Study of the behavior of a thermoplastic injection mold and prediction of fatigue failure with numerical simulation

Abstract

O objetivo deste trabalho é a criação de uma metodologia de análise da resistência à fadiga de moldes de injeção de termoplásticos. Uma metodologia capaz de satisfazer o mercado atual que exige a diminuição do tempo de entrega e custos de moldes de injeção, sem comprometer a sua fiabilidade. Para o desenvolvimento desta metodologia, foram utilizados modelos digitais. Com estes modelos é possível executar-se várias iterações sem os custos de um modelo físico. Além do menor custo dos modelos digitais, também é possível compreender o comportamento de cada molde no decorrer da fase de projeto. Com o aumento da complexidade dos componentes injetados, o estudo da resistência à fadiga tende a ser cada vez mais importante. Neste trabalho serão apresentados cuidados a ter na preparação dos modelos digitais, de forma a obter-se resultados fiáveis. No desenvolvimento desta metodologia, usaram-se dois softwares de simulação numérica para gerar os modelos digitais. Um deles dedica-se ao estudo reológico de peças termoplásticas e outro ao comportamento estrutural dos moldes de injeção. A execução de simulações numéricas requer uma boa caracterização dos materiais usados. No caso dos termoplásticos, os fabricantes têm uma grande base de dados com a informação necessária para as simulações numéricas. No entanto, para as simulações estruturais, os fabricantes tendem apenas a fornecer os dados das curvas monotónicas, os quais não fornecem qualquer informação sobre o comportamento à fadiga. Portanto, neste trabalho foram estudados modelos empíricos que se adaptam aos aços usados em moldes de injeção, a partir dos quais é possível gerar as curvas S-N e e-N. De modo a avaliar qual o modelo empírico que se adaptaria melhor a esta área, foram realizados ensaios experimentais com provetes feitos em EN 1.2311. A partir destes ensaios, escolheu-se o modelo empírico mais conservador. Com base no modelo empírico escolhido, foi desenvolvida uma aplicação capaz de gerar as curvas S-N e e-N, a partir das informações fornecidas pela aciaria. Além da caracterização dos materiais, também é importante que as condições de carregamento do modelo numérico estrutural sejam o mais aproximadas possível do que irá ocorrer no modelo físico. Como as cargas deste modelo numérico podem ser previstas a partir do modelo numérico reológico, a criação de uma ponte entre estes dois modelos numéricos é imprescindível. Logo, neste trabalho foi construída uma aplicação capaz de converter os dados gerados pelo software comercial Moldflow em ficheiros capazes de serem lidos por softwares comerciais de simulação numérica estrutural. Usando esta aplicação para a conversão dos dados, foram realizadas simulações e comparadas com os respetivos modelos físicos. Verificou-se que é possível replicar o comportamento do molde em modelos digitais. No entanto, os modelos digitais dos moldes de injeção estudados tenderam a apresentar resultados conservadores quando comparados com os modelos físicos. Por fim, foi desenvolvida uma aplicação capaz de usar dados calculados a partir de softwares comerciais de cálculo numérico estrutural para a determinação da resistência dos moldes à fadiga. Aqui foi tido em conta o modelo para geração das curvas de fadiga dos materiais validado. Os modelos de cálculo à fadiga na aplicação baseiam-se na regra de Palmgren – Miner para a determinação dos ciclos até à nucleação da fissura. O cálculo das tensões alternadas foi realizado a partir de dois métodos, o critério da tensão de corte octaédrica e o método de Sines. Para testar a aplicação foram escolhidos cinco moldes que apresentaram falhas por fadiga. Em seguida, foi aplicada a metodologia proposta neste trabalho para a determinação da resistência dos mesmos à fadiga. A partir da aplicação desta metodologia e das ferramentas desenvolvidas para o seu emprego, foi possível verificar que esta é capaz de prever as zonas onde ocorreram as falhas, bem como outras com probabilidade de nucleação de fissuras. Portanto, no decorrer deste trabalho foi possível criar uma metodologia e ferramentas de apoio para o cálculo de moldes à fadiga. Assim, projetistas de moldes podem ter uma boa perspetiva da resistência à fadiga de moldes de injeção ainda em projeto, tendo por base métodos científicos.

The objective of this work is to create a methodology to analyze the fatigue resistance of thermoplastic injection molds. A methodology capable of satisfying the current market that demands a decrease in the delivery time and costs of injection molds, without compromising their reliability. To develop this methodology, digital models were used. With these models it is possible to execute several iterations without the costs of a physical model. Besides the lower cost of digital models, it is also possible to understand the behavior of each mold during the design phase. With the increasing complexity of injected components, the study of fatigue resistance tends to be more and more important. In this work, care will be presented in the preparation of the digital models, in order to obtain reliable results. In the development of this methodology, two numerical simulation software’s were used to generate the digital models. One of them is dedicated to the rheological study of thermoplastic parts and the other to the structural behavior of injection molds. The execution of numerical simulations requires a good characterization of the materials used. In the case of thermoplastics, manufacturers have a large database with the information needed for numerical simulations. However, for structural simulations, manufacturers tend to provide only monotonic curve data, which do not provide any information about fatigue behavior. Therefore, in this work, empirical models that fit the steels used in injection molds were studied, from which it is possible to generate the S-N and e-N curves. In order to evaluate which empirical model would best fit this area, experimental tests were performed with specimens made in EN 1.2311. From these tests, the most conservative empirical model was chosen. Based on the chosen empirical model, an application capable of generating the S-N and e-N curves from the information provided by the steel mill was developed. Besides the characterization of the materials, it is also important that the loading conditions of the numerical structural model are as close as possible to what will occur in the physical model. Since the loads of this numerical model can be predicted from the rheological numerical model, the creation of a bridge between these two numerical models is essential. Therefore, in this work was built an application capable of converting the data generated by the commercial software Moldflow into files capable of being read by commercial structural numerical simulation software. Using this application for data conversion, simulations were performed and compared with the respective physical models. It was found that it is possible to replicate the mold behavior in digital models. However, the digital models of the injection molds studied tended to present conservative results when compared to the physical models. Finally, an application capable of using data calculated from commercial numerical structural calculation software was developed for determining the fatigue resistance of molds. Here the validated model for generating the fatigue curves of the materials was taken into account. The fatigue calculation models in the application are based on the Palmgren - Miner rule for the determination of the cycles until crack nucleation. The alternating stresses calculation was performed from two methods, the octahedral shear stress criterion and the Sines method. To test the application, five molds that presented fatigue failures were chosen. Then, the methodology proposed in this work was applied to determine their fatigue resistance. From the application of this methodology and the tools developed for its use, it was possible to verify that it is able to predict the areas where the failures occurred, as well as others with a probability of crack nucleation. Therefore, during this work it was possible to create a methodology and support tools for the calculation of fatigue molds. Thus, mold designers can have a good perspective of the fatigue resistance of injection molds still in project, based on scientific methods.