OpenFOAM® simulation of the injection moulding filling stage

Abstract

The main purpose of this work is the simulation of the injection moulding filling stage using the open source software OpenFOAM® (version 2.3.1). The program can already solve general problems, but, we would like to extend its capabilities, by creating and implementing a new boundary condition capable of letting the air out of the mould, but not the polymer. We consider different locations for the air exit and study their influence on the quality of the final results. In addition, since the material viscosity influences the evolution of the flow front and its behaviour inside the mould, we also study the filling of the mould cavity considering both a Newtonian and a generalized Newtonian model (Bird- Carreau) fluids. In order to take into account non-isothermal flows, we have implemented the energy equation in the interFoam solver. We also added a temperaturedependent viscosity model (the Cross model) modified with the Arrhenius equation. The solver interFoam was also extended to viscoelastic flows, and simple tests were performed using an Oldroyd-B model. Finally we have performed simulations of the filling process of a real injection part, a tensile specimen and its feeding system.

Este trabalho tem como principal objetivo simular a fase de enchimento do processo de moldação por injeção, usando o software de código aberto, OpenFOAM® (versão 2.3.1) O programa já consegue resolver problemas gerais, no entanto, para simular melhor a realidade é necessário adaptá-lo. Deste modo, a primeira fase deste estudo foi tentar resolver um dos problemas da abordagem computacional do processo de moldação por injeção, a saída do ar. Para isso, criámos e implementamos uma condição fronteira capaz de deixar o ar sair, mas o polímero não. Depois, estudámos a influência da localização desta condição na frente do fundido. Adicionalmente, como a viscosidade do material tem influência no seu movimento e na evolução da sua frente de fluxo, também estudámos o enchimento de um molde usando um fluido Newtoniano e um modelo Newtoniano generalizado (modelo de Bird-Carreau). Como o solver atualmente existente é isotérmico e a moldação por injeção é um processo não-isotérmico, a equação da energia foi implementada no solver interFoam. Adicionámos ainda um modelo para a viscosidade, que dependente da temperatura (modelo de Cross modificado com a equação de Arrhenius). O solver interFoam foi ainda estendido para fluídos viscoelásticos, tendo sido feito algumas simulações simples com o modelo Oldroyd-B. Por último, foram feitas simulações usando uma geometria real do processo de moldação por injeção. Essa geometria é um provete usado nos testes de tração, incluindo o seu sistema de alimentação.