Numerical modelling of the filling stage of the injection moulding process

Abstract

The increased demand for plastic materials promoted an increase in the requirements of various transformation processes, namely injection moulding, which is nowadays the most used transformation process for the manufacture of plastic material parts. This transformation technique presents the return of investment in the medium / long term and a wide range of geometries that can be produced. It is a process that has a high fixed cost not only due to the moulds used, but also due to the many process variables that are necessary to control and optimize to achieve the optimal processing conditions. It is exactly due to this type of requirements that the simulation started to gain more importance, being nowadays an indispensable step in the design phase, either in the control of the process variables or in the optimization of the same, to reach high levels of effectiveness. This work deals with aspects related to the numerical modelling of the thermoplastic injection moulding process, and its main objectives were the validation of an open-source solver developed for the simulation of the injection moulding process, and, the creation of a successful case study that could be replicated experimentally. The main motivation for this is due to the fact that there are not any codes in the free distribution software market capable of simulating the injection moulding process with the desired precision characteristics, and with calculation times appropriate to the industrial production pace. Firstly, this work aimed to identify the equations that govern the different phases of the injection moulding process, and the numerical methods used in numerical modelling codes. In this context, the constitutive models suitable for plastic materials were also studied. Then, using several case studies, validation tests were carried out using the open-source solver named, openInjMoldSim, which is based on the OpenFOAM® computational library. In a first step, it was found that the velocity and pressure profiles predicted by the solver were similar to those obtained with analytical solutions. In the second case, two formulations of equation of state were used, one compressible and the other incompressible. The results obtained allowed to conclude that the incompressible formulation reduce the calculation time and improve the stability of the numerical process, without any significant loss of accuracy. Finally, a comparison study was carried out between the open-source solver and the commercial software Moldex3D®. From this study, we concluded that for the same precision, and not having full knowledge of the equations and calculation methods used in commercial software, Moldex3D® was 10 times faster than OpenFOAM®, when using the same number of cores in the computation. Moreover, when taking full advantage of the parallelization capabilities of OpenFOAM®, the calculation time was the same in both softwares.

O aumento da procura dos materiais plásticos promoveu um crescimento na procura e exigência de vários processos de transformação, como acontece com a moldação por injecção, que é hoje em dia o processo industrial de transformação de materiais plásticos mais utilizado. Esta técnica de transformação apresenta os melhores retornos financeiros a médio/longo prazo e, uma elevada gama de geometrias que podem ser produzidas. É um processo que envolve um elevado custo fixo não só pelos moldes utilizados, mas também pelas muitas variaveis de processo que são necessárias controlar e otimizar para se atingirem as condições ótimas de processamento. É exatamente devido a este tipo de requisitos que a simulação passou a ganhar mais importância, sendo hoje em dia etapa indispensável no processo de conceção, tanto no controlo das variáveis do processo, como na otimização do mesmo, com o objetivo de se atingir níveis de eficácia elevados. Este trabalho trata aspectos relacionados com a modelação numérica do processo de moldação por injecção de termoplásticos, e teve como principais objectivos a validação de um código open-source desenvolvido para a simulação do processo, e a criação de um caso de estudo de sucesso que pudesse ser replicado experimentalmente. A principal motivação para a realização do mesmo prende-se com o facto de que até aos dias de hoje, não existem no mercado dos softwares de distribuição livre, códigos capazes de simular o processo com as desejadas características de precisão e com tempos de cálculo adequados ao ritmo de produção industrial. Primeiramente este trabalho teve por objetivo identificar as equações que governam as diferentes fases do processo de moldação por injecção e os métodos de cálculo empregues em códigos de modelação numérica. Nesse contexto, foram também estudados os modelos constitutivos adequados para materiais plásticos. Em seguida, com o recurso a diversos casos de estudo, foram efetuados testes de validação ao solver open-source denomindado, openInjMoldSim, desenvolvido com base na biblioteca computacional OpenFOAM®. Numa primeira etapa verificou-se que os perfis de velocidade e pressão calculados com o solver se assemelhavam aos obtidos com equações analíticas. No segundo caso, foram empregues duas formulações da equação de estado, uma compressível e outra incompressível, cuja comparação permitiu concluir que as formulações incompressíveis melhoram o tempo de cálculo e a estabilidade do processo numérico, sem afetarem significativamente a precisão. Por fim, fez-se um estudo de comparação entre o solver open-source e o software comercial Moldex3D®. Deste estudo, conclui-se que para a mesma precisão, e não tendo total conhecimento das equações e métodos de cálculo empregues no software comercial, o Moldex3D® foi 10 vezes mais rápido do que o OpenFOAM®, quando se utilizam o mesmo número de processadores. No entanto, os tempos de cálculo passam a ser idênticos se todo o potencial de paralelização do OpenFOAM® for aproveitado.