Simulación en inyección de plásticos

Eduard Castells, AIDA, S.L.01/08/2002
El proceso de inyección de plásticos es un fenómeno extremadamente complejo de cara a un modelado físico que permita un tratamiento informático adecuado para una posterior simulación del proceso. Se trata en la práctica de un flujo tridimensional transitorio (en presiones, temperaturas, densidades ...) y con un frente de flujo en movimiento. Las bases físicas para estudiar este tipo de problemas se encuentran en las ecuaciones de Navier-Stokes para el flujo de fluidos generales.
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Sin embargo, en su momento se determinó que la complejidad que comportaba atacar el problema de esta manera, hacía inabordable el tratamiento de piezas de plástico industriales; por ello debía escogerse un modelo que proporcionara resultados satisfactorios y con tiempos de cálculo aceptables.

Las barreras que aparecían en este punto eran varias. Por una parte estaba la imposibilidad de obtener un sistema de mallado tridimensional correcto (además de automático) para un posterior tratamiento por el método de elementos finitos (FEM); por otro lado estaban los requisitos de memoria que necesitaban tal conjunto de complejas ecuaciones tridimensionales.Además los módulos para post-proceso necesitan calcular y ofrecer al usuario en forma visual y rápida (de hecho hay que transponerlo a través de una pantalla de ordenador 2D) unos resultados que se distribuyen en todo el volumen de la pieza y no sólo en la superfície.

El modelo que se ha demostrado más adecuado para la simulación de este proceso de llenadocompactación en la inyección de plásticos, es el llamado flujo generalizado de Hele-Shaw bajo condiciones no isotérmicas. De hecho es el que utilizan, de una manera u otra, todos los programas de simulación de la inyección de plástico que se comercializan hoy en día en nuestro país: Moldex no es una excepción (aunque con velocidades de proceso mejoradas considerablemente).

En la elección de cualquier modelo, es muy importante conocer las simplificaciones que se han utilizado. De esta manera se podrá entender el ámbito de aplicación de dichas aproximaciones. En el caso del modelo de Hele- Shaw, quizá la aproximación que tiene más repercusiones desde el punto de vista del usuario, es la suposición de vector de velocidad plano para el flujo de llenado del plástico (ver figura 1). El usuario tiene que modelar, a partir de la geometría tridimensional, una geometría de plano medio (o 2.5D), donde la velocidad del flujo a lo largo del espesor no varía.

Esta aproximación es muy conveniente para los polímeros. Las guías de diseño para dichos materiales hablan siempre de la necesidad de utilizar espesores uniformes y de evitar "masas" de material.Se trata pues de definir las piezas con geometrías de tipo corteza o de pared fina.

Esta simplificación geométrica de 3D a 2.5D (con el consiguiente mallado en elementos finitos) ha sido tradicionalmente y todavía sigue siendo uno de los problemas más engorrosos de cara a modelar una pieza 3D realizada en un CAD actual.Afortunadamente,muchos CAD modernos (Pro/Engineer, I-deas...) tienen comandos específicos para generar mallas directamente para programas de simulación de inyección.

Cabe mencionar además,que la exigencia de un programa de este tipo en lo que respecta a la definición del mallado para posterior análisis de elementos finitos,es muy superior a un programa de análisis de elementos finitos de tipo estructural (los más extendidos:Ansys, Abaqus,etc),por una parte porque el programa debe de tener un análisis de los elementos de contorno puesto que el flujo del fluído es móvil;por otra hay tres tratamientos de la fase de inyección que utilizan técnicas distintas sobre la misma geometría (los llamados FLOW/PACK o llenado/compactación, COOL o enfriamiento y WARP o deformación tras moldeo). De ahí la gran importancia de tener un mallado bien definido (en el caso de Moldex, por ejemplo, el mallado de cálculo se realiza en el propio programa).

Otras aproximaciones del modelo de Hele-Shaw son que las fuerzas inerciales se consideran insignificantes comparadas con las fuerzas viscosas y que se ignoran los efectos de conducción de calor en la dirección del flujo y de convección térmica en la dirección del espesor.

Limitaciones de Hele-Shaw

Las limitaciones del modelo de Hele-Shaw no son muchas (el 90% de las piezas industriales convencionales son de pared fina), sin embargo las hay y deben de tenerse en cuenta (ver gráfico 2):

-Flujos de surtidor ("Fountain flow"). La aproximación plana no es totalmente exacta: como se ve en la figura de la izquierda a veces se dan localmente pequeños retrocesos de flujo, fenómeno que es similar al que provoca la gravedad en una fuente de surtidor.

-Cambios de grosor abruptos. En estos casos los fluidos tienden a ocupar todo el volumen disponible, con lo que el flujo no puede ser localmente plano.

-Bifurcaciones y Ts.El fenómeno es similar.Las desviaciones hacen que localmente el flujo deje de ser plano.

-Fibras. Debido a los fenómenos mencionados previamente, las predicciones de dirección de las fibras es un fenómeno que no se puede predecir con exactitud con un modelo 2.5D. Se trata en definitiva de un fenómeno claramente 3D.Aunque con un estudio "multilayer" a lo largo del espesor se puede aproximar la predicción de orientación de fibras, los resultados no son mucho mejores que una simple observación de los campos vectoriales de velocidad.

En general el modelo de plano medio (o fibra neutra 2.5D) es poco adecuado cuando tenemos piezas de tipo "másico" en vez de tipo "corteza" (como criterio general cociente dimensión lateral/espesor < 10), es decir aquellas piezas donde se hace muy dificil o resulta muy arbitrario definir una geometría de plano medio. Como ejemplo se puede pensar en un cubo (donde hay tres posibles planos medios iguales), y a un nivel menos teórico tornillos o ruedas dentadas.

Para estas aplicaciones se hace necesario lo que podemos llamar un modelo 3D real. Este concepto es lo que los desarrolladores de este tipo de programas están buscando desde hace tiempo y sin duda, la aparición este tipo de programas supone un hito importante de cara a la simulación del moldeo por inyección.Al menos por tres razones:

1.Permite simular correctamente el comportamiento de piezas que hoy en dia no son adecuadas para un análisis 2.5D (piezas de tipo másico,como se mencionaba anteriormente).

2. Evita el traumático paso de mallado en geometría 3D a 2.5D sin pérdidas de precisión (hay programas actuales tipo Fusión que permiten hacer la simulación a partir de ficheros 3D en formato STL, utilizando una tecnología que podríamos llamar de "doble Hele- Shaw" pero que no consigue resultados fiables, básicamente por las licencias matemáticas necesarias -conectores- en la homogeneización impuesta artificialmente de velocidades en caras paralelas.

3.Establece las bases para el modelado completo, es decir, la reutilización total de los modelos para definir la pieza, el molde y la simulación conjunta de ambos elementos con un modelo 3D real.

Solo para poner un ejemplo, en un futuro no muy lejano, podremos generar una geometría 3D con un CAD convencional (I-deas, Pro/Engineer...) analizarla con simulación de inyección 3D real (MOLDEX- 3D...) o estructuralmente (Ansys, Abaqus...) y diseñar por entero el molde con su despiece completo para llevarlo a fabricación (Mold Wizard...), todo ello con una interacción directa entre los distintos interfaces que permitan modificaciones que tengan en cuenta tanto el proceso industrial como el proceso del utillaje y la funcionalidad estructural de la pieza.

En este sentido, el novedoso Moldex- 3D (de Coretech System Co., Ltd.) ha conseguido ya la primera implementación práctica de simulación 3D de inyección de plástico. Para ello utiliza un método basado en la Fluidodinámica Computacional (CFD, en sus siglas inglesas). Emplea del método de volúmenes finitos para resolver las ecuaciones del flujo térmico y en paralelo hace un seguimiento para el avance del frente de flujo (estudio del volumen de fluido en cada instante).

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