5 - CAE ANÁLISES E SIMULAÇÕES

5.3 - TIPO DE ANÁLISE/ SIMULAÇÕES DE ENGENHARIA

5.3.1 - SIMULAÇÃO DE PROCESSO

A utilização de ferramentas de CAE permite prever soluções para eventuais problemas, pelo que representa uma economia de tempo e custos na concepção e produção de peças e/ou respectivas ferramentas de produção (moldes).

A Engenharia Assistida por Computador (CAE) pretende dar apoio na concepção, criação e produção de peças em plástico, através de conselhos técnicos rigorosos, científicos e precisos, capazes de garantir maior segurança e credibilidade nas fases de desenvolvimento, quer do produto, quer do molde. Podem ser destacadas três tipos de análise:

• Análise de fluxo;
• Análise de refrigeração;
• Análise de empeno.

Fases de um estudo com suporte de CAE

1. Criação da geometria: modelação das superfícies correspondentes à fibra média;

2. Criação de uma malha de elementos finitos: com base na geometria 3D anteriormente definida, é criada uma rede de elementos triangulares ou quadrangulares, ligados entre si por nós. Os cálculos serão efectuados para cada nó da rede;

3. Definição do sistema de alimentação completo, o qual pode incluir um ou vários dos seguintes componentes:

   • gito;
   • sistema de canais (quentes ou frios);
   • injector e ataque;
   
   

4. Modelação dos circuitos de refrigeração do molde;

5. Definição das condições de análise:

   • matéria prima plástica;
   • material do molde;
   • condições de moldação;
   • forças aplicadas na peça;
   • pontos de fixação da peça, etc;
   
   

6. Simulação

   • cálculos de estrutura na peça;
   • cálculos de escoamento no molde;
   • cálculos de refrigeração do molde;
   • cálculos de empeno da peça;
   
   

7. Análise de resultados e estudos de optimização: interpretar os resultados, identificar eventuais problemas, procurar soluções, alterar as condições de análise e se necessário a geometria da peça ou do molde, e repetir o processo a partir do passo 3, 4 ou 5, conforme as alterações efectuadas

Eficiência das Técnicas de CAE

A eficiência das técnicas de CAE depende do conhecimento que se tem do processo de injecção e do comportamento dos materiais plásticos, e também do rigor dos modelos de elementos finitos que representam as peças a estudar.

Depois de claramente definidos os objectivos, terá de se definir uma estratégia de análise do problema. Para tal, é fundamental a compreensão de todo o processo e da influência dos vários parâmetros que irão determinar o resultado final, para se saber quais as questões que devem ser colocadas ao sistema de CAE, pois este envia respostas muito específicas para situações também específicas. Assim, há que saber interpretá-las e transportá-las para o contexto real.

Na preparação da geometria poderão ser omitidos alguns pequenos pormenores que não têm influência significativa no padrão de escoamento do fundido ou na resistência e estabilidade dimensional da peça, mas de resto, o modelo utilizado para um estudo de CAE deverá reproduzir tão fielmente quanto possível a geometria da peça, principalmente quando se pretendem fazer estudos de empeno ou de resistência mecânica. O próprio rigor com que é construída a malha de elementos finitos pode ter influência na fiabilidade dos resultados.

5.3.1.1 - Análise de Fluxo

Aplicações

• optimização das condições de enchimento para uma determinada aplicação:

  • temperatura do material;
  • temperatura do molde;
  • tempo de injecção/velocidade de injecção;
  • perfil de velocidades escalonadas;
  • perfil de pressurização com pressões escalonadas;
  • pressão de injecção;
  
  

• avaliação das quedas de pressão para optimizar a escolha da máquina de injecção: verificação da pressão de injecção e da força de fecho necessárias;

• optimização do equilíbrio de fluxos nas cavidades: os gradientes de pressão e temperatura devem ser homogéneos nas diferentes cavidades;

• Optimização do sistema de alimentação: para além de permitirem um controlo de fluxo, permitem também controlar o calor gerado por atrito:

  • tipo de ataques e sua localização na peça;
  • dimensões e layout dos canais de alimentação;
  
  

• linhas de união do material:

  • posicionamento - evitar linhas de união do material em zonas da peça que sejam muito solicitadas ou muito visíveis;
  • qualidade das uniões - avaliação da temperatura e da espessura da camada sólida nas zonas onde o material se junta;
  
  

• prisões de ar/gás: localizar as zonas do molde onde há acumulação de ar ou de gás e prever fugas nessas zonas do molde;

• optimização da forma (geometria) das peças, estudando o enchimento das suas partes mais criticas:

  • taxas de corte importantes, conduzem ao aquecimento do polímero e consequentemente, há o risco de degradação do material;
  • uma distribuição de temperaturas muito heterogénea na cavidade, provocará diferenças de contracção nas peças, as quais poderão conduzir a deformações de empeno depois de desmoldadas;
  
  

Requisitos

• desenho da peça (2D ou 3D) e do sistema de alimentação, se este já estiver definido

• material plástico:

  • características térmicas;
  • propriedades reológicas;
  
  

• temperatura de injecção;

• temperatura do molde;

• tempo de injecção ou velocidade de injecção;

• pressão máxima da máquina de injecção.

Software

• posição da frente do fundido em cada instante da fase de enchimento;

• temperatura da frente de fundido;

• distribuição de temperaturas na cavidade, no final do enchimento;

• pressão de injecção;

• taxas e tensões de corte no material;

• espessura da camada sólida;

• vectores de orientação do fluxo;

• volume de material injectado, para cada um dos pontos de injecção;

• força de fecho requerida na máquina de injecção.

5.3.1.2 - Análise de Refrigeração

Aplicações

• optimização das condições de arrefecimento para um determinado molde, de modo a minimizar as diferenças de temperatura nas superfícies moldantes;

• definir o sistema de refrigeração para um determinado molde por forma a garantir uma refrigeração eficiente para todas as zonas da moldação;

• determinação das condições de refrigeração que garantam um determinado tempo de arrefecimento: temperatura de entrada e caudal de água (ou óleo) em cada circuito;

• determinação do tempo de arrefecimento necessário quando se utilizam determinadas condições de refrigeração.

Requisitos

• análise de fluxo 3D;

• desenho do sistema de refrigeração do molde;

• temperatura do molde;

• fluído de refrigeração utilizado;

• condutividade térmica do aço nas zonas moldantes;

• percentagem de material solidificado antes de se fazer a extracção das peças.

Respostas do Software

• condições de refrigeração/aquecimento do molde:

  • tempo de arrefecimento;
  • caudal de fluído refrigerador (normalmente água ou óleo) em cada circuito;
  • temperatura de entrada do fluído de refrigeração em cada circuito;
  
  

• quedas de pressão nos canais de refrigeração;

• distribuição de temperaturas nas superfícies moldantes (cavidade e bucha);

• diferenças de temperatura entre a cavidade e a bucha;

• temperatura máxima ao longo da espessura da peça, em cada elemento da malha;

• tempo máximo de solidificação: valor e localização na peça.

5.3.1.3 - Análise de Empeno

Aplicações

• verificação da forma das peças após desmoldação: ver se ocorrem distorções na geometria. No caso de serem detectados empenos nas peças, verificar qual ou quais as principais causas do empeno:

  • diferenças de temperatura entre cavidade e bucha;
  • diferenças de contracção na peça;
  • diferenças de orientação no material;
  
  

• calcular as dimensões finais das peças obtidas com determinadas condições de moldação e verificar se são ou não respeitadas as tolerâncias dimensionais exigidas.

Requisitos

• análise de fluxo 3D ( enchimento e compactação das cavidades);

• análise de refrigeração;

• propriedades mecânicas do material;

• coeficientes de contracção do material nas direcções paralela e perpendicular ao fluxo.

Respostas do Software

• distribuição de contracção na peça:

  • contracção na direcção paralela ao escoamento;
  • contracção na direcção perpendicular ao escoamento;
  • contracção volumétrica;
  
  

• valores da deformação nas direcções x, y e z, para cada nó da malha;

• visualização da malha deformada.