Simulación 3D de inyección de termoplásticos reforzados

01/11/1999

 

Hiperplast utiliza varios PCs para acelerar la simulación

 

La simulación por ordenador de la inyección puede ayudar a reducir costes y tiempo de diseño, lo cual se traduce en un incremento de productividad. Sin embargo, los simuladores comerciales no son suficientemente fiables en el caso de materiales reforzados debido a que el proceso resulta mucho más complejo. En este artículo se describe Hiperplast, un simulador basado en tecnología HPCN que ha sido desarrollado precisamente para abordar este problema.


En la industria del plástico, hay una necesidad creciente de reducir los ciclos de desarrollo, minimizar el uso de recursos, incrementar la seguridad, optimizar la calidad del producto, satisfacer los deseos del cliente, etc. Los prototipos son muy costosos y requieren mucho tiempo de desarrollo. Por otro lado, las simulaciones con ordenador también requieren mucha memoria y tiempo de cálculo. En la aproximación estándar (secuencial), hay que introducir muchas simplificaciones para poder completar simulaciones numéricas en un tiempo aceptable (modelos físicos y geometrías simplificadas, gruesos mallados a la hora de discretizar las ecuaciones, etc.). Aunque estas simulaciones sirven de ayuda, se requiere una precisión mucho mayor para conseguir el objetivo de reducir el número de prototipos físicos necesarios hasta alcanzar el diseño óptimo.

La simulación por ordenador de procesos de inyección de plástico está siendo utilizada desde hace mucho tiempo. Sin embargo, la simulación 3D (en tres dimensiones) de termoplásticos reforzados con fibras cortas es un problema crítico, ya que la inyección de este tipo de materiales es un proceso físico muy complejo (un problema de Stokes anisótopo). Los escasos productos comerciales que proporcionan alguna aproximación consideran únicamente la superficie de la pieza, sin tener en cuenta cómo avanza el flujo en su interior. Hiperplast, un simulador basado en tecnología HPCN, ha sido desarrollado precisamente para abordar este problema, en el marco de un proyecto financiado por la Comisión Europea. El objetivo industrial del proyecto es aumentar el uso de plásticos reforzados en el sector del juguete, en concreto en los vehículos eléctricos como automóviles y motocicletas. En este proyecto han participado la Universidad Politécnica de Valencia (coordinador y experto en HPCN), la Ecole Normale Superieure de Cachan (experto en materiales plásticos), Onilco Innovación (usuario final) e Intergraph España (proveedor de tecnología).

Las siglas HPCN proceden del inglés High Performance Computing and Networking, Básicamente, esta tecnología consiste en la utilización conjunta de varios ordenadores en la solución del mismo problema. De esta manera, es posible aumentar la potencia de computación del sistema con sólo agregar más ordenadores. El uso de esta tecnología reduce el tiempo de la simulación y permite realizar análisis más precisos. En el caso de Hiperplast, la tecnología HPCN es obligatoria ya que la simulación de piezas reales no sería posible sin ella.

Procedimiento tradicional de diseño

En el diseño de los juguetes de plástico citados resulta necesario hacer uso de algunas piezas estructurales de acero inoxidable o aluminio, normalmente con formas complejas. La utilización de estas piezas metálicas plantea problemas de altos costes productivos, dependencia de proveedores externos y mantenimiento de grandes inmovilizados. Una forma de aliviar estos problemas es construir dichas piezas como un ensamblaje de tubos metálicos y juntas hechas con plásticos reforzados. Con este cambio se conserva sólo un armazón simple de piezas metálicas que pueden ser comunes a distintos juguetes. Este último factor es fundamental para la industria del juguete en donde, por la naturaleza del ciclo de vida de los productos, hay que renovar los diseños cada año.

Como es sabido, el diseño de nuevos productos implica un proceso iterativo de construcción de prototipos físicos y modificación del diseño en base a las pruebas realizadas. Las propiedades mecánicas óptimas de una pieza de plástico reforzado se obtienen cuando las fibras se orientan en la dirección de las tensiones a las que ésta será sometida. La orientación depende de la geometría del molde, de la posición de los inyectores, de las propiedades del material (viscosidad y porcentaje de fibras) y de aspectos del proceso tales como la velocidad del flujo de inyección y la temperatura. Este procedimiento cuenta con múltiples desventajas de carácter práctico, debido a que el operario no dispone de medios para verificar si su estimación es correcta hasta que el prototipo está físicamente disponible. La construcción del molde resulta muy costosa (de 2000 a 3000 Euros por molde) y, lo que es peor, ocasiona que el proceso de diseño resulte muy prolongado (15 días por molde).

 

El reómetro
Los simuladores de inyección de plásticos requieren el conocimiento de parámetros físicos del material inyectado que, con frecuencia, son desconocidos. Muchas veces, estos códigos se utilizan con valores por defecto, lo que limita su potencial en la práctica. Para superar esta dificultad, algunas empresas de software ofrecen bases de datos de materiales, pero a veces estas no cubren todos los materiales disponibles o usan parámetros generales. En el marco del proyecto HIPERPLAST se ha desarrollado un dispositivo reométrico mediante el cual se pueden realizar estudios de medición para determinar los parámetros necesarios como datos de entrada de la simulación con termoplásticos reforzados.

 

Ciclo de diseño utilizando la simulación

Estos inconvenientes se pueden paliar usando la simulación por ordenador. En el caso de la inyección, el material fundido se inyecta en el molde y se efectúa un proceso de llenado. Este proceso se puede simular en un computador, prediciendo así el estado final de la orientación de las fibras en la pieza conformada. Usando una herramienta de simulación fiable, el proceso de diseño de nuevas piezas sigue las siguientes pautas: como antes, primero se diseña una pieza inicial con una herramienta CAD. A continuación se especifican los parámetros del proceso de inyección (el material, puntos de inyección, temperatura, etc.) dentro de la misma herramienta CAD. Una vez que se han fijado estos parámetros, se lanza la simulación. Los resultados de la misma aportan información acerca de la orientación de las fibras en los puntos críticos, lo que servirá de ayuda en la toma de decisiones para, en caso necesario, modificar el diseño y repetir el proceso. Con este nuevo esquema, el único prototipo físico construido sería el correspondiente al diseño óptimo obtenido como resultado final de todo el proceso de simulación. De este modo los prototipos intermedios pueden ser evitados, reduciendo los costes de la etapa de diseño. Más aún, este nuevo proceso es más corto en el tiempo, lo que representa ventajas importantes.

La razón de la falta de soluciones comerciales fiables para este problema es la gran complejidad del proceso de inyección de termoplásticos reforzados. Además de la dificultad de la modelización matemática del proceso físico, derivada del acoplamiento entre el movimiento del fluido y el de las fibras que viajan en su interior, existe el problema de la enorme complejidad de cálculo. La simulación de una pieza compleja puede requerir varias semanas de cómputo, incluso con un ordenador de gran potencia y con mucha memoria. Todos estos problemas han sido abordados en Hiperplast que constituye el primer simulador 3D para la inyección de plásticos reforzados con fibras cortas. Hiperplast se basa en el método de elementos finitos. Algunos avances recientes realizados en el marco de este método se han aplicado para hacer frente a las dificultades del problema descrito.

Características básicas

Se ha utilizado una aproximación tridimensional para los elementos finitos, de modo que la simulación pueda tratar moldes con forma arbitraria, ya que en general el usuario requiere la simulación de piezas de formas complicadas. Además, la granularidad de la malla utilizada en el análisis debe ser suficientemente fina, de modo que el resultado de la simulación sea preciso. Por estos motivos, los problemas algebraicos que debe resolver internamente el simulador son muy complejos, sistemas de ecuaciones lineales de hasta dos millones de incógnitas. Para resolver estos problemas, los métodos convencionales no sirven y, en su lugar, hay que aplicar métodos avanzados. Aún así esto no resulta suficiente, ya que un ordenador común no tiene bastante memoria para almacenar toda la información necesaria. Por otro lado, aunque se utilizara un ordenador con suficiente memoria, la simulación necesitaría demasiado tiempo, lo que limitaría su uso práctico.

Hiperplast resuelve estos problemas mediante la utilización de la tecnología HPCN. Para ello se realizan las simulaciones con varios PCs conectados en red. Además de la reducción en el tiempo de simulación, otra importante ventaja de esta aproximación es la posibilidad de resolver problemas con un tamaño que exceda la capacidad de memoria de un único computador. Usando varias máquinas en paralelo, la demanda de memoria del simulador es compartida uniformemente por todas ellas, permitiendo hacer frente a problemas reales de muy gran dimensión sin inversión adicional en hardware. En cuanto a facilidad de uso, Hiperplast ha sido diseñado de modo que se adapte fácilmente, como un módulo, a los sistemas CAD/CAM más comunes, como I-DEAS, CATIA, CADAM ó ANSYS. Actualmente, funciona en plataformas UNIX y Linux, y está previsto su adaptación a Windows NT.

Conclusiones

La iniciativa HPCN-TTN Network de la Unión Europea (ver http://www.hpcn-ttn.org) está demostrando las ventajas que la tecnología HPCN puede aportar a las PYMEs a través de numerosas aplicaciones reales, muchas de ellas convertidas ya en productos comerciales, que resuelven demandas concretas de diferentes sectores, entre ellos el plástico. En particular, el proyecto Hiperplast (ver http://hiperttn.upv.es/hiperplast) se puso en marcha con el objetivo de satisfacer una necesidad concreta de una empresa, pero sus resultados pueden ser aprovechados por otras empresas. Asimismo, más de diez proyectos relacionados con el sector de los plásticos han sido desarrollados en otros países Europeos para responder a demandas de la industria en aspectos tan variados como la extrusión de espuma, la simulación de procesos de soplado o el comportamiento dinámico de materiales plásticos (ver http://www.vcpc.univie.ac.at/activities/projects/fcm).

Beneficios económicos

Onilco Innovación, usuario final de Hiperplast, es una compañía dedicada a tareas de I+D en el campo de la industria del juguete, que pertenece al grupo Famosa. La estrategia principal de Famosa es ofrecer un valor añadido a sus productos por medio de la innovación, el diseño, la tecnología y la comercialización, ya que se ve obligada a competir con los productos de compañías que utilizan intensivamente mano de obra barata, con plantas de producción situadas en países como China o Méjico. En la sección de los vehículos eléctricos de la industria del juguete, la inversión requerida para la introducción de un producto nuevo es muy alta y el tiempo requerido para su comercialización es también demasiado largo. El objetivo de Hiperplast es permitir la producción de vehículos con un 95% de sus piezas hechas de termoplástico, en vez del 75% actual. Esta reducción permitirá un ahorro de coste del 80% en esta clase de piezas. La reducción progresiva en el uso de piezas metálicas es una estrategia importante de Famosa para aumentar su cuota en el mercado Europeo, planeándose alcanzar el 38% frente al 20% actual.

Aparte del sector del juguete, muchas industrias que utilizan termoplásticos reforzados inyectados en un molde pueden conseguir beneficios con la adopción de Hiperplast. Algunos ejemplos son el sector del automóvil, la industria de complementos para deporte o los electrodomésticos.

Vicente Hernández
Antonio M. Vidal
Jose E. Román
Universitat Politecnica Valencia

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