So werden Spritzgießbauteile mit Medienkontakt simuliert

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Anwendungsnahe Methoden zur Simulation von Spritzgießbauteilen, die mit Medien wie Benzin in Kontakt kommen, werden derzeit am Fraunhofer LBF entwickelt.

An den Simulationsmethoden für Spritzgießbauteile mit oder ohne Faserverstärkung arbeiten die Forscher aus Darmstadt, weil bei der Bauteilsauslegung nicht nur die Faserorientierung eine wichtige Rolle spielt, sondern auch das Materialverhalten. Letzteres ergibt sich aus dem Kontakt mit Medien wie Benzin, Diesel oder Adblue beziehungsweise aus überlagerten Lastfällen. Bislang gibt es hierfür keine etablierten Methoden. Zudem ist es nicht unmittelbar ersichtlich, welche Aspekte in der Auslegung berücksichtigt werden müssen, um Bauteile korrekt auszulegen.

Das Fraunhofer LBF koppelt für die Auslegung von Spritzgießbauteilen Prozess- und Struktursimulation. Foto: Fraunhofer LBF

Ziel des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ist es, bestehende Strukturen und verfügbare Tools zu nutzen und die Methoden bestmöglich in Firmenstrukturen einzugliedern. Das Institut begleitet seine Partner von der Simulation und Materialmodellierung bis hin zur mechanischen Prüfung und Bewertung der Ergebnisse. Das Ergebnis sind simulationsgestützte Verfahren, die sehr individuelle Belastungsszenarien berücksichtigen und somit eine ressourceneffiziente, leichtbauende Bauteilauslegung erlauben.

Simulation von – durch Medienkontakt – geändertem Materialverhalten

Medienkontakte, die das mechanische Verhalten beispielsweise durch Quellung oder Materialdegradation verändern, können in einer mechanischen Simulation nicht unmittelbar als Randbedingung definiert werden. Daher kann das veränderte Materialverhalten nicht direkt in der Struktursimulation abgebildet werden. Aus diesem Grund kommen häufig sogenannte Abminderungsfaktoren zum Einsatz, welche in der Anwendung häufig aus Literaturquellen von vergleichbaren Materialen entnommen werden. Hierbei wird zum Beispiel eine zulässige Spannung oder Dehnung angepasst und das Bauteil entsprechend ausgelegt. Dies kann für eine Vorauslegung ein schneller Ansatz sein, um beispielsweise die grundliegende Eignung eines Materials abschätzen zu können. Für eine belastungsgerechte und ressourceneffiziente Bauteilauslegung gilt es jedoch, solche signifikanten Einflussgrößen auch experimentell zu untersuchen und die Auswirkungen korrekt, unter Verwendung praktikabler Methoden, in der Simulation zu erfassen.

Schnellere Produktentwicklung von Spritzgießbauteilen

Die Entwicklung der Simulationsmethoden am Fraunhofer LBF passt sich stets dem jeweiligen Stadium der Auslegung an. Während im Vorauslegungsstadium eine vereinfachte Strategie für erste Evaluationen herangezogen werden kann, können später, wenn mehr Informationen zum Bauteil und Material vorliegen, detailliertere Simulationen betrachtet werden, um das Bauteil belastungskonform und ressourceneffizient auszulegen. Das Resultat: weniger kostenintensive Entwicklungsschleifen, beispielsweise für Komponenten der Fahrzeugindustrie oder Luftfahrt.

Dass Kunststoffe ein sehr vielschichtiges, von diversen Einflussparametern abhängiges Materialverhalten zeigen, ist beispielsweise bei der Nutzung von Verstärkungsfasern in technischen Bauteilen zu erkennen. Dort verbessern sie zwar das mechanische Verhalten signifikant, führen jedoch gleichzeitig zu einem komplexen richtungsabhängigen Material- und Bauteilverhalten. Darüber hinaus beeinflussen auch Umgebungseinflüsse wie Temperatur und Luftfeuchte, aber auch Kontakte mit unterschiedlichen Medien das Material- und Bauteilverhalten signifikant. Häufig überlagern sich diese Belastungen, wenn zum Beispiel Medien unter hohe Temperatur und Druck geraten, was die Bauteilauslegung zusätzlich kompliziert.

Belastung: Nicht nur Kräfte und Drücke zählen

Während der Auslegungsphase von technischen Bauteilen stehen im ersten Schritt die wirkenden mechanischen Lasten im Vordergrund. Für ein isotropes Materialverhalten können diese unmittelbar in Simulationsanwendungen definiert und berücksichtigt werden. Handelt es sich um ein faserverstärktes Material, so muss zur Berücksichtigung des anisotropen Materialverhaltens die Faserorientierung aus einer gekoppelten Spritzgießsimulation oder über phänomenologische Ansätze in die mechanische Simulation eingebunden werden. Entsprechende Tools erlauben in der Regel auch die Übertragung von Ergebnissen aus einer Schwindungs- und Verzugssimulation, um die deformierte Struktur und gegebenenfalls bereits hierdurch entstandene Spannungen zu berücksichtigen.

sk

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