Numerical simulation of the filling and curing stages in reaction injection moulding, using CFX

Abstract

Os métodos habitualmente utilizados para a simulação de injecção em moldes envolvem um número considerável de simplificações, originando reduções significativas do esforço computacional mas, nalguns casos também limitações. Neste trabalho são efectuadas simulações de Reaction Injection Moulding (RIM) com o mínimo de simplificações, através da utilização do software de CFD multi-objectivos CFX, concebido para a simulação numérica de escoamentos e transferência de calor e massa. Verifica-se que o modelo homogéneo para escoamentos multifásicos do CFX, geralmente considerado o apropriado para a modelação de escoamentos de superfície livre em que as fases estão completamente estratificadas, é incapaz de modelar correctamente o processo de enchimento. Este problema é ultrapassado através da implementação do modelo não homogéneo juntamente com a condição de fronteira de escorregamento livre para o ar. A reacção de cura é implementada no código como uma equação de transporte para uma variável escalar adicional, com um termo fonte. São testados vários esquemas transitórios e advectivos, com vista ao reconhecimentos de quais os que produzem os resultados mais precisos. Finalmente, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento, cura e energia são implementadas conjuntamente para simular os processos simultâneos de enchimento e cura presentes no processo RIM. Os resultados numéricos obtidos reproduzem com boa fidelidade outros resultados numéricos e experimentais disponíveis, sendo necessários no entanto tempos de computação consideravelmente longos para efectuar as simulações.

ABSTRACT: Commonly used methods for injection moulding simulation involve considerable number of simplifications, leading to a significant reduction of the computational effort but, in some cases also to limitations. In this work, Reaction Injection Moulding (RIM) simulations are performed with minimum of simplifications, by using the general purpose CFD software package CFX, designed for numerical simulation of fluid flow and heat and mass transfer. The CFX’s homogeneous multiphase flow model, which is generally considered to be the appropriate choice for modelling free surface flows where the phases are completely stratified and the interface is well defined, is shown to be unable to model the filling process correctly. This problem is overcome through the implementation of the inhomogeneous model in combination with the free-slip boundary condition for the air phase. The cure reaction is implemented in the code as a transport equation for an additional scalar variable, with a source term. Various transient and advection schemes are tested to determine which ones produce the most accurate results. Finally, the mass conservation, momentum, cure and energy equations are implemented all together to simulate the simultaneous filling and curing processes present in the RIM process. The obtained numerical results show a good global accuracy when compared with other available numerical and experimental results, though considerably long computation times are required to perform the simulations.