Promold study. Reduce weight of material with the simulation. Consulting Services. Customer

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1 Promold study Consulting Services Customer Reduce weight of material with the simulation By Dr. LUYE jean- François (Imug Presentation) 1

2 Goal Reduce cost of material Minimal weight =? Initial weight = 244 g Thickness = 2,15 mm Minimal Thickness =? L objectif de cette étude, commandée par Valéo, est de réduire la masse d un masque optique de phare de voiture existant. La masse initiale, d un masque est de 244 g et son épaisseur est égale à 2,15 mm. 2

3 Goal Machine parameters 3 Flow rate = 711 cm3/s 1 Clamp force =800 tonnes 2 Injection pressure = 174 MPa Weight = 244 g Les paramètres de la presse à injecter utilisée pour le masque sont indiqués sur l image. La pression d injection maxi est égale à 1740 bars et la force de verrouillage à 800 tonnes. 3

4 Goal No weld line 4 No weld line in red area metallization Une contrainte d aspect supplémentaire pour cette étude : pas de ligne de soudure dans la zone de l ampoule qui doit être métallisée. 4

5 Goal Possibilities 1 To change material : PC : material used PBT : new material 1 PA : new material 2 2 To use multi-gates Les deux possibilités pour réduire la masse du masque sont : 1) modifier la matière plastique (PC, PBT ou PA), 2) utiliser plusieurs points d injection. 5

6 Mesh with Middle plane Model simulation MIDPLANE Two cavities Les calculs sont réalisés sur un modèle fibre neutre du masque et le maillage et réalisé avec le logiciel Hyper Mesh de la société Altair consulting. 6

7 Initial injection Flow front Les images représentent la progression de la matière dans l empreinte du moule existant. L injection du Polycarbonate est réalisé avec une seule entrée d injection. Le rouge indique le début de l injection et le bleu la fin du remplissage. 7

8 Initial injection Pressure a switch over 154 MPa Filling pressure versus time Polycarbonate Pressure at switch over (95 %) Le masque existant est réalisé avec du Polycarbonate. La pression pour remplir le moule des deux empreintes (droite et gauche) est égale à 1540 bars. Le graphique montre l évolution de la pression. Le temps d injection est de l ordre de 1,5 s. 8

9 Initial injection Results Polycarbonate!!!! 1 Clamp force = 400 tonnes Maxi = 800 tonnes 2 Injection pressure = 154 MPa Maxi = 174 MPa Le masque existant est réalisé avec du Polycarbonate. La pression pour remplir le moule des deux empreintes (droite et gauche) est égale à 1540 bars. Le graphique montre l évolution de la pression. Le temps d injection est de l ordre de 1,5 s. 9

10 One injection gate Pressure a switch over : material effect PC 154 MPa PA 123 MPa PBT 101 MPa Le calcul de la pression de remplissage montre que l utilisation du Polycarbonate ne permettra pas de réduire la masse de la masse (par réduction de l épaisseur). La pression est en effet très proche de la valeur limite de la pression. L utilisation du PBT (plus fluide) rend possible la réduction de masse. 10

11 One injection gate Reduction of thickness 0,8 mm 1.2 mm 1.6 mm 1.8 mm 2.15 mm Le seconde étape consiste a rechercher l épaisseur minimale du masque en injectant avec une seule entrée. Cinq modèles numériques entre 0,8 et 2,15 mm sont préparés 11

12 One injection gate Pressure at switch over versus thickness Pressure (MPa) Limit calcul Limit machine PC PA PBT Thikness of part (mm) Minimal thickness with one gate and PBT material = 1.8 mm Ce graphique montre que l utilisation de la matière PBT permet d atteindre une épaisseur de masque égale à 1,8 mm. Au-delà, la pression de remplissage atteint la valeur limite de la presse à injecter. 12

13 One injection gate Pressure at switch over versus thickness Weight of part (g) 1 part PBT - 41 g / part Thickness (mm) Profit = 41 g per part (17 %) One gate + PBT material En réduisant l épaisseur de la pièce plastique de 2,15 à 1,8 mm, la masse est réduite de13 17 % soit 41 g.

14 One injection gate Material : PBT Multi-gates Minimal weight =? Weight = 203 g -17 % Material : PBT thickness= 2.15 mm to 0.8 mm La nouvelle masse du masque est de 203 g avec une épaisseur de 1,8 g. La troisième phase consiste a utiliser plusieurs entrées d injection pour permettre de réduire encore la masse. 14

15 Configurations 2 2 gates 1 3 gates gates gates 8 gates Les différentes tests calculés. La positions des points d injection est choisie pour localiser les lignes de soudure dans les 15 zones les moins critiques.

16 Multi-gates Pression versus number of gates Pressure (MPa) Thickness (mm) Number of gates Optimal configuration Ce graphique montre qu au-delà de 4 points d injection la pression de remplissage n est plus modifiée. 16

17 Multi-gates Minimal thickness determination Pressure (MPa) Number of gates Thickness (mm) Minimal thickness = 0,8 mm??????? La diminution de l épaisseur de pièce provoque une augmentation rapide de la pression de remplissage. A priori on peut injecter une pièce de 0,8 mm avec 4 entrées d injection. 17

18 Multi-gates Pression versus thickness for 4 gates configuration Pressure (MPa) 350 MPa/ mm 35 bars / 0,01 mm Limit machine MPa / mm 2 bars / 0,01 mm 1 4 Thickness (mm) Minimal thickness = 1,2 mm Injection pressure without hot runner = 85 MPa Pour réduire le risque de ne pas remplir l empreinte avec une épaisseur de 0,8 mm, on choisie de se placer dans la zone ou la pente de la courbe est la plus faible soir 1,2 mm. 18

19 Multi-gates Weight of part (g) 1 part PBT g / part - 41 g / part Thickness (mm) Profit = 109 g per part (41 %). Minimal thickness with 4 gates and PBT material = 1.2 mm Avec une épaisseur de 1,2 mm, la masse de la pièce est réduite de 109 g soit 41 %. Le client a réalisé les vérifications concernant la tenue mécanique et la tenue thermique pour cette nouvelle épaisseur. 19

20 Hot runners integration 2 3 Simulation with hot runner (Mold Master) 1 4 PBT Minimal thickness = 1.2 mm Weight = 135 g Injection pressure = 85 MPa 4 drops with cold runner Calcul en intégrant le bloc chaud en 4 busettes 20

21 3 Flow rate = 711 cm3/s Clamp force = 400 tonnes Maxi = 800 tonnes 1? 2? Injection pressure = 174 MPa PBT Minimal thickness = 1.2 mm Weight = 135 g 21

22 Hot runners integration Fast injection : 600 cm3/s Flow rate = 600 cm3/s Filling part = 0,4 s L injection est réalisée pratiquement au maximum du débit disponible sur la presse à injecter. Le temps d injection est alors de 2,2 s. 22

23 Hot runners integration Slow injection : 300 cm3/s Flow rate = 300 cm3/s Short shot On vérifie que pour une valeur de débit deux fois plus faible, l empreinte ne se remplie pas complètement. La matière est refroidie pendant le remplissage. 23

24 Hot runners integration Pressure a switch over 100 MPa Filling pressure versus time Hot runner part Injection pressure without hot runner = 85 MPa Injection pressure with hot runner = 100 Mpa (+15%) La prise en compte du bloc chaud permet de vérifier que la pression limite de la presse n est pas atteinte (à condition d injecter vite). 24

25 3 Flow rate = 711 cm3/s Clamp force = 400 tonnes Maxi = 800 tonnes cm3/s MPa Injection pressure = 174 MPa PBT Minimal thickness = 1.2 mm Weight = 135 g Rappel des conditions de moulage pour injecter le masque de 1,2 mm avec 4 busettes. 25

26 No weld line + 1 drop 5 drops Pour éviter la ligne de soudure dans la zone de l ampoule, une cinquième busette d injection est ajoutée. 26

27 No weld line Pressure a switch over Weld line 1520 bars Maxi = 174 MPa Résultat du remplissage avec 5 busettes. La pression de remplissage reste toujours inférieure à la valeur limite de la presse. L image de droite montre les lignes de soudure. 27

28 Conclusion 2 Hot runners 5 drops 1 Material : PBT Clamp force =800 tonnes Injection pressure = 150 Mpa Maxi 174 Mpa 3 Flow rate = 600 cm3/s Maxi = 711 cm3/s Minimal weight = 135 g Minimal Thickness = 1,2 mm Profit = 109 g per part (41 %). Nouvelle configuration de moulage en tenant compte de la suppression de la ligne de soudure dans la zone de l ampoule 28

29 Image du masque de 1,2 mm. La pièce est complète conformément au calcul. Il faut rappeler que le changement de l épaisseur de la pièce est réalisé sur le moule existant (ep = 2,15 mm), par rectification du plan de joint. Le bloc est ensuite intégré dans la partir fixe du moule. 29

30 Weld line comparison Injected part Thickness = 1,2 mm Material = PBT 4 5 Simulated part Thickness = 1,2 mm Material = PBT Comparaison entre les lignes de soudure réelles et les lignes de soudures calculées. 30

31 Weld line comparison 1 Injected part Thickness = 1,2 mm Material = PBT Comparaison entre les lignes de soudure réelles et les lignes de soudures calculées. 31

32 Weld line comparison 3 2 Injected part Thickness = 1,2 mm Material = PBT Simulated part Thickness = 1,2 mm Material = PBT Comparaison entre les lignes de soudure réelles et les lignes de soudures calculées. 32

33 La simulation a permis de déterminer la valeur mini de l épaisseur de la pièce en tenant compte des contraintes machine et de l aspect de la pièce. Cet exemple illustre l intérêt d utiliser le calcul pour réduire le prix de la part matière. Jean François LUYE

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