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Sistema para calcular los parámetros de flujo

01/05/1996


Ángel Fernández, Javier Castany, Daniel Mercado y Manuel Salgado

Diseño de moldes para inyección (II)

Sistema CAE para determinar los parámetros de flujo


El presente artículo es el segundo de una serie que trata del desarrollo de una oficina técnica virtual para el diseño de moldes para inyección a base de herramientas CAD y CAE. Este capítulo presenta un sistema de diseño asistido por ordenador para determinar los parámetros de flujo aplicados a la inyección de termoplásticos.


Sumario
II. Sistema CAE para determinar los parámetros de flujo de un molde industrial.
  1. Introducción
  2. Descripción física
  3. Entrada de datos
  4. Caracterización del material
  5. Resultados
  6. Ejemplo de aplicación
  7. Conclusión

Capítulos publicados:
  1. Integración de herramientas CAD/CAE. Sistema experto de dibujo en base a elementos normalizados. (PU37)

Capítulos por publicar:
  1. TIIP-Flow: un programa CAE para la estimación de la fuerza de cierre en base a parámetros de flujo.
  2. TIIP-Cool: un programa CAE para la definición del sistema de refrigeración de un molde.
  3. TIIP-Cool: un programa CAE para la estimación del tiempo de ciclo y parámetros de refrigeración.
  4. TIIP-Flex: un programa CAE para la prevención de rebabas en base al análisis de flexión de las placas del molde.
  5. TIIP-Eject: un programa para el cálculo de las fuerzas de expulsión y dimensionado del sistema expulsor.
  6. TIIP-Cost: un programa CAE para la optimización de recursos de infraestructura de una planta de producción.
  7. TIIP-Cost: un programa CAE para la evaluación de costes asociados al proceso productivo.

Los autores de esta serie trabajan en el Taller de Inyección de la Industria de los Plásticos (TIIP), del Centro Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza. En este número de Plásticos Universales se publica el primer capítulo. En posteriores números de la revista se publicará el resto de capítulos.


1. Introducción

En el presente artículo se describe un programa para determinar los parámetros de flujo aplicados a la inyección de termoplásticos. El programa ha sido desarrollado en el TIIP (Taller de Inyección de la Industria de los Plásticos) de la Universidad de Zaragoza.
El objeto de este programa es aproximar de una manera rápida los parámetros de flujo de un molde industrial. Estos parámetros son: presión en cavidad, velocidad de llenado, temperatura de inyección, temperatura de molde y fuerza de cierre. Todos estos parámetros son los necesarios para el desarrollo del proyecto de molde o para las pruebas de puesta a punto.
El programa funciona dentro de un entorno de trabajo gráfico. Con ello se consigue facilitar la comunicación y diálogo entre usuario, proyectista en este caso, y ordenador. Este entorno gráfico se desenvuelve en cualquier ordenador personal compatible actual.

2. Descripción física

El programa sigue un método de trabajo como el que se describe a continuación y se basa en una metodología que plasma la experiencia en este tipo de trabajo de los miembros del TIIP.
En el diagrama de funcionamiento del programa se refleja la secuencia habitual de trabajo con programas de simulación; es decir, definición de la geometría, caracterización del polímero, programación de parámetros de proceso, simulación y análisis de resultados de postproceso.

3. Entrada de datos

El punto de partida del trabajo consiste en la introducción en el ordenador de la información correspondiente a la geometría de la pieza que se desea inyectar. Un punto clave del programa es la simplificación de la entrada de datos en cuanto a sencillez y eliminación de información redundante e innecesaria.
De esta manera, la geometría se simplifica a la de una tira que contiene la información acerca del camino de flujo que más caída de presión genere y que, a su vez, resulte más representativo para construir un mapa de presiones en cavidad simulado que nos aproxime al cálculo de la fuerza de cierre.
No es necesario definir toda la geometría tridimensional de la cavidad como sucede con los complejos programas de cálculo por elementos finitos. Basta con definir la tira bidimensional aludida por medio de la longitud, espesor y orientación respecto del plano de apertura y cierre definido por los platos de la máquina de todos los segmentos que el diseñador considere van a ser atravesados por el frente de flujo plástico al llenar el molde según la trayectoria anteriormente definida como característica.
En la figura 1 se muestra la pantalla de definición de la geometría. Los datos de los diferentes segmentos o tramos como espesor, longitud y anchura y orientación deben escribirse en las celdillas correspondientes. La gestión de esta información se realiza por medio de botones de utilidades. Para la verificación de la geometría existen dos ventanas gráficas que muestran la tira conforme se va modelizando.
Una vez cumplimentada la definición de la geometría, el programa realiza de manera automática la discretización o malla para el posterior cálculo. Para ello los tramos son subdivididos en pequeños trozos y el espesor en diferentes láminas desde el núcleo hasta la pared del molde.
El resto de parámetros que deben introducirse son: temperatura de colada, temperatura de pared de molde y caudal de inyección o tiempo de llenado.

4. Caracterización del material

Lo único que falta por determinar son las propiedades del polímero que se va a inyectar. Algunas de estas propiedades se encuentran en los catálogos comerciales como la densidad, la conductividad térmica y el calor específico y otros como la temperatura de no-flujo, la de solidificación y la viscosidad deber ser suministrados por el proveedor o se encuentran en las bases de datos más modernas.
De todas estas propiedades, la más importante es la viscosidad y la influencia que sobre ella tienen el "shear rate" (velocidad de cizalla) y la temperatura. El comportamiento viscoso de un termoplástico no se define por medio de un único valor sino que se describe con una ecuación más o menos compleja que ajuste un amplio rango de valores puntuales. Estas ecuaciones se denominan "modelos viscosos" y este programa trabaja con cuatro de ellos que resultan ser los más utilizados en los programas actuales de cálculo.
Estos modelos son:
Modelo en potencias
modelo exponencial de Cross
Modelo polinominal de Moldflow
modelo en potencias de Moldflow

No obstante, el programa cuenta con una amplia base de datos de materiales comerciales. Además, si se poseen datos acerca de la viscosidad en función de diferentes temperaturas y ratios de cizalla, es posible construir de manera automática alguno de los modelos citados.
La figura 2 muestra cómo se introducen algunas de las propiedades del polímero y cómo se selecciona el modelo viscoso.
Sobre la tira modelizada y mallada de manera automática se realiza un complejo cálculo. En este análisis se estudian las ecuaciones de continuidad y energía que describen el movimiento del fluido termoplástico dentro del molde. Las ecuaciones describen el flujo no-isotermo y no-newtoniano y entre placas.
Para resolver estas ecuaciones se aplica un proceso iteractivo basado en el método en diferencias finitas del investigador Hieber.

5. Resultados

Tras realizarse la simulación de cálculo se obtienen resultados de diferente índole:
- propiedades del termoplástico (en cada punto): temperatura, "shear rate", viscosidad y velocidad, todas ellas gráficamente y en forma de distribución a lo largo de toda la tira;
- parámetros de diseño: presión en cavidad (distribución a lo largo de la tira), presión en cavidad (evaluación en el tiempo de la presión en la entrada), temperatura media (en cada sección transversal), temperatura ponderada en función de la velocidad y porcentaje de capa fría a lo largo del espesor;
- postproceso avanzado: cálculo de la fuerza de cierre.
Todos estos resultados pueden estudiarse de manera gráfica. La figura 3 muestra la distribución de "shear rate" en cada porción de plástico. Se puede observar cómo éste es casi nulo en el núcleo y en la zona de material sólido próximo a las paredes del molde. Los máximos valores se alcanzan en las zonas adyacentes a la capa fría del exterior.
La última figura es un ejemplo de resultado de diseño. Se puede observar cómo evoluciona la presión en el plástico desde el punto de entrada a cavidad hasta el final del llenado y como varía en función del espesor que se va atravesando.

6. Ejemplo de aplicación

Se han comparado los resultados que se obtienen al evaluar la presión necesaria para inyectar una placa de 200 mm de longitud y 2 mm de espesor de poliestireno de uso general.
Los datos técnicos del material simulado son los siguientes:



Las últimas 5 constantes corresponden al modelo viscoso de Cross.
Para este ejercicio de comparación se han elegido otros dos programas de simulación. Se trata de Cmold versión 3.2 y Moldflow versión 8.0.
Los resultados del programa CMold v. 3.2 se han indicado como C-Flow y C-Flow*. La diferencia entre ellos es que para C-Flow* se ha empleado el mismo modelo viscoso que en el caso de Moldflow y se han obtenido en ambas simulaciones diferencias nada relevantes.
Los resultados del programa Moldflow v. 8.0 se han indicado como: Fast ("Fast analysis" con datos del material de su base de datos), Fast* (con datos de la base de datos de Cmold) y Multi (análisis multilaminar con datos de la base de datos de Cmold).

Si se observa la gráfica 2 de resultados se ve como todas las versiones y todos los programas convergen en la predicción del valor de presión en cavidad cuando se reproducen las condiciones óptimas de transformación.
Esto es: 200ºC de colada, 27 de molde y velocidad de inyección la adecuada para satisfacer el criterio de salto de temperatura mínimo en la cavidad. En este intervalo las diferencias oscilan entre el 2 y el 14% para velocidades de llenado más lentas, lejos de las condiciones reales de transformación. Los programas que calculan con técnica multicapa presentan un comportamiento similar, hallándose la curva TIIP en valores intermedios entre M-Multi y C-Flow y C-Flow*.

7. Conclusión

El software aquí presentado permite, en pocos minutos merced a una serie de simplificaciones, anticipar los parámetros de flujo de un molde como presión en cavidad y condiciones óptimas de transformación.
El programa presenta el aspecto innovador de haber sido concebido como una herramienta de cara al proyectista con potentes gráficos que hacen su uso agradable y sencillo.

Tabla 1. Datos técnicos del material simulado como ejemplo de aplicación
Conductividad 0.152 W/m K
Densidad 980 Kg/m²
Calor específico 2090 J/Kg K
Temperatura de no flujo 110°C
Temperatura de transición 101°C
n 0.3066
t*
B 1.191e-8 Pa.s
Tb 12870K
ß 0

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