Un grande passo per la simulazione della schiuma: il restringimento delle bolle non è più imprevedibile
Barry Pai, Ingegnere presso Product R&D Division di CoreTech System (Moldex3D)
In passato, quando il modello Han e Yoo veniva utilizzato per simulare la geometria della parte sottile, il processo di ritiro delle bolle non poteva essere previsto con precisione. Pertanto, il numero di bolle scomparse a causa dell'aumento della pressione è stato sottovalutato. Ora, nell'ultima versione Moldex3D 2021, è stata aggiunta l'opzione del modello Modified Han e Yoo. Rispetto al modello originale Han e Yoo, quello modificato può prevedere le bolle che si restringono in modo più accurato.
Nel processo di iniezione di schiuma plastica, il fluido supercritico (N2 o CO2) e il fuso vengono prima miscelati in un unico fluido monofase uniforme attraverso la vite e la miscela omogenea porta ad una instabilità termodinamica dovuta al rilascio istantaneo di pressione durante il processo di iniezione.
Questo fenomeno fa sì che il fluido supercritico nel fuso generi decine di migliaia di minuscole bolle attraverso il cambiamento di fase e, dopo il raffreddamento e la solidificazione dello stampo, si ottengono prodotti con strutture cellulari complesse.
Adottando il modello Han-Yoo delle dinamiche di crescita delle bolle, possiamo simulare il processo e la dinamica della crescita della bolla.
Tuttavia, quando la geometria del prodotto è complicata e vengono applicati vari processi, la pressione nello stampo avrà una forte variabilità.
Ad esempio, la pressione di fusione nelle zone a spessore sottile ancora molto alta e persino superiore alla pressione di impaccamento.
D'altra parte, il processo core-back (Fig. 1) porterà anche una pressione di impaccamento aggiuntiva.
Pertanto, le bolle all’interno non continueranno a crescere a causa del rilascio di pressione, ma potrebbero ridursi a causa dell'aumento della pressione di fusione nello stampo.
Date le circostanze, il modello Han- Yoo ha dei limiti e non è in grado di simulare con precisione i fenomeni di restringimento delle bolle.
Fig. 1 Il processo core-back
Per migliorare le capacità di previsione del modello originale, Moldex3D ha collaborato con l'Università di Kanazawa per sviluppare il modello Han-Yoo modificato.
Secondo il modello dinamico delle bolle proposto dal Prof. Taki di Kanazawa e i dati sperimentali le bolle supereranno la barriera energetica per nucleare e crescere man mano che la pressione varia.
Se la pressione sulle bolle aumenta, le bolle si ridurranno gradualmente fino a quando non si dissolveranno di nuovo nella fusione (cioè, si torna allo stato iniziale della miscela di fusione e gas). Se la pressione viene rilasciata di nuovo in questo momento, le bolle si nucleano e crescono nella stessa posizione.
I risultati sperimentali hanno confermato un andamento molto vicino al il modello dinamico a bolle, verificando il processo di restringimento delle bolle causato dalla pressione (Fig. 3).
Fig. 2 L'esperimento del restringimento delle bolle
Fig. 3 Il confronto tra la simulazione e i risultati sperimentali
In passato, quando il modello Han-Yoo veniva utilizzato per simulare la geometria della parte sottile, il processo di restringimento delle bolle non poteva essere previsto con precisione.
Pertanto, il numero di bolle scomparse a causa della crescente pressione era sottovalutato.
Ora, nell'ultima versione di Moldex3D 2021, è stata aggiunta l'opzione del modello Han-Yoo modificato (Fig. 4).
Rispetto al modello originale Han-Yoo, quello modificato può prevedere il restringimento delle bolle in modo più accurato (Fig. 5). Allo stesso modo, se applichiamo questo modello modificato nel processo core-back, si otterrà il tempo di impaccamento richiesto affinché tutte le bolle si dissolvano di nuovo alla fusione.
Fig. 4 L'opzione del modello Han e Yoo modificato è stata aggiunta in Moldex3D 2021.
Fig. 5 Il confronto tra i modelli Han e Yoo originali e modificati
Il processo di schiumatura è molto vario ed estremamente complesso ed è ampiamente applicato in vari campi.
Pertanto, è particolarmente importante controllare i cambiamenti durante l'intero processo.
Se siamo in grado di prevedere con precisione la dimensione della bolla attraverso il modello microscopico, sarà utile per un'ulteriore previsione di molte proprietà macroscopiche come il trasferimento di calore, la resistenza meccanica, l'assorbimento acustico e la bassa costante dielettrica.
Di conseguenza, la progettazione del prodotto e l'efficienza produttiva risultano notevolmente migliorate.
Riferimento
[1] K. Taki et al., "3D NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL OBSERVATION OF BUBBLE GROWTH AND COLLAPSE IN NITROGEN-GAS SATURATED MOLTEN POLYMER FOR THE CORE-BACK FOAM INJECTION MOLDING", ANTEC® 2021 – SPE.