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Publicação
Visualização do desenvolvimento da camada solidificada na moldagem por injeção: uma contribuição para a síntese numérica de imagem
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Orientador(es)
Resumo(s)
A moldagem por injeção representa atualmente um dos principais processos de fabrico de artigos plásticos existente na indústria. Apesar da maturidade da tecnologia, não é trivial evitar o aparecimento de defeitos nas peças moldadas, sendo o empeno um dos mais comuns.
Na sequência de estudos do Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial (FCT/NOVA) para melhor compreender os fenómenos físicos que originam o empeno, pretende-se preparar uma simulação experimental para visualização do processo de desenvolvimento da camada solidificada na moldagem por injeção.
A presente dissertação tem como objetivo estender estudos anteriores, baseados numa abordagem numérica célere para previsão do referido desenvolvimento da camada solidificada, como complemento aos softwares utilizados na indústria, e sintetizar numericamente imagens como as que se esperam vir a obter experimentalmente, para servirem de base a estudos preliminares com técnicas de correlação de imagens.
Como tal, desenvolveu-se um modelo baseado no método das diferenças finitas, quasi-bidimensional, em ambiente Octave, para obter sequências temporais de imagens do escoamento de um fluido transparente, com micropartículas nele dispersas, solidificando sobre uma parede plana arrefecida. A modelação do escoamento restringiu-se a uma análise cinemática, assente na descrição e visualização do movimento das partículas. No sentido de conferir uma estrutura flexível ao modelo, definiu-se um conjunto de variáveis de simulação que viabilizam a reprogramação da simulação para diferentes condições de estudo. Estas variáveis foram empregues na definição das dimensões do domínio de estudo (𝐿𝑥 e 𝐿𝑦), da dimensão de cada píxel (𝑏), do número de partículas introduzidas no domínio (𝑁), do passo de tempo entre imagens sucessivas (Δ𝑡), do tempo de simulação (𝑇𝑆), das componentes da velocidade das partículas (𝑉𝑥 e 𝑉𝑦) e da perturbação das componentes da velocidade (𝑝𝑣𝑥 e 𝑝𝑣𝑦).
A sequência de imagens gerada demonstra a capacidade do modelo em captar uma evolução da fração sólida de material, adjacente à superfície do molde, para as variáveis de simulação consideradas. Conclui-se que o modelo cinemático concebido permite simular, em primeira aproximação, o escoamento pretendido para diferentes parâmetros de simulação, encontrando-se apto para uma futura inclusão de aspetos dinâmicos.
Nowadays, injection molding represents one of the main processes for the manufacture of plastic articles available in the industry. Despite the technology maturity, it is not trivial to avoid the appearance of defects in molded parts, with warpage being one of the most common. Following studies from The Department of Mechanical and Industrial Engineering (FCT/NOVA) to better understand the physical phenomena that cause warpage, it is aimed to be prepared an experimental simulation to visualize the process of solidified layer development in injection molding. This dissertation aims to extend previous studies, based on a swift numerical approach to predict the development of the solidified layer, as a complement to the software used in the industry, and to numerically synthesize images such as those expected to be obtained experimentally, to serve as a basis to preliminary studies with image correlation techniques. As such, a model was developed based on the finite difference method, quasi-two-dimensional, in Octave environment, to obtain temporal sequences of images regarding the flow of a transparent fluid, with microparticles dispersed in it, solidifying over a flat cooled wall. The flow modelling was restricted to a kinematic analysis, based on the description and visualization of the particle’s movement. To provide a flexible structure to the model, a set of simulation variables was defined that enables the reprogramming of the simulation for different study conditions. These variables were used to define the dimensions of the study domain (𝐿𝑥 and 𝐿𝑦), the size of each pixel (𝑏), the number of particles introduced into the domain (𝑁), the time step between successive images (Δ𝑡), the simulation time (𝑇𝑆), the particles velocity components (𝑉𝑥 and 𝑉𝑦) and the perturbation of the velocity components (𝑝𝑣𝑥 and 𝑝𝑣𝑦). The generated image sequence reveals the model's ability to capture an evolution of the solid fraction of material, adjacent to the mold surface, for the simulation variables considered. It is concluded that the developed kinematic model allows simulating, to first approximation, the intended flow for different simulation parameters, being suitable for a future inclusion of dynamic aspects.
Nowadays, injection molding represents one of the main processes for the manufacture of plastic articles available in the industry. Despite the technology maturity, it is not trivial to avoid the appearance of defects in molded parts, with warpage being one of the most common. Following studies from The Department of Mechanical and Industrial Engineering (FCT/NOVA) to better understand the physical phenomena that cause warpage, it is aimed to be prepared an experimental simulation to visualize the process of solidified layer development in injection molding. This dissertation aims to extend previous studies, based on a swift numerical approach to predict the development of the solidified layer, as a complement to the software used in the industry, and to numerically synthesize images such as those expected to be obtained experimentally, to serve as a basis to preliminary studies with image correlation techniques. As such, a model was developed based on the finite difference method, quasi-two-dimensional, in Octave environment, to obtain temporal sequences of images regarding the flow of a transparent fluid, with microparticles dispersed in it, solidifying over a flat cooled wall. The flow modelling was restricted to a kinematic analysis, based on the description and visualization of the particle’s movement. To provide a flexible structure to the model, a set of simulation variables was defined that enables the reprogramming of the simulation for different study conditions. These variables were used to define the dimensions of the study domain (𝐿𝑥 and 𝐿𝑦), the size of each pixel (𝑏), the number of particles introduced into the domain (𝑁), the time step between successive images (Δ𝑡), the simulation time (𝑇𝑆), the particles velocity components (𝑉𝑥 and 𝑉𝑦) and the perturbation of the velocity components (𝑝𝑣𝑥 and 𝑝𝑣𝑦). The generated image sequence reveals the model's ability to capture an evolution of the solid fraction of material, adjacent to the mold surface, for the simulation variables considered. It is concluded that the developed kinematic model allows simulating, to first approximation, the intended flow for different simulation parameters, being suitable for a future inclusion of dynamic aspects.
Descrição
Palavras-chave
Moldagem por injeção Injeção de polímeros Síntese numérica de imagens Camada solidificada Método das diferenças finitas 2D Transmissão de calor com mudança de fase