Spritzguss und Mechaniksimulation vereint

In unserem Beispiel erklären wir den Prozess und die Vorteile von kombinierter Strukturmechanik- und Spritzgusssimulation
In diesem Teilprozess wird der erste Schritt einer integrativen kombinierten Strukturmechanik und Spritzgusssimulation für einen Kunststoffrotor beschrieben. Der Propeller wird dabei aus Polybutylenterephthalat (PBT) mit einem Zusatz von 30% Kurzglasfaser hergestellt, um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern. Ein entscheidender Aspekt dieses Prozesses ist die Moldflow-Simulation des Füllverhaltens, die darauf abzielt, das Einspritzverhalten des Kunststoffmaterials während des Spritzgussvorgangs zu analysieren.
Die Hauptzielsetzung der Simulation liegt in der präzisen Berechnung des Faserorientierungstensors. Dieser Tensor gibt Aufschluss über die Ausrichtung der Glasfasern im spritzgegossenen Rotor und ist von zentraler Bedeutung für die Vorhersage der mechanischen Eigenschaften des Endprodukts. Durch die detaillierte Analyse des Füllverhaltens können optimale Bedingungen für den Spritzgussprozess ermittelt werden, um eine optimierte Ausrichtung der Glasfasern und so die maximale mechanische Eigenschaft des Materials im Kunststoffrotor zu erreichen. Diese integrative Herangehensweise ermöglicht eine präzise Konstruktion und Qualitätskontrolle des Rotors, wodurch die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit des Endprodukts maßgeblich optimiert werden können.

Vorbereitung der Strukturmechaniksimulationen:

Im Anschluss an die Moldflow-Simulation des Füllverhaltens erfolgt die Vorbereitung für die zwei folgenden Simulationen – zunächst die linear elastische und anschließend die integrative Simulation. Für die elastische Simulation sind die wichtigsten Materialparameter bereits vorhanden. Das Elastizitätsmodul von 9323 MPa sowie die Querkontraktionszahl von 0,2 werden gemäß den Angaben im Datenblatt berücksichtigt. Ebenfalls relevant ist die Bruchdehnung von 3%, die im weiteren Verlauf der Simulation als kritischer Parameter für das Materialverhalten dienen wird.
Für die integrative Simulation werden die Informationen der zuvor berechneten Faserorientierung herangezogen. Ein elastisch-plastisches Materialmodell wird implementiert, das die Faserorientierung berücksichtigt. Die Versagenshypothese nach Tsai Hill wird dabei als Grundlage für die Bewertung des Versagensverhaltens des Materials integriert.

Auswertungen der Strukturmechaniksimulationsergebnisse:

Linear elastische Simulation:
In der linear elastischen Analyse wird das Ergebnis auf die Bruchdehnung skaliert. Rote Bereiche, die die Bruchdehnung überschreiten, gelten als kritisch. Die Auswertung zeigt, dass bei maximaler Drehzahl (10000 rps) die Bruchdehnung nur in wenigen Elementen im Radius überschritten wird. Der größte Teil der Wandstärke bleibt unterhalb der kritischen Bruchdehnung, was auf eine generell gute strukturelle Integrität hinweist.
Integrative Simulation:
Die Auswertung der integrativen Simulation erfolgt anhand des Versagensindikators, der durch die Tsai Hill Versagenshypothese definiert ist. Ein Wert von 1 gilt als kritisch für das Versagen des Materials. Bei einer Last von 60% der maximalen Drehzahl (6000 rpm) zeigt sich, dass in mehr als zwei Dritteln der Wandstärke ein Versagen, also eine Überschreitung der Festigkeit, auftritt. Im Vergleich dazu zeigt der lineare elastische Ansatz bei derselben Drehzahl kein Versagen an. Diese Diskrepanz unterstreicht die Bedeutung der integrativen Simulation, die detailliertere Einblicke in das Materialverhalten unter realistischeren Bedingungen ermöglicht.

Fazit zum Beispielbauteil:

Die durchgeführten Simulationen des Kunststoffrotors, insbesondere die lineare elastische und die integrative Simulation, haben wertvolle Einblicke in das Verhalten des Materials unter verschiedenen Belastungsbedingungen ermöglicht. Die lineare elastische Simulation, die auf klassischen Materialmodellen basiert, zeigt eine insgesamt zufriedenstellende strukturelle Integrität bei maximaler Drehzahl, wobei nur vereinzelte Elemente die Bruchdehnung überschreiten.
Im Kontrast dazu verdeutlicht die integrative Simulation die Relevanz einer detaillierten Berücksichtigung der Faserorientierung und eines elastisch-plastischen Materialverhaltens. Die Tsai Hill Versagenshypothese identifiziert kritische Versagensbereiche, insbesondere bei 60% der maximalen Drehzahl, wo mehr als zwei Drittel der Wandstärke von Festigkeitsüberschreitungen betroffen sind.
Hinzufügend ist zu erwähnen, dass bei der linear elastischen Rechnung der E-Modul aus dem Datenblatt verwendet wurde und dieser nach Norm DIN527 ermittelt wird. Diese beschreibt einen spritzgegossenen Zugstab, bei welchem zu bedenken ist, dass aufgrund der hohen Orientierung die Materialeigenschaften überschätzt werden und die Versagensgrenzen aufgrund der Nichtlinearität des Kunststoffs nicht herangzogen werden sollten.
Außerdem lässt sich hervorheben, dass das Material nicht nur elastisch plastisch ist sondern in Abhängigkeit der Faserorientierung für jeden möglichen Orientierungsgrad eine mechanische Antwort liefert.

Warum die integrative Simulation wichtig ist:

Die integrative Simulation erweist sich als essenziell, da sie realistischere Bedingungen abbildet und die tatsächlichen Materialverhaltensweisen präziser reflektiert. Die Berücksichtigung der Faserorientierung und die Anwendung eines elastisch-plastischen Materialmodells ermöglichen eine genauere Vorhersage von Versagensbereichen, die mit klassischen linearen elastischen Modellen möglicherweise übersehen werden.
Insbesondere in der Entwicklung von Kunststoffkomponenten, wie dem untersuchten Rotor, ist die genaue Kenntnis über Versagensmechanismen von entscheidender Bedeutung. Die integrative Simulation trägt dazu bei, potenzielle Schwachstellen frühzeitig zu identifizieren und optimale Material- sowie Fertigungsparameter festzulegen. Dies ist nicht nur für die Sicherheit und Leistungsfähigkeit des Endprodukts von Relevanz, sondern trägt auch erheblich zur Reduzierung von Entwicklungszeiten und -kosten bei. Insgesamt unterstreicht die integrative Simulation ihre Bedeutung als unverzichtbares Werkzeug in der präzisen Materialcharakterisierung und Produktentwicklung.

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