Simulación asistida por computador para inyección de plásticos

El uso de ingeniería asistida por computador, o tecnología CAE, por su nombre en inglés ("Computer Aided Engineering") cobra cada vez más importancia en la industria de moldeo por inyección, al reducir la cantidad de desperdicio, incrementar la calidad de las piezas moldeadas y agilizar el tiempo de entrada al mercado de los productos plásticos.

Nuestro equipo editorial presenta tres historias recientes en simulación para el proceso de inyección: El desarrollo de una herramienta para comunicar procedimientos y resultados en moldeo por inyección, que permite compartir el conocimiento adquirido empleando herramientas CAE; el desarrollo de una solución de mallas híbridas, que ha agilizado el tiempo de procesamiento e incrementado la precisión del análisis en simulación de piezas de pared gruesa, y la simulación asistida con gas, una realidad tangible que demuestra su capacidad de predecir la ubicación del gas en la pieza moldeada, así como el espesor final de cada parte.

Comunicación que incrementa ganancias
Mientras que los beneficios generales de la CAE en plásticos han sido muy bien demostrados y son en la actualidad ampliamente comprendidos, hay mucha menor comprensión de las suposiciones, calidad y aplicabilidad que tiene cada análisis específico. Debido a la creciente tendencia hacia el "outsourcing" en el trabajo de análisis CAE en plásticos, el usuario de un análisis no sabe en general si éste se hizo con la aplicación, modelo, material y condiciones de proceso deseados. El conocimiento que se gana al desarrollar análisis CAE es rara vez compartido a través de una organización, y esto crea una barrera de comunicación de resultados.

La herramienta Moldflow Communicator 1.0, un sistema de visualización de resultados, comparación y cuantificación de sistema, soluciona estas necesidades de comunicación y aplicación. En su forma más simple, permite visualizar y comparar análisis generados con el software Moldflow Plastics Insight (MPI). Sin embargo, sus verdaderos beneficios resultan en la habilidad de cuantificar la calidad de los análisis desarrollados. Esto se logra a través de criterios de calidad de análisis establecidos por el usuario.

La herramienta hace posible ver resultados de análisis en forma dinámica e interactiva a través de modelos 3D, sin acceder a la información completa del producto MPI. El tamaño en la imagen, que anteriormente era un problema, no lo es más. Con la creación de un archivo de resultados (*.mfr) pueden visualizarse en forma eficiente los datos y contenidos de un análisis específico. El sistema permite entender y contabilizar las suposiciones, calidad y aplicabilidad de los análisis, y el conocimiento ganado porque tiene el potencial de ser compartido de manera efectiva entre todos los participantes del proceso diseño-manufactura. De acuerdo con su fabricante, puede descargarse para clientes y no-clientes de Moldflow de manera gratuita la dirección web www.moldflow.com/communicator. Próximos lanzamientos soportarán resultados de otros productos de la empresa, incluyendo el software Moldflow Plastics Adviser.

Mallas híbridas: lo bueno de cada método
Las primeras aplicaciones comerciales de análisis de flujo a través de software permitían a los usuarios determinar condiciones de proceso (temperatura de fundido, temperatura del molde y tiempo de inyección) y balancear el flujo en las cavidades y sistemas de canales. Hieber y Shen introdujeron el análisis de elementos finitos a la simulación en moldeo por inyección, asumiendo que la pieza tenía una pared delgada y que por tanto las variaciones en la presión en la dirección paralela al espesor podían ser ignoradas. Ese método se llama frecuentemente análisis 2,5D. El elemento que se usa en este tipo de análisis es un "cascarón" plano, generalmente con tres o cuatro lados.

Sin embargo, actualmente el modelaje de sólidos en tres dimensiones es la norma. Para analizar estos prototipos con elementos finitos se han generado dos soluciones: los análisis de elementos finitos con dominio dual, y los análisis de elementos finitos en tres dimensiones.

El método de análisis de elementos finitos de dominio dual (DD/FEA) usa una malla de superficie en la geometría sólida e inserta posteriormente elementos extra en diferentes planos para simular una especie de "llenado por capas" en el sólido. Entre más compleja sea la figura, más elementos conectores, o capas, hay que incluir en el modelo. Esta tecnología se emplea cuando la parte tiene un espesor de pared delgada.

El análisis de elementos finitos en tres dimensiones introduce una nueva clase de componentes a la simulación. Permite simular un rango más amplio de partes, que pueden tener paredes gruesas. Se emplea en partes que contienen insertos, ya sean metálicos o de otro material, y que son difíciles de analizar con la aproximación convencional de un cascarón. Otra ventaja es que un modelo 3D se acopla sin ambigüedad a la representación geométrica real de una pieza. El análisis de elementos finitos en tres dimensiones usa menos suposiciones que la simulación 2,5D, y puede contabilizar un gradiente de presión en la dirección del espesor de la pieza, por lo que permite el cálculo explícito de convección del fundido del flujo medio de la pared hacia el frente de flujo.

Es usual que los componentes moldeados por inyección estén conformados de regiones en dos y tres dimensiones. Por tanto, es común que se usen elementos de dominio dual en las secciones delgadas, y elementos de forma tetraedral (cuatro lados) en las regiones de tres dimensiones. Una propuesta de representantes de Moldflow [1] es la creación de un nuevo esquema de generación de malla, que produce elementos en forma de cuña en las regiones más delgadas. Esto permite el uso de elementos de tipo dual o elementos de mayor orden que soportan un campo de velocidades en tres dimensiones. De hecho, dado que cada cuña está conformada de dos triángulos separados por una distancia que representa el espesor de la pieza, la eficiencia computacional puede ser incrementada resolviendo el elemento en uno solo de los dos triángulos y reflejando el resultado en el lado opuesto de la cuña.

En las regiones donde no se puede generar un elemento-cuña se usan elementos convencionales tetraedrales, propios de una solución 3D. Por ejemplo la unión perpendicular entre una placa plana y un refuerzo puede ser mallada con elementos tetraedrales, mientras que la placa plana y la costilla en sí pueden ser malladas con cuñas. De esta forma el frente de flujo puede ser representado con exactitud en las regiones 3D (base de las costillas o esquinas) sin incurrir en el costo computacional que implicaría emplear elementos de cuatro lados en todas partes.

De acuerdo con los investigadores, aunque los resultados en análisis de flujo son positivos, la ventaja real del método se observa en el análisis de la deformación. Mientras que los efectos de las esquinas y las orientaciones de fibra se capturan mejor con los elementos tetraedrales, los elementos en forma de cascarón proveen resultados más precisos de flexión, con tiempos de análisis menores.

Análisis 3D de inyección asistida por gas 
Las piezas voluminosas con cambios en el espesor de pared, que pueden observarse en la inyección asistida con gas, no son buenas candidatas para ser simuladas con elementos tipo cascarón, ya que este tipo de simulación asume que el núcleo de gas que entra a la pieza está localizado en forma simétrica en el centro de cualquier sección transversal, lo cual no ocurre en un caso real. Por lo tanto, la simulación 2,5D no entrega información acerca de la distribución de espesor del polímero en esquinas, refuerzos o cambios de sección transversal en la pieza.

A través del trabajo de Ray, Costa y Kennedy, de Moldflow Australia , se demostró que el uso de elementos tri-dimensionales tetraedrales para representar la geometría del sólido podía ser mejor que el uso de cascarones. Incluso se logró predecir la forma real de la pieza y la penetración del núcleo de gas en partes con geometría compleja.

Se produjeron dos tipos de resultado de simulación: el primero es un resultado de gas-tiempo, que muestra el tiempo en el cual cualquier nodo es llenado con gas. Esto resulta útil para visualizar la secuencia de paso de gas durante el llenado y empaquetamiento de la cavidad. Sin embargo, este resultado tiene la desventaja de que si un nodo no está lleno con gas, o solamente está lleno parcialmente, no muestra ningún resultado. Por tanto, no aparece en la simulación, y el núcleo de gas que se muestra es más pequeño que el que se presenta en realidad.

Para solucionar esta limitación, se generó un modelo de llenado con gas en el que se presenta la posibilidad de que haya una seudo-concentración de gas en cada nodo. De esta forma se puede ver la proporción de cada elemento llena con gas. El desarrollo en simulación permite además identificar cuándo el frente de gas sobrepasa el frente de flujo antes de que la cavidad sea llenada. En este caso se puede identificar cuándo hace falta inyectar un volumen de polímero mayor antes de iniciar la inyección de gas.

En un ejemplo de aplicación, se compararon los resultados de la simulación y el moldeo real asistido con gas para una manija automotriz, fabricada por la empresa Schefenacker, Australia. La resina es una mezcla de PC y PBT. La simulación fue corrida en un equipo Intel P4-Xeon de 2,8MHz, y tomó 3 horas y 42 minutos.