Konstruktionsbegleitende Berechnung Serie: Teil 3 – Anwendungsbeispiel Fertigung von Kunststoff-Bauteilen

konstruktiopnspraxis-Serie für Konstrukteure, mit Fallbeispielen aus der Praxis der konstruktionsbegleitenden Berechnung – Teil 3: Anwendungsbeispiel Fertigung von Kunststoff-Teilen

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Die Finite-Elemente-Methode hat sich in vielen Bereichen der Produktentwicklung einen festen Platz erobert. Sie erlaubt es, das physikalische Verhalten von Produkten und Prozessen zu untersuchen, bevor reale Bauteile zur Verfügung stehen.

Auch bei der Fertigung von Kunststoff-Teilen hat sich die Simulation etabliert. Die Füllsimulation ist inzwischen ein Standard-Verfahren, das von vielen Konstrukteuren und Fertigungsunternehmen eingesetzt wird. Daneben bietet aber auch die FEM-Simulation interessante Einsatzgebiete, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Produkten und Werkzeugen zu untersuchen und zu verbessern.

Hinreichende Steifigkeit, aber teure Überdimensionierungen vermeiden

Im Formenbau spielt die Dimensionierung eine wichtige Rolle, um eine wirtschaftliche Fertigung zu realisieren. Ein wichtiges Kriterium dafür ist die Deformation der Form.

Ist sie zu groß, schließt die Form beim Einspritzen oder Nachdrücken nicht richtig, wodurch die Qualität der gefertigten Teile stark leidet. Die gängige Praxis, einfach „zur Sicherheit“ stärkere Platten zu verwenden, führt dazu, dass viele weitere Elemente ebenfallsgrößer gebaut und entsprechend große Maschinen eingesetzt werden müssen. Eine Zielsetzung zum Einsatz der FEM im Formenbau ist daher, eine hinreichende Steifigkeit zu realisieren, teure Überdimensionierungen jedoch zu vermeiden. Dadurch lassen sich der Aufgabenstellung angepasste (kleine) Maschinen einsetzen und Maschinenkosten reduzieren.

Darüber hinaus kann bei der Entwicklung von Spritzgießmaschinen das Gewicht minimiert werden, um Material aber vor allem Zykluszeit und Energie im Fertigungsprozess einzusparen.

FEM in der Konstruktion bei Husky Molding Injection System

So setzt beispielsweise Husky Molding Injection System in Luxemburg sowohl in der konstruktionsbegleitenden Berechnung als auch in der Berechnungsabteilung ANSYS Workbench ein, um Steifigkeit, Festigkeit und Gewicht ihrer Maschinen in Einklang zu bringen.

Den Fortschritt in der Simulationstechnik zeigt der Zeitbedarf für die Anwendung: Während 1990 für die Vernetzung und Berechnung einer Platte noch ein Zeitaufwand von mindestens einer Woche erforderlich war, untersuchen die Anwender bei Husky dank einer assoziativen CAD-Anbindung und der ANSYS Workbench-Umgebung vier komplette Varianten an einem Tag.

Solche Weiterentwicklungen haben nach Überzeugung der Husky-Ingenieure so manche Brancheninnovation erst möglich gemacht. Die Option, in kurzer Zeit viele Varianten durchzurechnen und so das Formschließverhalten der Platten nachhaltig zu verbessern ebnete beispielsweise den Weg zu der patentierten „Reflex-Platte“. Diese erlaubt, die über die externen Holme eingeführten Schließkräfte gleichmäßig zu verteilen und damit materialschonend auf die Form aufzubringen. Ein echter Mehrwert für die Kunden, denn als „Herz“ einer Spritzgießmaschine ist die Form manchmal teurer als die komplette Maschine.

Ein weiterer Schwerpunkt für den Einsatz der FEM im Formenbau ist die Kühlung. Kühlkanäle, die nahe an der Kavität platziert werden, können Festigkeitsprobleme verursachen. Die FEM-Simulation erlaubt es, solche Schwachstellen bereits während der Auslegung des Kühlsystems zu erkennen und alternative Konzepte zu bewerten.

Kunststoffteile mit FEM besser fertigen

Vielfach wird neben dem Fertigungsprozess auch das Bauteil selbst einer FEM-Analyse unterzogen, um Aussagen über das physikalische Verhalten zu gewinnen. So wurde beispielsweise für ein Spielzeugfahrzeug von LEGO eine Falltest-Analyse durchgeführt, um die rauen Einsatzbedingungen in ein adäquates Design mit einfließen zu lassen.

Für solche Aussagen können die Materialdaten dehnratenabhängig (d. h. geschwindigkeitsabhängig) oder temperaturabhängig definiert werden. Materialgesetze für das Kriechen erlauben es, plastische Dehnungen aufgrund lang andauernder Lasten zu berechnen. Spezialisierte Material-Software wie beispielsweise Digimat, ermöglicht die detaillierte Beschreibung von Komposit-Werkstoffen, um Form, Material und Menge von Füllstoffen zu untersuchen. Durch die Verknüpfung von Digimat mit ANSYS lässt sich so beispielsweise die Faserorientierung aus einer Füllsimulation für die anschließende Festigkeitsberechnung eines faserverstärkten Kunststoffteils verwenden.

Materialverhalten vereinfacht abzubilden - Werkstoff-Verhalten linearisieren

Für den Berechnungsspezialisten ergeben sich sehr vielfältige Möglichkeiten, das komplexe Verhalten des Werkstoffes Kunststoff in der FEM-Simulation zu beschreiben. Für die Berechnung in der Konstruktion sind solche Ansätze jedoch zu detailliert, zumal die Beschaffung der geeigneten Materialparameter oft nicht ganz unproblematisch ist. Hier empfiehlt es sich, das Materialverhalten vereinfacht abzubilden, d. h. das Werkstoff-Verhalten zu linearisieren.

Dieser vereinfachte Ansatz erlaubt es, komplexe Bauteile, wie Sie gerade bei Kunststoffteilen oft vorkommen, auch in einer konstruktionsbegleitenden Analyse z. B. mit ANSYS DesignSpace zu berechnen, Schwachstellen zu identifizieren und verschiedene Designs miteinander zu vergleichen.

Markus Finger, Grünbeck Wasseraufbereitung GmbH: „Für uns ist der größte Vorteil von DesignSpace, dass in kürzester Zeit Varianten überprüft werden können um herauszufinden, welche die Beste ist. Obwohl wir DesignSpace hauptsächlich zur Berechnung von Kunststoffbauteilen mit Glasfaserfüllung (nichtlineares Materialverhalten) einsetzen, haben wir hier gute Möglichkeiten gefunden, Vorhersagen zu treffen, ob die Bauteile halten oder nicht.“

Geometrisch komplexe Strukturen durch FEM-Simulation sehr viel besser beurteilen

Die Berechnung von Kunststoff-Bauteilen sowie der Formen und Maschinen ist heute eine Standard-Anwendung für die Finite-Elemente-Methode. Unterschiedliche Detailgrade in der Materialbeschreibung können sowohl die Ansprüche des Berechnungsingenieurs hinsichtlich maximaler Detailtreue als auch des Konstrukteurs hinsichtlich guter Handhabung erfüllen. Geometrisch komplexe Strukturen lassen sich durch eine FEM-Simulation sehr viel besser beurteilen als „aus dem Bauch heraus“ oder mit traditionellen Berechnungsmethoden, so dass sich der Vorteil der Formvielfalt dieses leistungsfähigen Werkstoffes maximal ausreizen lässt.

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