Procedimiento para el diseno del sistema de varillas de expulsion para un molde OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention pertenece al campo de los procesos industrials de moldeo por inyeccion.
El objeto de la presente invencion es un procedimiento que permite determinar la position optima para las varillas de expulsion que permiten separar la pieza moldeada del molde correspondiente.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
El moldeo por inyeccion es uno de los procesos tecnologicos mas utilizados en la transformation de polimeros termoplasticos. El proceso se inicia con la inyeccion de una cantidad precisa de material termoplastico fundido en el interior de las cavidades del molde. A continuation la pieza de plastico comienza a solidificarse, disminuyendo su volumen y contrayendose sobre los nucleos de las cavidades; esta perdida de volumen se compensa inyectando una pequena cantidad de masa fundida en el interior de las cavidades y aplicando una presion de mantenimiento que evita el reflujo del material termoplastico. El alto nivel de rendimiento que se le exige hoy en dia al molde, motiva que el valor del tiempo ciclo deba reducirse al mmimo posible, esto se consigue enfriando la pieza por medio de canales de refrigeration por los que circula un fluido a menor temperatura, acelerando de este modo su solidification. Cuando la pieza llega a tener la suficiente rigidez para ser expulsada del molde, el sistema de expulsion se encarga de extraer la pieza de la cavidad a la que se ha quedado adherida, mediante un sistema mecanico que la liberara del mismo. Tras finalizar la fase de expulsion, el molde se cerrara y comenzara de nuevo el siguiente ciclo.
Requerimientos de tiempos de ciclo cortos, obligan a la extraction de la pieza del molde casi al limite de su solidificacion. Esto puede ocasionar danos o deformaciones en la pieza si el diseno del sistema de expulsion no se realiza de manera adecuada. Si bien existen varios procedimientos de expulsion de la pieza de plastico del molde, muchos de ellos ocasionan problemas con el tiempo perdiendo su funcionalidad debido al desgaste y ganando holgura
con el uso. Por esta razon en piezas de plastico complejas que incorporen nervios, salientes o zonas con poca salida, se recomienda el uso de varillas expulsoras para su extraction del molde. Estas varillas se caracterizan por su versatilidad en su localization en la pieza, asi como por su facilidad de instalacion a un coste relativamente economico.
El calculo y diseno de la distribution de los expulsores sobre la pieza de plastico no es no es una labor facil cuando la geometria de la pieza es compleja. Actualmente la distribucion de los expulsores se proyecta en base a la experiencia del disenador de moldes. En la literatura especializada se sugieren algunas reglas basicas de tipo empmco en relation al diseno y selection de los expulsores. A la luz de estos problemas, se estima necesario un procedimiento que automatice el proceso de diseno del sistema de expulsion del molde realizandose paralelamente al diseno de la pieza, previniendo posibles fallos de manufactura ya desde etapas iniciales del diseno.
Aunque los sistemas CAD/CAM se han usado ampliamente en el diseno de moldes de inyeccion, no incorporan procedimientos geometricos para automatizar el diseno del sistema de expulsion. Los procedimientos especializados a nivel comercial para diseno de moldes requieren de mucha interaction y experiencia por parte del disenador asi como un conocimiento espedfico sobre la manufactura de la pieza de plastico. En el ambito de la investigation existen igualmente pocos trabajos dedicados a la automatization del diseno de la etapa de expulsion, basandose fundamentalmente en el reconocimiento de caractensticas de la pieza de plastico o bien en metodos heunsticos de optimization del resultado.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
En base a los problemas planteados, la presente solicitud de patente describe un nuevo procedimiento para la obtencion automatizada de la position de las varillas expulsoras requeridas para expulsar una pieza de plastico que se va a disenar. El procedimiento propuesto ayudara a los disenadores de moldes de inyeccion a obtener sistematicamente la posicion optima de las varillas expulsoras, reduciendo sustancialmente el tiempo de interaccion entre los disenadores de producto y los disenadores del molde a la hora de validar el diseno antes de proceder a su fabricacion.
Esencialmente, el procedimiento propuesto esta disenado para localizar de manera automatica aquellos puntos de la pieza que no esten situados en zonas que no son optimas para la ubicacion de una varilla expulsora, por ejemplo en zonas donde existen cantos, 3
nervios, y otras estructuras de la pieza, pero que al mismo tiempo esten suficientemente cerca de tales estructuras como para presentar una rigidez adecuada para la expulsion. Este procedimiento puede realizarse de manera automatizada mediante un ordenador simplemente a partir de un modelo tridimensional de la pieza en cuestion y del conocimiento de la superficie moldeable por la cavidad del molde. Un tercer parametro configurable permite determinar la precision del analisis.
Preferentemente, el modelo tridimensional de la pieza puede obtenerse mediante herramientas digitales de diseno tales como programas de dibujo por ordenador, como por ejemplo Autocad o Catia. Alternativamente, en otra realization preferida de la invention el modelo tridimensional de la pieza puede obtenerse a traves de un proceso de escaneado digital de una pieza real fabricada mediante cualquier metodo adecuado, como por ejemplo mecanizado o inyeccion.
Las principales ventajas del procedimiento de la invencion con relation a los procedimientos utilizados convencionalmente son las siguientes:
- Validez del procedimiento con independencia del modelador, evitando los problemas de dependencia del modelador y del analisis de caracteristicas complejas.
- Validez para piezas en formato discreto o continuo analizando el procedimiento descrito en el documento la geometria de manera externa, obteniendo como ventaja la posibilidad de implementar el procedimiento en cualquier modelador CAD.
- Validez para cualquier geometria dado que funciona con independencia del procedimiento segun el cual haya sido disenada la pieza.
- Representation CAE sobre la pieza de plastico, dado que la solution del procedimiento queda superpuesta sobre la pieza en forma de mapa de expulsion proporcionando como resultado un layout con la localization de los expulsores sobre la pieza.
- Los resultados del procedimiento permiten su exportation y almacenamiento para otras aplicaciones, proporcionando la posibilidad de su utilization por un sistema parametrico de diseno CAD del molde de inyeccion.
- Los puntos obtenidos para la expulsion son puntos reales que se pueden situar sobre la pieza real con un dispositivo de medida.
La presente invention describe un procedimiento para disenar el sistema de extraction de una pieza de un molde de inyeccion a partir de un modelo tridimensional de la pieza y de la superficie moldeable por una cavidad del molde, que permite seleccionar unos puntos de expulsion optimos para la ubicacion de unas varillas expulsoras de la pieza. Como se ha mencionado, el modelo tridimensional de la pieza puede obtenerse mediante herramientas digitales de diseno o bien mediante un proceso de escaneado digital de una pieza real fabricada mediante cualquier metodo adecuado.
Este procedimiento comprende fundamentalmente los siguientes pasos:
1) Crear una cuadricula de nodos plana situada sobre un plano perpendicular a la direction de movimiento de la cavidad del molde.
La distancia entre los nodos de la cuadricula, o precision de la malla nodal bidimensional, coincidira con la precision del analisis que se va a realizar. Preferentemente, se elige esta distancia entre nodos de modo que sea aproximadamente la mitad de la dimension del detalle geometrico mas pequeno de la pieza en cuestion.
2) Determinar los puntos de la pieza correspondientes a la intersection con una recta perpendicular a dicho plano que pasa por cada nodo de la cuadricula.
Para llevar a cabo esta operacion, se traza un haz de rectas perpendiculares al plano mencionado anteriormente con inicio en cada nodo de la cuadricula. A continuation, se calculan todos los puntos de corte de dichas rectas con la superficie de la pieza moldeable por la cavidad del molde.
3) Calcular el espesor de la pieza correspondiente a cada punto de interseccion.
Puesto que una unica recta puede cortar la superficie de la pieza en mas de dos puntos, en una realization preferida de la invencion el espesor de la pieza se calcula como la distancia en la direccion de la recta entre el punto de interseccion mas alejado del plano y el punto de interseccion situado sobre la superficie moldeable por
la cavidad del molde.
4) Identificar los puntos de la pieza donde existen cambios de espesor y los puntos donde no existen cambios de espesor.
De acuerdo con una realizacion preferida de la invention, se determina que un punto de la pieza presenta un cambio de espesor si al menos uno de los incrementos de espesor entre dicho punto y cada uno de los puntos adyacentes es diferente de los demas.
5) Determinar como puntos candidatos a puntos de expulsion aquellos puntos sin cambio de espesor cuya primera superficie circundante no contenga ningun punto con cambio de espesor.
El termino "primera superficie circundante hace referencia a una determinada superficie que rodea a cada punto sin cambio de espesor. En principio, esta superficie puede definirse a traves de una forma geometrica determinada, como por ejemplo una circunferencia con centro en el punto en cuestion.
En esta operation, se comprueba que no exista ningun punto con cambio de espesor muy cerca de los puntos candidatos a puntos de expulsion, con el proposito de excluir aquellos puntos situados muy cerca de nervios, aristas, bordes, y en general otras estructuras de la pieza que no son adecuadas para la ubicacion de varillas de expulsion.
6) Calcular el numero de puntos con cambios de espesor contenidos en una segunda superficie circundante a cada punto candidato a punto de expulsion, donde la segunda superficie circundante es mayor que la primera superficie circundante.
El termino "segunda superficie circundante hace referencia a una superficie normalmente de la misma forma geometrica y concentrica con relation a la primera superficie, aunque de mayor tamano.
De acuerdo con una realizacion preferida de la invencion, la primera superficie circundante y la segunda superficie circundante de un punto candidato a punto de expulsion se conforman como circunferencias con centro en dicho punto. Por
ejemplo, el diametro de la primera superficie circundante puede ser esencialmente igual a la distancia entre los nodos de la cuadricula. En otra realization preferida de la invention, el diametro de la segunda superficie circundante es esencialmente el doble del diametro de la primera superficie circundante.
En esta operation, se determinan cuales de los puntos candidatos anteriores estan situados suficientemente cerca de estructuras de la pieza tales como nervios, aristas o bordes, ya que una determinada cercania a estas estructuras proporciona rigidez a esta zona de la pieza y por tanto hace que estos puntos sean especialmente adecuados para la ubicacion de las varillas de expulsion.
7) Seleccionar como puntos de expulsion aquellos puntos candidatos cuyo numero de puntos con cambio de espesor contenidos en la segunda superficie circundante constituya un maximo local.
Es decir, se seleccionan aquellos puntos candidatos cuya segunda superficie circundante contenga el maximo numero de puntos con cambio de espesor. Ello implica que, de entre puntos que esten situados suficientemente cerca de estructuras de la pieza tales como aristas, bordes o nervios, se eligen aquellos que tengan suficientemente cerca un mayor numero tales estructuras, ya que seran los mas rigidos de entre los puntos "elegibles" para la ubicacion de las varillas de expulsion.
8) Opcionalmente, el procedimiento de la invencion comprende preferentemente un ultimo paso consistente en la fabricacion del molde de inyeccion dotado de varillas de expulsion ubicadas en los puntos de expulsion determinados en el paso anterior.
El procedimiento de la invencion esta especialmente disenado para ser llevado a la practica con ayuda de un medio de procesamiento tal como un ordenador. Por lo tanto, la presente invencion se extiende a los programas de ordenador adaptados para llevar a la practica el procedimiento de la invencion. El programa puede tener la forma de codigo fuente, codigo objeto, una fuente intermedia de codigo y codigo objeto, por ejemplo, como en forma parcialmente compilada, o en cualquier otra forma adecuada para uso en la puesta en practica de los procesos segun la invencion. La portadora puede ser cualquier entidad o dispositivo capaz de soportar el programa.
Los programas de ordenador pueden estar dispuestos sobre o dentro de una portadora. Por
ejemplo, la portadora podria incluir un medio de almacenamiento tal como una memoria ROM, una memoria CD ROM o una memoria ROM de semiconductor, o un soporte de grabacion magnetica, por ejemplo, un disco flexible o un disco duro. Ademas, la portadora puede ser una senal transmisible, por ejemplo, una senal electrica u optica que podria transportarse a traves de cable electrico u optico, por radio o por cualesquiera otros medios.
Cuando el programa va incorporado en una senal que puede ser transportada directamente por un cable u otro dispositivo o medio, la portadora puede estar constituida por dicho cable u otro dispositivo o medio.
Como variante, la portadora podria ser un circuito integrado en el que va incluido el programa, estando el circuito integrado adaptado para ejecutar, o para ser utilizado en la ejecucion de, los procesos correspondientes.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Las Figs. 1a y 1b muestran respectivamente un ejemplo de la pieza M real y de la pieza M en formato discreto tras el escaneo de la pieza real (M) con un dispositivo de medida.
La Fig. 2 muestra las superficies I de la pieza M.
La Fig. 3 muestra una malla nodal Nk para la pieza M.
La Fig. 4 muestra una representacion de las rectas Rt y Rt++1
La Fig. 5 muestra un conjunto de puntos de intersection Pij representados sobre la propia pieza M.
La Fig. 6 muestra una representacion de una recta Rq.
La Fig. 7 muestra un ejemplo de obtencion del espesor maximo Eij de la pieza M en un punto Pij generico.
La Fig. 8 muestra graficamente el calculo de la variation de espesor entre nodos contiguos al nodo Pij.
La Fig. 9 muestra una representacion de los nodos Pijv y Pijr sobre !.
La Fig. 10 muestra la localizacion de los puntos Pijexp.
La Fig. 11 muestra la representacion de los puntos Pijexp.
La Fig. 12 muestra el procedimiento para la localizacion de los expulsores sobre !.
La Fig. 13 muestra un ejemplo de la estimacion del numero de nodos Pijr por nodo Pijexp.
La Fig. 14 muestra la concentration de nodos Pijr por nodo Pijexp indicada en escala de grises en un analisis realizado con precision A/2 y donde los p untos de expulsion se representan mediante esferas blancas sobre la pieza M.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
A continuation, se describe con mayor detalle la presente invention haciendo referencia a las figuras adjuntas.
Datos iniciales
El procedimiento que se describe en este documento toma tres datos como entrada:
1) Una geometria discreta de una pieza M que esta formada por un conjunto de elementos planos triangulares y nodos, como se muestra en la Fig. 1b. En este ejemplo concreto, la geometria discreta de la pieza M ha sido obtenida mediante un proceso de escaneado digital de una pieza real M representada en la Fig. 1a. En cualquier caso, como se ha comentado con anterioridad en este documento, tambien seria posible obtener la geometria discreta de la pieza M a partir de una geometria de la pieza M generada mediante CAD en formato continuo B-Rep.
2) Un conjunto de superficies I en formato discreto en una realization preferente pertenecientes a la pieza M que seran moldeables por la cavidad inferior del molde, figura 2.
3) Un valor A que determina la precision de la malla nodal bidimensional (distancia
entre dos nodos contiguos, en los ejes X e Y) coincidente con la precision del analisis. Sera siempre conveniente adaptar el valor de A a la mitad de la dimension del detalle geometrico mas pequeno de la pieza.
Generation de una cuadricula en las superficies de la pieza de plastico desmoldeables por la cavidad inferior del molde
Durante esta fase se genera una cuadricula de nodos Nk plana (malla nodal 2D) sobre un plano paralelo al plano XY con un valor de Z=cte. Los datos de entrada para la creation de la malla nodal son las medidas del prisma circunscrito a la pieza M y la precision del analisis A. En la figura 3 se ha representado la malla nodal Nk para la pieza M, para una precision A.
A continuation se traza un haz de rectas Rt paralelas al eje Z, con inicio en cada nodo Nk de la malla nodal 2D. En la figura 4 se han representado a modo de ejemplo dos rectas Rt y Rt+1 pertenecientes al conjunto de rectas que atraviesan a la pieza M.
Seguidamente se obtienen los puntos intersection Pij entre cada recta Rt y las superficies I de la pieza moldeables por la cavidad inferior del molde. Estos puntos Pij quedan almacenados en una matriz A. En la figura 5 se ha representado el conjunto de puntos interseccion Pij sobre la superficie I.
Calculo de las diferencias en las variaciones de espesor de la pieza de plastico M para cada nodo Pij perteneciente a la malla A
En esta fase del procedimiento se obtiene el valor del espesor maximo de la pieza M para cada punto Pij. Para ello con inicio en cada punto Pij perteneciente a A, se traza una recta Rq paralela al eje Z que atraviesa la malla M calculando los puntos interseccion (Pij,..., Pij n) entre cada recta Rq y M. El valor del espesor maximo Eij, de la pieza de plastico en cada punto Pij se calcula como la diferencia en altura en la direction del eje Z, entre el punto interseccion Pij n de mayor cota y el punto Pij situado sobre I.
Pij = [Pij x, Pij y, Pij z]
Pijn = [Pij xn, Pij yn, Pij zn] Eij = (Pij n z - Pij z)
Para identificar de manera automatizada zonas geometricas de la pieza que incorporen
nervios, salientes, y esquinas el procedimiento, analiza la variation en la diferencia de espesor entre cada par de nodos contiguos de la malla Pij y Pi±1 j±1 separados una distancia A igual a la precision del analisis figura 8.
Este analisis se desarrolla bidireccionalmente siguiendo la direction de los ejes coordenados X e Y. Para cada nodo Pij de la malla A se evalua el valor AE con todos los nodos colindantes al mismo (Pi-1j, Pi+1j, Pij-1, Pij+1) separados entre s^ una distancia A. Cada nodo puede tener hasta 4 nodos colindantes con los que se obtienen los valores de variaciones de espesor AEA, AEB, AEC, AED. De esta forma, si la variacion en la diferencia de espesor nodo-nodo se mantiene constante en una de las direcciones de los ejes coordenados X o Y, es decir si se cumple la condition AEA = AEB o bien AEC= AED dichos nodos se agrupan en una nueva matriz nv renombrandose como Pijv.
Por el contrario si existe cualquier desigualdad, entre los valores AEA, AEB, AEC, o AED entonces el nodo Pij presenta una variacion de espesor en un entorno cercano. En este caso el nodo analizado Pij pertenece a una zona de la geometrica de la pieza caracterizada por incorporar, nervios, salientes esquinas etc. El nodo con mayor magnitud de espesor queda almacenado en una nueva matriz nr pasando a denominarse Pijr. En la figura 9 se indica el resultado de esta etapa del procedimiento para una precision A representando los nodos Pijv con un drculo y los nodos Pijr con un cuadrado.
Localization de regiones optimas para la expulsion y determination de los expulsores sobre la geometria desmoldeable por la cavidad inferior del molde
Para cada nodo Pijv perteneciente a nv se genera un area circular de radio R= A, siendo A el valor de la precision de la malla y se comprueba, si algun nodo Pijv perteneciente a nv esta incluido en el area circular de centro Pijv y radio R= A
Si se cumple este criterio el nodo Pijv es un posible punto de expulsion, por encontrarse dentro una region sin cambios de espesor quedando almacenado en una nueva matriz nexp, y nombrandose Pijexp. Con este procedimiento se pretende detectar aquellos nodos separados de bordes, cantos, y zonas que no son optimas para la situation de un expulsor. En la figura 10 se indica un ejemplo de la localizacion de los puntos Pijexp para la pieza M y en la figura 11 el conjunto de puntos Pijexp marcados con una cruz.
A continuation se determina la position de los expulsores sobre la geometria desmoldeable
por la cavidad inferior del molde. Para cada nodo Pijexp perteneciente a nexp se genera un area circular de radio R=2*A, siendo A el valor de la precision de la malla. Seguidamente se comprueba, si algun nodo Pijr perteneciente a nr esta incluido en el area circular de centro Pijexp y radio R=2*A. Si se cumple este criterio el nodo Pijexp sera un posible punto de expulsion ya que cumple el requisito de estar cerca de paredes, nervios, esquinas en definitiva zonas con cambios de espesor.
Se define un valor de Cn asociado a cada nodo Pijexp para indicar el numero de nodos Pijr que se encuentran en el area circular de centro Pijexp y radio R= 2 * A. En la figura 12 se indica un ejemplo de localizacion de los expulsores sobre !, en la figura 13 se indican dos ejemplos de estimacion del numero de nodos Pijr por nodo Pijexp. A continuacion se obtienen los valores maximos locales de Cn para todos los puntos Pijexp. Los maximos locales seran los puntos optimos de expulsion para la pieza de plastico ya que se encuentran proximos a zonas muy rigidas de la pieza a fin de evitar deformaciones.
En la figura 14 se ha representado el resultado del procedimiento para la pieza ejemplo M con una precision de analisis A/2; se indica un mapa de expulsion con la concentracion de nodos Pijr por nodo Pijexp, en escala de grises asi como la localizacion final de los puntos de expulsion usando drculos blancos sobre la pieza M.
Por ultimo, se puede realizar el paso final de fabricar el molde de inyeccion con las varillas de expulsion ubicadas en las posiciones calculadas mediante el procedimiento anterior. Concretamente, este molde de inyeccion incluiria concretamente cinco varillas de expulsion situadas respectivamente en los puntos marcados por los drculos blancos de la Fig. 14: cuatro en la periferia y uno en la zona central.
