”Hyvä Tietää Muovista” on MuoviPlast-lehdessä jo vuodesta 2012 lähtien ilmestynyt artikkeleiden sarja, joissa esitellään perustietoa tavallisimmista muoveista.

Teksti Ulf Bruder / Brucon Ab, käännös Erik Lähteenmäki / Polymerik Oy.

  • A Kuvassa tuote sellaisena kuin suunnittelija oli ajatellut ja jolta sen pitää näyttää. Seuraavassa kuvassa miltä tuote näytti alussa kun se tuli muotista. B Kuvassa näkyy muovituotteen voimakas taipuminen. Syynä ovat sisäiset jännitykset, jotka vuorostaan johtuvat joko tuotteen epätasaisesta seinämäpaksuudesta tai epäedullisesta muotin temperoinnista. Moldflow ohjelman kutistuma- ja kieroutumismoduleilla tämä olisi voitu simuloida etukäteen ja korjata tuotteen tai muotin muotoilua, siten että ongelma olisi vältetty.
  • Kuvassa alumiinista valmistettu huonekalukiristimen prototyyppimuotti (punainen kehys). Siinä valmistuu yksi tuote per ruiskuvalujakso. Alla teräksestä valmistettu 16-pesäinen tuotantomuotti. Sen valmistus on 30-kertaa kalliimpaa verrattuna alumiiniseen prototyyppimuottiin.
  • Kuvassa tuotesuunnittelija tietokoneensa äärellä. Kuvaruudulla näkyy muotin täyttymissimulaatio-ohjelma Moldflow. Moni muotin täyttymissimulaatio-ohjelma toimii tavallisella pöytätietokoneella, mutta vaatii paljon laskentatehoa. Jotta laskelmat eivät vie liian kauan on tietokoneessa oltava nopea prosessori ja paljon muistikapasiteettia.
  • Kuvassa huonekaluista tuttu kiristin, jolla huonekalujen osat kiinnitetään toisiinsa. AD-Plast AB, joka on kehittänyt tämän polyamidista valmistetun komponentin, voitti arvostetun ruotsalaisen ”Plastovationer 2009” kilpailun. Yritys onnistui muuttamaan metallikomponentin muovista valmistetuksi ja saamaan siitä vahvemman kuin vastaavan metallikomponentin muuttamatta ulkoisia mittoja.

Kun on suunniteltava muotti ja aletaan ruiskuvalaa uutta kappaletta muovista, ollaan usein haasteiden edessä ja moneen kysymykseen haetaan vastausta:

  • Ovatko tuotteen mitat oikein?
  • Kieroutuuko tuote?
  • Ovatko virtausmatkat liian pitkät suunnitellulle materiaalille, ts. tuleeko tuote täyteen?
  • Mihin portti on sijoitettava, jotta tuotteesta tulee mahdollisimman kestävä?
  • Ovatko temperointikanavat oikein sijoitettu ja mitoitettu?

Prototyyppimuotti

Jotta uutta muottia tehtäessä vältyttäisiin ikäviltä yllätyksiltä, valmistettiin aikaisemmin prototyyppimuotti, jotta nähtiin miltä ruiskuvalukappale näyttää todellisuudessa kun se ruiskuvaletaan. Toinen vaihtoehto oli, että tuotantomuottiin valmistettiin ainoastaan yksi monesta pesästä. Tällä menetelmällä säästettiin sekä rahaa että aikaa, mutta se ei ollut aina täysin luotettava koska virtausmatkat ja muotin jäähdytys eivät aina vastanneet lopullista tuotantotyökalua. Nykyään valmistetaan edelleen prototyyppimuotti kun ruiskuvalukappale on vaativa tai muotti erikoisen kallis. Autoteollisuudessa näitä muotteja kutsutaan joskus ”pehmeiksi” muoteiksi koska ne valmistetaan joko alumiinista tai helposti työstettävistä teräslaaduista. Kun kyseessä ovat yksinkertaisemmat tuotteet, on prototyyppimuotin valmistus korvattu monessa tapauksessa muotin täyttymissimulaatiolla.

Muotin täyttymissimulaatio

Muotin täyttymissimulaatio tai -analyysi on tietokonepohjainen työkalu, joka helpottaa onnistuneiden muovituotteiden saamisessa nopeammin, kun valmistetaan uusi tai muutetaan olemassa olevaa muottia.

Muotin täyttymissimulaation edut:

  • Mahdollisuus päästä oikeaan tulokseen nopeammin
  • Tehokas työkalu tulokselliselle Lean-työskentelylle  tähtäimenä jatkuva kehittäminen
  • Vastaus siihen mitkä prosessiparametrit ovat tärkeimmät tuotteen ominaisuuksille ja joihin pitää optimoinnissa keskittyä
  • Antaa tietoa joilla prosessi-ikkunaa voidaan suurentaa ja luoda varmempi tuotanto
  • Useimmiten alhaisemmat kehityskustannukset kuin prototyyppimuotilla

Työvaiheet

Mesh-malli Yhä useampi yritys on omaksunut että muotin täyttymissimulaation on oltava osa uuden muovituotteen kehitysprosessia. Monet suunnittelijat käyttävät CAD-ohjelmia kuten Pro-E, Catia tai Solid Works luodessaan 3D-malleja uudesta tuotteesta. Tästä tuloksena saatavaa STL- tai Iges-tiedostoa voidaan käyttää nk. mesh-mallin tekoon.

tekstiin01

Kuvassa 3D-malli auton etuvalon rungosta STL-muodossa. Malli on luotu lukuisista pienistä kolmioista.

tekstiin02

Kuvassa sama etuvalon runko kuin edellisessä kuvassa. Moldflow täyttymissimulaatio-ohjelmassa on luotu nk. mesh-malli, jota käytetään jatkossa simulointeja varten.

tekstiin03

Kuvassa syöttöpisteen sijainti merkittynä keltaisella kartiolla. Syöttöpisteen siirtäminen ja uuden laskelman teko on helppoa, mikäli ei ole tyytyväinen täyttymiseen tai mikäli yhtymäsaumat jäävät alueille, joihin kohdistuu korkeita mekaanisia jännityksiä.

Raaka-aineen valinta Työn kulussa mesh-mallin luomisen jälkeen on vuorossa raaka-aineen valinta. Moldflow ohjelmassa on mukana laaja tietokanta muoviraaka-aineita valmiina. Mikäli raaka-aine, jota halutaan käyttää, puuttuu täytyy raaka-ainetoimittajalta pyytää tiettyjä raaka-aineparametrejä (reologisia ym.), jotka sitten itse syötetään raaka-ainetietokantaan.

Työstöarvot Koska raaka-aineen sulaviskositeetti on riippuvainen sulan massan lämpötilasta, muotin lämpötilasta ja leikkautumisnopeudesta on nämä parametrit myös asetettava, mikäli raaka-ainetta ei ole ohjelman tietokannassa.

Syöttöpisteen valinta Ennen laskelmien aloittamista simulointiohjelmalla, valitaan mahdollinen syöttöpiste. Mikäli käyttäjällä ei ole aavistustakaan mihin se pitäisi sijoittaa, voi Moldflow ohjelma suositella sopivaa kohtaa.

Simulointi Laskentatyö saattaa kestää useita tunteja, riippuen kappaleen monimutkaisuudesta (kuinka hienojakoinen mesh-malli on) ja tietokoneen tehosta. Laskennan tuloksena saadaan vastauksia seuraaviin kysymyksiin

  • Onko nykyinen ratkaisu paras mahdollinen (optimointi)?
  • Mikä on paras syöttöpisteen sijainti yhtymäsaumoja ja imuja koskien?
  • Kuinka laaja prosessi-ikkuna on?
  • Miten tasapainottaa monipesämuotin valukanavisto?
  • Miten raaka-aine vaikuttaa lopptutulokseen?
  • Miksi on laatuongelmia (jälkeenpäin analysoitaessa)?

Simuloinnin tulokset Simulointilaskelmien tulokset esitetään normaalisti graafisina kuvaajina ja alla on joitakin, joita voidaan analysoida:

  • Täyttymiskuva
  • Paineen jakautuminen
  • Jäähdytysaika
  • Lämpötilat
  • Leikkausjännitykset
  • Sulkuvoima
  • Yhtymäsaumat
  • Ilmasulkeumat
  • Prosessiparametrit
  • Lasikuidun orientoituminen

Täyttymiskuva

tekstiin05

Kuvassa etuvalon rungon täyttymisaika kuvattuna eri väreillä Sininen on on lyhin aika ja punainen on pisin aika. Kuvasta näkyy myös missä kappale täyttyy viimeiseksi (harmaa väri). täyttymistapahtumaa tarkastellaan normaalisti animaationa. Moldflow laskennan tulos on muunnettavissa myös flash-muotoiseksi videoksi, jota voi katsella millä tietokoneella tahansa.

Kuvassa täyttymisaika värispektrinä esitettynä. Oikealla olevalla akselilla on kuvattu mitä täyttymisaikaa mikäkin väri edustaa sekunteina. Harmaalla alueella, joka ei ole vielä täyttynyt on  odotettavissa ilmasulkeumia ja yhtymäsauma. Sen lisäksi, että voi itse vaikuttaa siihen mihin ilmasulkeumat ja yhtymäsaumat muodostuvat, on tätä tarkoitusta varten lisäksi olemassa erityisiä kuvaajia riskianalyysin kera.

Paineen jakautuminen

tekstiin06

Kuvassa paineen jakautuminen värispektrillä esitettynä. Oikealla olevalla akselilla on kuvattu mitä paineita [MPa] eri värit esittävät. Kuvasta voidaan todeta että 17,71 MPa jälkipaine (ts. maksimipaine oikealla olevalla skaalalla) ei riitä etuvalon rungon täyttämiseen kokonaan, koska alhaalla on harmaa alue.

Sulkuvoima

tekstiin07

Moldflow-ohjelma voi auttaa tarvittavan sulkuvoiman laskennassa. Kuvassa tarvittavan sulkuvoiman määrä koko jakson aikana, tässä tapauksessa etuvalon rungolla, on vähintään 110 tonnia

Jäähdytysaika

tekstiin08

Kuvassa esitetty tarvittava jäähdytysaika ennen kuin kappale voidaan työntää ulos muotista. Vihreä alue vastaa noin 25 sekuntia. Joissa kohdissa on punaisia alueita jotka vaativat vähintään 50 sekuntia. Optimoimalla temperointi näillä kuumilla alueilla, vältytään kalliilta yllätyksiltä kun muotti otetaan tuotantoon.

Temperointi

tekstiin09

Mikäli tilanne on kuten edellisessä kuvassa esitetty, eli temperointi ei ole tarpeeksi tehokas, voidaan temperointikanavia modifioida Moldflow-ohjelman avulla ja tarkistaa mikä vaikutus sillä on muotin temperointiin. Kuvassa temperointikanavat ja lämpötilajakauma 2-pesäisessä muotissa purkkien valmistukseen.

Lasikuidun orientoituminen

tekstiin10

Moldflow-ohjelman avulla voidaan nähdä miten lasikuitu orientoituu muottipesässä täyttymisen aikana.

Kutistuma ja kieroutuminen

Useimmat muovimateriaalit ocat anisotrooppisia, ts. ominaisuudet kuten lujuus ja kutistuma ovat eri raaka-aineen virtaussuunnassa verrattuna poikkisuuntaan. Mikäli ei ole tietoinen tästä voi yllättyä koskien kutistumaa ja kieroutumista kun uusi muotti otetaan käyttöön ensimmäisen kerran. Muottikutistuma, joka kaikilla ruiskuvaluun käytettävillä kestomuoveilla normaalisti on, riippuu seuraavista tekijöistä:

  • Materiaalin kutistumaominaisuudet eri suunnissa (ts. portin sijainnilla on suuri merkitys)
  • Molekyyliketjujen- ja kuidun orientoituminen muottipesässä
  • Seinämäpaksuuden vaihtelut kappaleessa
  • Jälkipaineen taso ja aika ruiskuvaluprosessissa
  • Muottipesän lämpötila jäähdytysajan aikana

Mikäli muottikutistuma vaihtelee tuotteen eri kohdissa em. seikoista riippuen, tulee kappaleeseen sisäisiä jännityksiä. Nämä jännitykset aiheuttavat tuotteen taipumisen tai kieroutumisen kun ne vapautuvat.

Kieroutumisanalyysi

tekstiin11

Yksi kaikkein kehittyneimmistä moduuleista Moldflow-ohjelmassa on kutistuma- ja kieroutumisanalyysi. Kuvassa nakyy mikä tulos on etuvalon rungolla. Mikäli portti sijoitetaan keskelle kappaletta kuten kuvasta näkyy, saadaan yli 2,2 mm:n mittapoikkeama tuotteen yhdessä päädyssä (kuvassa kappaleen vasen pääty) sekä noin 1 mm:n mittapoikkeama toisessa päädyssä.

Portin sijoittaminen

Mikäli portti siirretään etuvalon rungon keskeltä siihen päätyyn, jossa oli suurin mittapoikkeama saadaan huomattavasti pienempi kieroutuminen aikaisempaan verrattuna. Siirtämällä portti kappaleen vasempaan päätyyn on tuloksena ainoastaan 0,4 millimetrin mittapoikkeama kappaleen kummassakin päädyssä, ts. huomattava parannus. Tällaisten muutosten tekeminen valmiissa muotissa on hyvin kallista ja motivoi hyvin simulointien tekoon, kun kieroutumisen riski on olemassa.

tekstiin12

Siirtämällä portti kappaleen vasempaan päätyyn on tuloksena ainoastaan 0,4 millimetrin mittapoikkeama kappaleen kummassakin päädyssä, ts. huomattava parannus. Tällaisten muutosten tekeminen valmiissa muotissa on hyvin kallista ja motivoi hyvin simulointien tekoon, kun kieroutumisen riski on olemassa.

Raaka-aineen vaihto

Joissain tapauksissa raaka-aineen vaihto saattaa olla vaihtoehto portin siirtämiselle. Kuvassa portti on sijoitettu alkuperäiseen paikkaan, ts. keskelle etuvalon runkoa ja vaihtamalla osakiteinen lasikuitutäytetty PP raaka-aine täyttämättömään amorfiseen PC/ABS raaka-aineeseen saadaan huomattava väheneminen kieroutumisessa.

Säilyttämällä alkuperäinen portin sijoitus, mutta vaihtamalla raaka-ainetta saadaan huomattavasti alhaisempi mittapoikkeama kuin aikaisemmin.

tekstiin13

Säilyttämällä alkuperäinen portin sijoitus, mutta vaihtamalla raaka-ainetta saadaan huomattavasti alhaisempi mittapoikkeama kuin aikaisemmin.

Simulointiohjelmia

Alla linkit muutamien simulointiohjelmien valmistajille:

Moldflow (Autodesk, USA): www.moldflow.com
CadMould (Simcon, Saksa): www.simcon-worldwide.com
Moldex3D (CoreTech, Taiwan): www.moldex3d.com