| Klient | Produkt | Problem | Rozwiązanie |
| Vitesco Technologies | Belt Starter Generator | redukcja masy złożenia | zamiana stopu aluminium przez tworzywo termoplastyczne w obudowie |
Opis problemu
Klient Vitesco Technologies zażądał zmniejszenia masy produkowanego i rozwijanego przez firmę wyrobu BSG.
Propozycja rozwiązania
Zamiana materiału części przedniej obudowy – elementu składowego o największej masie, na tworzywo o wyższej wartości właściwego modułu E (zamiana stopu aluminium na tworzywo termoplastyczne wzmocnione krótkim włóknem szklanym).
Postępowanie
1. Dobór tworzywa
- Sporządzenie tabeli wymagań dla przedniej części obudowy BSG (wytrzymałość na pełzanie, stopień uniepalnienia itp.)
- Wstępny dobór tworzyw z MHC spełniających kryteria z punktu powyżej.
- Jakościowe i ilościowe rangowanie danych materiałowych.
- Numeryczne testy produktu (opisane w 4.)
2. Analiza technologiczności konstrukcji
Wyniki analizy rozkładu grubości ścianki dyskwalifikowały model w kontekście wykonalności techniką wtryskiwania.
3. Opracowanie nowego modelu
Na podstawie analizy topologicznej opracowano kształt nowej obudowy spełniającej wymogi funkcjonalne i technologiczne.
4. Testy numeryczne produktu
A. Określenie orientacji włókien w wyprasce
Wszelkie obliczenia strukturalne wyrobów wykonanych z tworzyw wzmocnionych muszą uwzględniać anizotropię właściwości mechanicznych wynikającą z orientacji włókien po wtrysku. Na tym etapie nieznane jeszcze są szczegóły procesu wtryskiwania, dlatego podjęto próbę określenia możliwie najbardziej sprzyjającej konkretnemu przypadkowi obciążenia części orientacji włókien.
W tym celu skorzystano z Metody Taguchi zaimplementowanej w programie Moldex3D. Kryterium optymalizacji była równomierność szybkości ścinania w objętości wypraski, a parametrami:
- czas wtrysku [s],
- rodzaj i umiejscowienie przewężki,
- temperatura formy wtryskowej [°C].
Porównanie rozkładu wartości średniej modułu Younga na grubości ściany wypraski potwierdziło poprawność przyjętej procedury optymalizacyjnej (po lewej stronie wynik dla wskazanego optimum).
B. Mapowanie orientacji włókien
Kolejnym krokiem było przeniesienie optymalnej orientacji włókien szklanych na model złożenia do obliczeń strukturalnych (lewa strona na rysunku poniżej).
C. Analiza strukturalna
Końcowym etapem było przeprowadzenie analizy modalnej w systemie Abaqus. Na rysunku poniżej przedstawiono kształt jednej z otrzymanych postaci modalnych systemu, a w tabeli porównanie częstotliwości naturalnych otrzymanych w symulacji z i bez uwzględnienia orientacji włókien w przedniej części obudowy.
| Postać modalna | Częstotliwość [Hz] (materiał izotropowy) | Częstotliwość [Hz] (materiał anizotropowy) |
| 1. | 255 | 207 |
| 2. | 416 | 326 |
| 3. | 481 | 353 |
| 4. | 551 | 496 |
Wnioski
- Zamiana metalu na tworzywo polimerowe łączy się nierozerwalnie ze zmianą cech geometrycznych wyrobu i opracowaniem konstrukcji wypraski od podstaw.
- Materiały polimerowe zastępujące metale to zazwyczaj tworzywa wzmocnione z anizotropią właściwości mechanicznych. Przeprowadzanie testów numerycznych bez uwzględnienia tej anizotropii jest nieprawidłowe i prowadzi do błędnych wniosków, np. wskazań błędnych częstotliwości postaci modalnych.
Więcej na temat opisanego przypadku można znaleźć tutaj.
Do pobrania artykuł w PDF
