Integrated three-dimensional flow and thermal simulation of the injection moulding process

Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica (área do conhecimento em Mecânica dos Fluídos e Transferência do Calor)The injection moulding process is widely used for the production of plastic parts. To optimize part quality and design while reducing cost in a systematic manner can be achieved by employing injection moulding simulation during the design phase. Furthermore, the solution of problems using a trial and error approach at the end of the production phase may affect negatively both cost of the mould and delivery time. The use of accurate injection moulding simulation tools allow the mould-maker to add value to their clients and is an important step towards o offering integrated part and mould design solutions. In the present work, a parallel flow solver was developed to simulate the injection moulding process. The algorithm solves the three-dimensional Navier-Stokes equation on unstructured meshes using a segregated approach. The position of the melt-front was captured using the VOF method and the temperature was computed using a scalar transport equation. Two numerical methods were used to discretise the set of partial differential equations: finite element method and finite volume method. The numerical methods were tested for a variety of cases and results were compared with analytical and experimental solutions when possible. The solver was tested running up to 80 processors in parallel and the results show good scalability without the loss of precision. The proposed model presents good stability, accuracy and efficiency in the simulation of the non-isothermal flow of viscous fluids in complex three-dimensional domains.A moldação por injecção é um processo bastante utilizado para a produção de peças plásticas. A optimização da qualidade e do design das peças e, simultaneamente, a redução do custo de um modo sistemático é possível recorrendo à simulação do processo de injecção durante a fase de projecto. Mais ainda, os processos de tentativa e erro no final da fase de produção podem afectar negativamente tanto o custo do molde como os prazos de entrega. A utilização de ferramentas precisas de simulação do processo de moldação por injecção permite ao fabricante de moldes acrescentar valor para os seus clientes e é um passo importante para a oferta de soluções integradas de desenho da peça e do molde. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um código paralelo para a simulação do enchimento do processo de moldação por injecção. O algoritmo resolve a equação de Navier-Stokes em três dimensões em malhas não-estruturadas e recorrendo a um método sequencial. A posição da frente do fundido é captado pelo método VOF e a temperatura é calculada utilizando uma equação de transporte. Foram utilizados dois métodos para discretizar as equações de derivadas parciais: elementos finitos e volumes finitos. Estes métodos de discretização foram testados para uma variedade de casos e os resultados foram comparados com soluções analíticas e experimentais quando possível. O método de resolução foi testado recorrendo a 80 processadores em paralelo e os resultados mostram boa eficiência sem perda de precisão. O modelo proposto apresenta boa estabilidade, precisão e eficiência na simulação do fluxo não-isotérmico de fluidos viscosos em domínios tri-dimensionais complexos.Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) - Ref. SFRH/BD/19632/200