Kompiuterinio projektavimo (CAD) ir modeliavimo vaidmuo šiuolaikiniame injekcinės formos projektavime

Nuo rankinio braižymo iki skaitmeninės tikslumo: įliejimo formų dizaino raida

Pereinant nuo rankinių brėžinių prie 3D modeliavimo įliejimo formų projektavime

Perėjimas nuo rankinio braižymo prie kompiuterinio projektavimo, arba trumpai – CAD, visiškai pakeitė įliejimo formų projektavimo būdą. Tai, kas anksčiau inžinieriams reikalaudavo savaitėmis kruopščiai dirbti su popieriniais brėžiniais, dabar gali būti atlikta vos per kelias valandas dėka šiuolaikinių 3D modeliavimo programų. Šis pokytis prasidėjo aštuntajame dešimtmetyje, kai įmonės pradėjo naudoti paprastas 2D CAD sistemas. Apie tūkstantmečio sandūrą tempai smarkiai padaugėjo dėl naujų parametrinių modeliavimo technikų. Dabar dizaineriai gali greitai keisti užpildymo vartų pozicijas ar reguliuoti aušinimo kanalus be būtinybės iš naujo persibraižyti visko kiekvieną kartą, kai daromas mažas pakeitimas.

Pagrindiniai etapai priimant CAD įliejimo formų kūrimui

Trys esminiai pasiekimai, nulėmę CAD dominavimą:

• 1995: Trikdžių tikrinimo algoritmų įvedimas, siekiant išvengti surinkimo neatitikimų
• 2008: CAD integracija su baigtinių elementų analize (FEA) įtempimo prognozavimui
• 2016: Pagrįsta debesijimi bendradarbiavimo sistema, leidžianti atlikti projektų peržiūras realiuoju laiku visame pasaulyje veikiančioms komandoms

2022 m. Gamybos inžinierių draugija atliko tyrimą, kuriame nustatyta, kad naudojant CAD projektavimo trukmė sutrumpėjo 60 % lyginant su rankiniais metodais. Šiandien 92 % formų gamintojų naudoja daugiakūnį modeliavimą, kad automatiškai atskirtų branduolius ir ertmes (Plastics Technology Report 2023).

Skaitmeninės transformacijos poveikis tikslumui ir efektyvumui formų projektavime

Pramonės duomenys rodo, kad skaitmeniniai darbo procesai sumažina matmenų klaidas formos bandymų metu apie 78 %. Šiuolaikinėse sąlygose dauguma CAD sistemų veikia kartu su dirbtinio intelekto simuliacijomis, kurios gali nustatyti pildymo problemas su pakankamai aukštu tikslumu – paprastai ne didesniu kaip ±3 %. Rezultatas? Formos projektavimas, kuris iš karto veikia be klaidų, net sudėtingoms detalėms, naudojamoms automobiliuose ir medicinos prietaisuose. Toks tikslumas esminiai paveikia terminus. Dar 2010 m. gamintojams vidutiniškai reikėdavo 14 savaičių, kad užbaigti sukūrimo procesą. Šiandien projektai baigiami vos per penkias savaites. Toks greitėjimas keičia tai, kaip įmonės vertina produktų kūrimą įvairiose pramonės šakose.

Aukštas konstrukcijos tikslumas ir klaidų prevencija naudojant CAD įrankius

Branduolio ir ertmės modeliavimas naudojant pažangią 3D CAD technologiją tiksliai geometrijai

Šiuolaikiniai injekcinių formų projektuotojai naudoja parametrinį modeliavimą 3D CAD programinėje įrangoje, kad pasiektų mikronų tikslumą branduolių/kamerų geometrijoje. Šis skaitmeninis metodas sumažina matmenų klaidas 72 %, palyginti su senesniais 2D metodais (Plastics Engineering Journal 2023), leidžiant be trūkčiojimų integruoti su CNC apdirbimo darbo eiga.

Virtualus konstrukcijų sąveikos tikrinimas ir surinkimo patvirtinimas CAD aplinkose

Automatizuoti susidūrimų aptikimo algoritmai per kelias minutes analizuoja daugiakomponentes formas, o anksčiau tai reikalavo dienų. Projektuotojai tuo pačiu metu patvirtina slydimo mechanizmus, išstūmimo kaištų trajektorijas ir aušinimo kanalų išdėstymą – užduotys, kurios anksčiau reikalavo fizinio prototipo.

Projektavimo realaus laiko patvirtinimas klaidoms ir perdarbai mažinti

Tiesioginės simuliacijos moduliai automatiškai nurodo sienelių storio nenuoseklumus ir ventiliacijos tarpus jau projektavimo etape. Nedelsiant gaunama atgalinė informacija padeda išlaikyti ištraukos kampus virš kritinio 1° slenksčio sudėtingose automobilių salonų detalėse.

Atvejo analizė: per 40 % sumažinta perdarbo naudojant skaitmeninę patvirtinimo sistemą automobilių formose

„Tier-1“ tiekėjas kasmet sumažino bamperio formų perdarbo išlaidas 840 tūkst. USD, įdiegęs CAD pagrindu paremtą patvirtinimą. Jų modeliavimo pirma metodika sumažino matmenų nuokrypius nuo ±0,3 mm iki ±0,08 mm, išlaikydama A klasės paviršiaus apdorojimą (Automotive Manufacturing Quarterly 2024).

Formos našumo optimizavimas naudojant plastiko tekėjimo, aušinimo ir išlinkimo modeliavimą

Formos tekėjimo analizė: užpildymo schemų ir slėgio pasiskirstymo prognozavimas

Pažangūs tekėjimo modeliavimo sprendiniai nustato polimerų elgseną užpildant ertmes, analizuodami lydalio fronto judėjimą ir slėgio gradientus. Inžinieriai optimizuoja įleidimo vietą, kad išvengtų oro spąstų ir užtikrintų tolygų medžiagos pasiskirstymą. Modeliavimu grindžiami dizainai sumažina tekėjimu sąlygotus defektus iki 60 %, palyginti su bandymų ir klaidų metodais (Materials and Design 2013).

Išlinkimo ir traukimosi modeliavimas detalės kokybei gerinti

Virtuali iškraipymo analizė atsižvelgia į medžiagos kristalizaciją ir netolygų aušimą – pagrindines plonasienių detalių matmeninės nestabilumo priežastis. Automobilių pramonės taikymuose, kaip parodyta daugiakriterine optimizavimo studijoje, reguliuojant parametrus, tokius kaip pripildymo slėgis (85 % nuo injekcinio slėgio) ir formos temperatūra (40–45 °C), tūrinis susitraukimas sumažinamas 25 %.

Aušinimo sistemos optimizavimas ciklo trukmės ir terminės įtampos mažinimui

Adityvia gamyba sukuriami konforminiai aušinimo kanalai, kurie užtikrina temperatūros vientisumą formose, sutrumpina aušinimo ciklą 30 % ir neleidžia termiškai sąlygotam iškraipymui. Naujausių realizacijų duomenimis, didelės apimties medicinos prietaisų gamyboje pasiekta 22 sekundžių ciklo trukmės sutrumpėjimas vienai daliai, nesumažinant matmeninės tikslumo.

Įsitvirtinanti tendencija: dirbtinio intelekto stiprinamos simuliacijos sudėtingoms injekcinio liejimo formų geometrijoms

Mokymosi algoritmai dabar su 92 % tikslumu prognozuoja srauto elgseną gardelinėse struktūrose ir formose su mikroelementais, leidžiantys pirmojo bandymo metu sukurti 0,2 mm sienelių storio detalių projektus. Šios sistemos nuolat tobulėja integruodamos duomenų rinkinius iš ankstesnių liejimo bandomųjų darbų.

Simuliacijų naudojimo ir fizinio testavimo subalansavimas: pernelyg didelio priklausomumo rizikos sprendimas

Nors simuliacijos neleidžia atsirasti 70 % galimų defektų, pramonės standartai rekomenduoja fizinį patvirtinimą kritinėms medicinos detalėms, reikalaujančioms ±0,01 mm tikslumo ir stiklo pluoštu armuotų medžiagų su anizotropiniais susitraukimo modeliais. 2024 m. pramonės apklausa parodė, kad komandos, naudojančios hibridinius požiūrius, pasiekia 40 % greitesnius patvirtinimo ciklus nei tik simuliacijas naudojančios procedūros.

Integruoti CAD ir simuliacijų procesai kompleksiniam formos kūrimui

Tarpusavyje suderintas duomenų perdavimas tarp CAD ir CAE liejimo formų projektavime

Dvimatis duomenų keitimas tarp 3D CAD modelių ir CAE įrankių pašalina rankinių vertimų klaidas. Pagrindiniai gamintojai praneša, kad naudodami standartizuotus failų formatus, tokius kaip STEP arba Parasolid, šerdies / ertmės geometrijos perdavimui, iteracijų ciklai paspartėja 29 %. Ši tarpusavio suderinamumas užtikrina, kad aušinimo kanalų išdėstymas ir užtvarų padėtys išliktų nuoseklios visuose konstrukcijos patvirtinimo etapuose.

CAD integravimas su CAM ir CAE vieningiems skaitmeniniams gamybos procesams

Šiuolaikiniai formų gamintojai šiuo metu sujungia savo CAD modelius su CAM įrankių keliais ir tais CAE modeliavimais viską integruodami į vieną skaitmeninį darbo procesą. Pagal paskutinių metų tyrimus, įmonės, kurios priėmė tokį integruotą požiūrį, bandymo fazėje atliko apie 37 % mažiau formos reguliavimų nei tie, kurie liko prie atskirų programinės įrangos sistemų. Kai kas nors keičia sienelių storio parametrus, sistema automatiškai atnaujina kanalų konfigūracijas ir aušinimo kanalų analizę, todėl visi nuo dizaino iki gamybos lieka sinchronijoje be nuolatinių grįžtamojo ryšio susitikimų.

Uždaro ciklo grįžtamasis ryšys, naudojant modeliavimo duomenis formų projektams tobulinti

Pažangūs gamintojai naudoja dirbtinio intelekto valdomas simuliacijos platformas, kad siektų susieti numatytus išlinkimo modelius su faktiniais gamybos rezultatais. Šis grįžtamasis ryšys leidžia automatiškai koreguoti išmetimo angų ar išstūmiklių padėtis CAD modeliuose, sukuriant savęs optimizuojančius formos projektus. Ankstesnių ciklų šiluminiai duomenys gali būti panaudoti ateities aušinimo kanalų optimizavimui be rankinio įsikišimo.

Strategija: Prisiimti bendrosios simuliacijos platformas realaus laiko dizaino koregavimams

Dirbdami su bendrosios imitacijos aplinkomis, inžinieriai gali stebėti, kaip juda plastikas, tikrinti konstrukcinius įtempimus ir stebėti aušinimą vis dar būdami savo CAD programinėje įrangoje. Vienas didelis automobilių dalių gamintojas neseniai sumažino plėtros laiką maždaug 22 procentais, pradėjęs naudoti formos liejimo vizualizaciją, veikiančią realiuoju laiku. Tai leido jų inžinerijos komandai derinti uždarymo vietų pozicijas tiesiog virtualaus pildymo imitacijos metu. Sistema taip pat padeda automatiškai aptikti problemas, kai kas nors keičia išformavimo linijų geometriją, nurodydama problemas su nuolydžio kampais arba tada, kai šlyties greitis tampa per didelis saugiam veikimui. Tokios perspėjimo žinutės sutaupo valandas atgalinio plano darbo vėlesniame gamybos planavime.

Rinkai pasiekimo spartos didinimas naudojant dizaino pakartotinį naudojimą, prototipavimą ir DFM

Gamybos spartos didinimas naudojant CAD pagrindą turintį dizaino pakartotinį naudojimą masinėje liejimo gamyboje

Parametriniai CAD bibliotekų rinkiniai padeda sutrumpinti kūrimo laikotarpius 30–50 % didelės apimties gamybai. Gamytojai pernaudoja patikrintus vartų projektavimus, išstūmimo sistemas ir aušinimo schemų išdėstymą visoje produktų grupėje, sumažindami pasikartojančius inžinerinius uždavinius. Toks požiūris vienam automobilių tiekėjui leido standartizuoti 80 % formos pagrindo komponentų, sutrumpinant naujos įrangos kūrimą nuo 14 iki 8 savaičių.

Greitas prototipavimas ir iteracinis tobulinimas naudojant CAD ir modeliavimą

Virtualus prototipavimas išsprendžia 90 % konstrukcijos trūkumų dar prieš pradedant fizinę įrankių gamybą. Komandos patvirtina vartų pozicijas per tekėjimo modeliavimą ir tikrina išstūmimo mechaniką naudodamos judėjimo tyrimus CAD aplinkose. Vienas pirmos lygmens elektronikos gamintojas šiuo skaitmeninio dvynio metodu sumažino prototipų kartojimus 65 %, pagreitindamas sudėtingų jungčių formų išvedimą į rinką.

Gamintojiškumo projektavimas (DFM), paremtas virtualiu testavimu ir patvirtinimu

Ankstyvas DFM analizės taikymas išvengia 40 % formavimo įrankių perdarinėjimų, nustatant įpjovas, sienelių storio problemas ir išstūmimo sunkumus dar projekto etape. Pažangios CAD sistemos automatiškai tikrina ištraukos kampus ir siūlo ribų schemą, remdamasi medžiagos traukos duomenimis. Pramonės analizė rodo, kad DFM principų taikymas gali sutrumpinti plėtros ciklą nuo 20 % iki 30 %.

Parametrinis modeliavimas liejimo kanalų ir aušinimo optimizavimui lankstiojoje plėtroje

Algoritmais valdomi CAD įrankiai dabar per 2–3 valandas optimizuoja leistuvų skersmenis ir aušinimo kanalų išdėstymą, palyginti su tradiciniu trijų dienų rankiniu procesu. Šie parametriniai modeliai automatiškai prisitaiko prie detalės geometrijos pokyčių, užtikrindami subalansuotą pripildymą ir mažindami ciklo trukmę. Vienas neseniai atliktas medicinos prietaiso projektas pasiekė 22 % greitesnį aušimą dėka dirbtinio intelekto sukurtų konforminių kanalų, patvirtintų simuliacijoje.

Integruota metodika gamintojams suteikia realią pranašumą, kai kalba užeina apie griežtus produktų pristatymo terminus. Šiuolaikiniai formuotojai vis dažniau patiria spaudimą – apie trys ketvirtadaliai jų teigia, kad klientai nori, jog įrankiai būtų pristatyti maždaug 30 % greičiau nei buvo standartas 2020 m. Paimkime medicinos prietaisų formavimą kaip pavyzdį. Kai įmonės anksti pradeda vertinti gamybos sumanymą (DFM), išvengiama daugelio problemų ateityje. Vienas konkretus atvejis parodė, kad komandos pavyko išspręsti beveik visas gamybos sunkumų problemas dar neprikibę prie įrankių gamybos. Jie sugebėjo išspręsti beveik 92 % galimų problemų jau nuo pat pradžių, kas ilguoju sutaupo tiek laiko, tiek pinigų.