Estrategias de Ahorro de Tiempo y Costos Empleando Moldex3D para Tomar Mejores Decisiones en el Diseño de Productos y su Optimización
Perfil del Cliente
• Cliente: Shape Corporation
• País: India, USA, Europa, Asia
• Industria: Proveedor Automotriz
• Solución: Moldex3D eDesign
Shape Corporation es una subsidiaria de Net Shape Engineering LLC/ Shape Corp., es líder global en sistemas de gestión de energía de impacto que protegen a los usuarios, peatones y vehículos. Con sede principal en Grand Haven, Michigan, EEUU, Shape Corp. es un proveedor de servicios completos que ofrece diseño, ingeniería, evaluación y fabricación de soluciones plásticas y metálicas en Norteamérica, Europa y Asia. Es reconocida como pionera en el moldeo por inyección y en el formado por rodillo personalizado. Además, aplica su experiencia en manejo de sistemas de energía y otras industrias, como la automotriz, los mobiliarios de oficina, el sector salud, agricultura y más. (Fuente: www.shapecorp.com)
El protector de guardafangos encaja en la parte superior de las ruedas del vehículo y su función es proteger el cuerpo interno de acero de ser golpeado a altas velocidades por rocas, arena o elementos no deseados.
Resumen Ejecutivo
Este caso implica una pieza automotriz: un protector de guardafangos. Una parte sumamente empleada en la industria automotriz para todo tipo de vehículos. Básicamente, encaja en la parte superior de las ruedas de un vehículo y su función es proteger el cuerpo interno de acero de ser golpeado a altas velocidades por rocas, arena o elementos no deseados.
La inyección de este protector requiere de canales calientes con entradas con válvula, las cuales son sumamente empleadas en el moldeo por inyección para manipular el flujo, el tiempo, la ubicación de líneas de soldadura y la presión en la cavidad. Además, la industria automotriz está encaminada a fabricar piezas más ligeras y delgadas para reducir su peso y, al mismo tiempo, intentar mantener estándares de durabilidad similares. En este caso, hay un sistema de entrada con válvula a lo largo con guías de flujo de diferentes espesores, colocadas en varias áreas para optimizar el patrón de llenado de la pieza, reducir trampas de aire, y reducir el tonelaje (fuerza de cierre).
En busca de simular este proceso, el equipo empleó un mallado de cáscara para realizar múltiples cambios de diseño en la geometría de la pieza al añadir guías de flujo de diferentes espesores en diversas ubicaciones, para minimizar la formación de las líneas de soldadura y balancear el patrón de flujo a través de la cavidad. Luego de obtener la situación óptima de llenado, después de múltiples corridas en el software Moldex3D, las modificaciones se agregaron a la geometría de la pieza final; el equipo de ingenieros de Shape utilizó Moldex3D eDesign para producir un mallado 3D y luego comparar los resultados finales entre el mallado de cáscara contra el 3D. Como resultado, el equipo determinó que el análisis por cáscara de Moldex3D produjo resultados confiables y los ayudó a hacer modificaciones rápidas de diseño en corto tiempo, y el análisis de malla 3D de Moldex3D eDesign les ayudó a verificar el diseño final de la pieza con resultados precisos y cercanos a la realidad, mucho antes de la fabricación del molde.
Se encontraron muchos desafíos al momento de diseñar la pieza y el molde:
• Implementar un diseño ideal de entradas con válvula para lograr el balance del flujo.
• Añadir guías de flujo para asegurar un llenado adecuado manteniendo el peso de la pieza bajo el rango deseado.
• Reducir el tonelaje excedente requerido en el diseño original por debajo del límite de valor especificado.
• Eliminar las numerosas pruebas de moldes y evitar las futuras reparaciones de piezas y moldes.
Avance del Frente de Flujo- 75%
Avance del Frente de Flujo- 100%
Avance del Frente de Flujo-75% (arriba): Formación de trampas de aire y líneas de soldadura que conduce a puntos débiles en la pieza, resaltados en rojo.
Avance del Frente de Flujo-100% (abajo): El lado izquierdo de la pieza se llena antes que el lado derecho. Este último indica un problema de llenado incompleto.
Soluciones
Para superar estos desafíos y lograr el objetivo inicial se necesitarían múltiples iteraciones de simulación del llenado de la pieza ajustando el número de entradas, su ubicación, la ubicación de las guías de flujo y cambios en su espesor. Además, todo tuvo que hacerse rápido debido a un corto plazo de 2 semanas para completar la simulación. Shape empleó cómputo remoto para construir y simular un análisis por mallado de cáscara en Moldex3D, el cual proporcionó resultados de simulación rápidos que permitieron entablar una discusión ingenieril en la siguiente dirección de iteración. Esto ayudó absolutamente a acelerar el flujo de trabajo y Shape fue capaz de obtener el escenario ideal de llenado en un tiempo corto y limitado. A continuación, el análisis 3D a través de Moldex3D eDesign fue empleado como ayuda para verificar aún más el diseño final. Es decir, se demostró que los resultados de la simulación del análisis 3D coincidían en gran medida con los resultados reales de la prueba del molde.
Caso de Estudio
En primer lugar, Shape ejecutó la simulación con una distribución básica de ubicación de las entradas para obtener una idea inicial del patrón de flujo, la presión y el tonelaje requeridos. Ellos utilizaron la opción de mallado de bajo nivel en Moldex3D para acelerar el tiempo de cómputo y, junto con el uso de su capacidad total de 8 CPU, obtuvieron resultados rápidos. En segundo lugar, en base a las corridas de análisis iniciales, Shape comenzó a cambiar la ubicación de sus entradas, al igual que su cantidad. Se hizo evidente que, debido a la limitación del tonelaje, no era posible obtener un escenario ideal de llenado sin añadir guías de flujo. Cada modificación de las guías de flujo requirió la recomendación de Shape, aprobada tanto por su propio equipo de ingeniería como por sus clientes.
Además, el equipo de ingeniería de Shape enfrentó una rígida restricción por la reducción del tiempo durante todo el proceso de desarrollo. Por ende, cambiaron al modelado por cáscara, el cual permitió obtener resultados de manera rápida y tener tiempo suficiente para modificar las guías de flujo por cada una de las más de 20 iteraciones. Modificaron las ubicaciones de las entradas, el espesor de las guías de flujo y sus ubicaciones hasta que todos los requerimientos fuesen cumplidos. Por último, fueron capaces de reducir la fuerza de cierre requerida por debajo de 2000 toneladas, y lograron un tiempo de llenado casi simultáneo tanto en el lado izquierdo como en el derecho de la pieza, con una diferencia de llenado menor de 2 segundos. Además, las trampas de aire fueron controladas dentro de un rango manejable y cualquier procesamiento posterior se mantuvo al mínimo, utilizando solo el menor número de canales externos para alimentar la pieza.
Al usar el mallado de cáscara de Moldex3D, Shape fue capaz de correr el análisis de la pieza original y luego hacer las modificaciones requeridas al añadir la guía de flujo y eliminando/cambiando el perfil de la pieza rápidamente, para lograr obtener los resultados ideales.
Luego, el equipo de ingeniería de Shape dio el recuento de la simulación al diseñador con el fin de modificar el diseño final de la pieza. Con el diseño final en mano, el equipo de ingeniería realizó la simulación con el modelado 3D de Moldex3D eDesign y verificó los resultados con el modelo original de cáscara y los resultados reales obtenidos de las pruebas del molde. Los resultados de simulación para ambos modelados, cáscara y 3D, se reflejaron bastante bien con el escenario de moldeo en la vida real.
Los resultados del análisis de simulación se corresponden de manera muy cercana con la pieza moldeada en la vida real, incluyendo el patrón de flujo, presión, tonelaje, etc.
Beneficios
Empleando los análisis de cáscara y 3D de Moldex3D, Shape fue capaz de obtener el patrón de flujo deseado, determinar el número óptimo de entradas y sus ubicaciones, y reducir la fuerza de cierre requerida. De esta forma, evitó acertadamente gastar una cantidad considerable de dólares en cambios potenciales del molde o sus reparaciones.
* Costos de Prueba:
Eliminación de aproximadamente 6 pruebas de moldes durante el control de calidad para poder determinar los problemas de flujo descubiertos a través de la simulación del llenado y la determinación básica de los parámetros del proceso.
Costos de Prueba = $1200 USD * 6 = $7,200 USD
* Costos de Mano de Obra:
Piezas similares se trabajaron en el pasado, las cuales requirieron cesar el proyecto debido a llenados inadecuados y a la necesidad de tener dos operarios presentes por inyección. En esta pieza simulada se mantuvo constante el proyecto y la pieza requirió de un solo operario por inyección.
Costo de 1 (Persona) * $20 (Velocidad del Operario) * 1650 Horas (Trabajo) = $33,000 USD
* Costos de Reparación de Moldes:
Empleando la simulación por Moldex3D para cambios de diseño y optimización del proceso, Shape evitó de forma exitosa problemas de llenado que pudieron haberlos forzado a mover las entradas de los canales calientes 2 o 3 veces por un costo aproximado de $10,000 USD por 2 cavidades.
Reparación Evitada = $10,000 * 3 * 2 = $60,000
* Total Estimado de Costos Ahorrados:
$7200 + $33,000 + $60,000 = $100,200 USD
Además, gracias a las opciones de parámetros computarizados de Moldex3D (múltiples núcleos, cómputo remoto y análisis rápido), Shape también pudo lograr los resultados del análisis de manera rápida y eficiente. Con los resultados de flujo en mano, requirió de menor esfuerzo para convencer al cliente de Shape para realizar los cambios oportunos en el diseño de la pieza; y, debido a ello, se pudo completar la construcción del molde a tiempo. Después de que la herramienta fue fabricada y probada, los resultados reales de llenado de la pieza y su procesamiento coincidieron perfectamente con la predicción por simulación de Moldex3D. El equipo entero, incluyendo el cliente, estaban extasiados con los resultados positivos y el rápido tiempo de respuesta.
En conclusión, sin la ayuda de la herramienta CAE Moldex3D, hubiese sido complicado para Shape lograr su meta de proveer el producto de mejor calidad para su cliente implicando, a su vez, los menores costos de producción. Las tecnologías de simulación de Moldex3D exitosamente ayudaron a Shape a obtener los resultados óptimos y ahorrar una cantidad significante de costos potenciales de producción. Este caso es un ejemplo perfecto para demostrar cómo el análisis de Moldex3D puede ayudar a los usuarios a tomar mejores decisiones del diseño de sus productos y su optimización en busca de resolver diseños complejos y desafiantes, y problemas de fabricación.
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