Simulaton herstellungsbedingter Einflüsse bei kurzfaserverstärkten Spritzgussbauteilen

Bild 1: Prinzip der integrativen Simulation von Spritzguss und Strukturmechanik

Bild 1: Prinzip der integrativen Simulation von
Spritzguss und Strukturmechanik

Die Anforderungen an die wirtschaftliche Herstellung und die Qualität neuer Produkte wachsen kontinuierlich. Folglich werden bisherige Vorgehensweisen in der Produktentwicklung zunehmend hinterfragt. Durch die Simulation sowohl des Fertigungsprozesses als auch des Belastungsverhaltens eines Bauteils bereits im Entwurfsprozess können entscheidende Erkenntnisse in einer frühen Entwicklungsphase für die qualitative Verbesserung gewonnen werden.

Durch die konstruktive Vielfalt und die großen Stücckzahlen profitieren Hersteller von Spritzgussbauteilen bereits bei kleinen effizienzsteigernden Maßnahmen in der Fertigung besonders stark. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Verstärkung von Kunststoffen mit Fasern, die sehr gute gewichtsbezogene Steifigkeiten und Festigkeiten sowie hervorragende Ermüdungseigenschaften ergeben. Die Simulation der resultierenden Belastungseigenschaften erfordert die Kenntnis der lokalen Ausrichtungen der Fasern, die sich wiederum aus der Simulation des Spritzgussprozesses ergeben. Werden die Simulationswelten für den Spritzguss und die Strukturanalyse zusammengeführt, lässt sich das Verbesserungspotentials eines Bauteilentwurfs durch Sensitivitätsanalysen und eine anschließende Optimierung einfach erschließen. Das Spritzgussverfahren mit kurzfaserverstärkten Thermoplasten wird der großen Designfreiheit und der kostengünstigen Herstellung vor allem bei großen Stückzahlen besonders gerecht. Allerdings stellen die großen Chancen den Konstrukteur auch vor große Herausforderungen.

Zusammenführen von Spritzgusssimulation und Strukturanalyse

Bild 2: Materialmodellierung mit Hilfe von Matrix und Fasern

Bild 2: Materialmodellierung mit Hilfe von Matrix
und Fasern

Bei der Auslegung des Formenkonzepts von Spritzgussbauteilen ist die Simulation des Formfüllvorgangs bereits heute ein etabliertes Werkzeug. Im Zuge der Analyse des Materialflusses durch die Form werden dabei auch die Faserorientierungen errechnet. Für die Strukturanalyse lautet die Aufgabe, diese Ergebnisse sowie auch die verzugsrelevanten Restspannungen, die ebenfalls ein Ergebnis der Spritzgusssimulation und ihrerseits abhängig von der Faserlage sind, zu berücksichtigen. Ein wesentlicher Aspekt für eine realistische Prognose in der Produktentwicklung ist also das Zusammenführen der auf die Fertigungseffizienz fokussierten Spritzgusssimulation mit der auf die nutzungsorientierte Belastungssimulation ausgerichteten Struktursimulation (Bild 1).

Berücksichtigung der Mikrostruktur

Die mechanischen Eigenschaften der Mikrostruktur ergeben sich maßgeblich aus der Orientierung der Faserpartikel aufgrund des Spritzgussprozesses. Die unterschiedliche Ausrichtung der Fasern führt zu einer signiffikanten Variation der dung mit einem stark anisotropen Verhalten. Die Abbildung der Fasern und der Matrix im Detail ist für die numerische Analyse komplexer Bauteile aufgrund der exorbitante Rechenzeiten und Speicherplatzanforderungen allerdings nicht durchführbar. Stark vereinfachte Ansätze mit globalen isotropen und skalierten Kennwerten beschreiben verstärkte und damit heterogen aufgebaute Werkstoffe nur unzureichend. Außerdem sind die Skalierungsfaktoren stark erfahrungsabhängig und bauteilbezogen. Deshalb berücksichtigen aktuelle Methoden bei der Materialmodellierung die richtungsabhängige Mikrostruktur, ohne diese jedoch auszumodellieren.

Bild 3: Anistropes Verhalten von faserverstärkten Kunststoffen

Bild 3: Anistropes Verhalten von faserverstärkten
Kunststoffen

Dabei werden Matrix und Fasern durch Angabe der relevanten Eigenschaften und des jeweiligen Massenanteils zu einem effektiven Materialmodell komponiert komponiert (Bild 2). Charakteristisch sind erhebliche Unterschiede beim Vergleich der Steifigkeiten quer und längs zur Hauptfaserrichtung (Bild 3). Kritische Bereiche, in denen die Faserorientierungen auf engem Raum stark variieren, zum Beispiel Bindenähte, gehören zu den besonderen Aufgaben für die Berechnung.

 MoldSim-Modul für ANSYS von CADFEM

Mit dem MoldSim-Modul für ANSYS, das von CADFEM entwickelt wurde, kann im Sinne dieser Aufgabenstellung das Verhalten von heterogenen Werkstoffen auf der Grundlage ihrer Mikrostruktur beschrieben und vorhergesagt werden. Dazu wird ein Materialgesetz synthetisiert, das die Mikrostruktur und die importierten Daten der Faserlage und die Eigenspannungen berücksichtigt. Die Methode basiert auf der analytischen Grundlösung von Eshelby, die die Mikromechanik von elliptischen Inklusionen beschreibt. Dabei wird nicht nur die anisotrope Wärmeaausdehnung ermittelt. sotrope Wärmeausdehnung ermittelt. Hier stellt sich die Frage nach der Quelle der Materialdaten: Im Vorentwurf kann es ausreichend sein, einfach die Daten des unverstärkten Thermoplasts und der Faser zu verwenden. Um jedoch quantitative Aussagen zu treffen, ist es notwendig, das synthetisch erzeugte Materialmodell mit dem realen Materialverhalten abzugleichen. Für diesen als „Reverse Engineering“ bezeichneten Abgleich werden einfache Experimente verwendet, in der Regel Zugversuche, aber auch Drucktests, Biege- und Torsionsversuche. In Datenbanken wie z.B. CAMPUSplastics sind Zugversuche an einfach angespritzten Probestäben zu finden. Genauere Ergebnisse liefern dagegen Zugproben, die aus einfachen im Spritzgussverfahren hergestellten Probenplatten entnommen werden und mögliche Anisotropie-Achsen repräsentieren: empfohlen sind 0°, 45°, 90° zur Flussrichtung. Grundsätzlich sollen die Tests bei Temperaturen und Belastungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden, die für den Bauteileinsatz relevant sind. Diese Versuche werden simuliert, wobei ausgewählte Materialparameter des synthetischen Modells so verändert werden, dass sich die Versuchsergebnisse möglichst genau reproduzieren lassen. Anschließend werden die so gefitteten Daten des Matrix-Werkstoffs in der Engineering Database der ANSYS Workbench hinterlegt, wobei auch eine temperaturabhängige Beschreibung erfolgen kann. Sowohl die Mikrostrukturparameter als auch die mechanischen Kenndaten der Faser lassen sich dann in den Strukturbaum des Berechnungsmodells integrieren. Die Anforderungen an die Netze und Elemente in der Strömungsmechanik zur Simulation des Formfüllvorganges unterscheiden sich von denen für die Belastungsanalyse. Folglich müssen für die verschiedenen Simulationsmethoden unterschiedliche Diskretisierungen vorgenommen werden. Folglich ist eine Übertragung der Faserlage und der Eigenspannungen aus dem Spritzgussmodell auf das Modell für die strukturmechanische Simulation notwendig. Dazu werden von MoldSim die Tensor-Mapping-Routinen verwendet, die in ANSYS enthalten sind. Die Deckungsgleichheit der Modelle, die für das Mapping erforderlich ist, lässt sich durch einfache Eingabe von Verschiebungen und Drehungen erreichen. Nach dem Start der Analyse berechnet der Finite-Elemente- Solver die effektiven Materialeigenschaften des Spritzgussbauteils, wobei die Faserlage anhand von Mittelungsverfahren bezüglich Homogenisierung und Orientierung berücksichtigt werden. Die Einbettung der externen Spritzgussdaten und der Werkstoffmodellierung in eine durchgängige Simulationsumgebung ist entscheidend für einen ef- fizienten Produktentwicklungsprozess. Deshalb hat die CADFEM GmbH in die von ihr angebotene Simulationssoftware ANSYS Workbench ein eigens konzipiertes Menü integriert, das den Benutzer durch alle notwendigen Schritte führt, ohne dass die gewohnte Oberfläche verlassen werden muss. Diese Vorgehensweise erleichtert außerdem die Durchführung von parametrischen Studien, um die Einflüsse von Veränderungen in den einzelnen Materialphasen – von der Matrix bis zu den Fasern – zu analysieren.

Bild 4: Der Datenimport mit MoldSim in der ANSYS Workbench

Bild 4: Der Datenimport mit MoldSim in der
ANSYS Workbench

Zusammenfassung

Mit dem MoldSim-Modul für ANSYS wird die Prozesskette zwischen Spritzguss und strukturmechanischer Simulation geschlossen. Die Nutzung der damit verbundenen Methodik in der täglichen Praxis unterstützt den Konstrukteur bei der Auslegung von spritzgegossenen Kunststoffteilen. Nicht zu simulieren bedeutet in diesem Zusammenhang die Vernachlässigung einer sehr wichtigen Erkenntnisquelle, mit der die Bewertung bzw. Vorauslegung von Bauteilen und damit deren Optimierung erleichtert wird.
Weitere Infos: www.cadfem.de

Autor: Dipl.-Ing. Martin Kracht, CADFEM GmbH

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