwiększenie wierności symulacji poprzez:

Zmienność temperatury grzanych kanałów z cyklu na cykl

Temperatura gorącego kanału na początku cyklu nie jest już ujednolicana

(wcześniejsze założenie uproszczające).

Co prawda jej zmienność nie jest widoczna w rezultatach końcowych, ale może

być uchwycona w wynikach pośrednich, animowanych w czasie.

Uwzględniany jest czas kontaktu materiału wkładki z blokami formy

© 2011 Autodesk

Analiza stanów nieustalonych temperatury

formy dla modeli wyprasek typu Dual Domain

Dostępna od wersji ASMI 2013, metoda modelowania oparta o:

• 1D-elementy belkowe kanałów chłodzących

• Siatkę Dual-Domain (Fusion) wypraski

• Elementy 3D formy

• Elementy 3D siatki wkładek (chłodzących,

formujących, itd.)

© 2011 Autodesk

Grzanie formy w technologii Reactive Molding

Analiza „Cool (FEM)” dostępna również dla przetwórstwa termosetów

• RM (RIM, SRIM, RTM, …) wymaga ciepła, inicjującego reakcję chemiczną

• Stosowane są grzałki (rejony siatki 3D o określonych Properties),

albo medium grzewcze (w tradycyjnych kanałach)

• Obecnie - tylko 3D; DD w przygotowaniu

© 2011 Autodesk

Wsparcie elementów grzewczych w Cool (FEM)

Lepsza kontrola grzania formy

• Nowe parametry sterujące grzałek

• Elementy grzewcze gorących kanałów

Nowe parametry sterujące grzałki:

• Time

• Target temperature

• Thermocouple

Elementy grzewcze

Gorący kanał (Polimer) rozdzielacz gorącokanałowy (mold insert)

Nowy parametr:

Use heater Element

© 2011 Autodesk

Dodatkowe parametry kontrolne grzałek Sterowanie czasem

© 2011 Autodesk

Dodatkowe parametry kontrolne grzałek Sterowanie termoparą

Włącza i wyłącza grzanie (Heat Flux) dla

utrzymania temperatury w zadanym przedziale

© 2011 Autodesk

Czas i Temperatura docelowa dla RHC

Definiowania okresów włączenia/wyłączenia w

czasie cyklu

Określenie temperatury docelowej w węźle

kontrolnym

Opóźnianie zamknięcia formy/początku wtrysku

do czasu osiągnięcia temperatury zadanej

Dodatkowe parametry kontrolne grzałek

© 2011 Autodesk

Analiza chłodzenia bez kanałów chłodzących ?!!

W przetwórstwie tworzyw termoutwardzalnych, częściej

mamy do czynienia z grzaniem niż z chłodzeniem

form…

© 2011 Autodesk

Również niewielkie formy dla termoplastów nie zawierają czasem obwodów

chłodzących. Dzięki technologii Cool (FEM), można obecnie wykonać analizę

cieplną takich form dla oceny rozkładu temperatur oraz oceny ich wpływu na

odkształcenia!

© 2011 Autodesk

Piotr Woźniacki

Dziękujemy za uwagę!