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Virtual Prototyping von Kunststoffbauteilen

Bauteilsimulation einer Anwendung aus glasfaserverstärktem Technyl-Polyamid beim Domo Service Hub. Domos MMI-Software verknüpft die Simulation von Material, Mechanik und Spießgießen. Foto: Domo

[Sponsored Article] Zielgerichtet ein Bauteil aus glasfaserverstärktem Kunststoff entwickeln? Virtual Prototyping macht es möglich. Doch dazu braucht es die Materialhersteller.

Virtual Prototyping ist bei der Entwicklung von Strukturbauteilen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen heute von entscheidender Bedeutung. Hierbei wird ein virtuelles Modell eines Bauteils erstellt, das wie ein echtes physisches Modell visualisiert und validiert werden kann. Das Erstellen und Testen eines virtuellen Prototyps wird als Virtual Prototyping bezeichnet.

Vorteile des Virtual Prototyping

Die Vorteile des Virtual Prototyping liegen auf der Hand: Die Entwickler können schnell eine große Anzahl verschiedener Design- und Werkstoffalternativen untersuchen, ohne Zeit und Geld in die Herstellung physischer Prototypen investieren zu müssen. Die Möglichkeit, verschiedene Alternativen zu testen, verbessert die Entwurfsqualität und die Produktleistung. Die Entwicklungszeit insgesamt verkürzt sich.

Das Marktforschungsunternehmen Aberdeen Group hat einen Bericht veröffentlicht, aus dem hervorgeht, dass Unternehmen, die Virtual Prototyping für sehr komplexe Projekte nutzen, das fertige Produkt im Durchschnitt 158 Tage früher als andere auf den Markt bringen und im Schnitt 1,8 Mio. EUR sparen. Bei einfacheren Projekten liegt die Zeitersparnis bei 21 Tagen und die Kostenersparnis bei rund 20.000 EUR.

Virtual Prototyping schafft Vertrauen beim Materialwechsel

Immer noch sind fertige Produkte häufig das Ergebnis vieler Versuche mit teuren Prototypen. Das hindert den ein oder anderen Entwickler daran, bei bekannten Strukturbauteilen von Metall auf Kunststoff zu wechseln oder von Neukunststoff auf Rezyklat. Das Vertrauen ins Material fehlt, und man schreckt vor aufwändigen „Trial-and-Error“-Versuchen mit realen Prototypen zurück. Hier drängt sich Virtual Prototyping als Lösung geradezu auf.

Virtual Prototyping ist bei der Produktentwicklung ein wichtiges Tool sein, um konkurrenzfähig zu bleiben. Denn die Kunden – allen voran die Automobilbauer – verlangen heute kürzere Entwicklungszeiten und einen Beitrag zur Nachhaltigkeit auch seitens des Strukturbauteilen. Die Bauteile müssen leichter werden und energieeffizienter herstellbar sein. Daneben steht die Reduktion des CO2-Footprints des Werkstoffs selbst im Mittelpunkt. Faserverstärkte Kunststoffe als gewichtssparender Metallersatz oder Rezyklate können hier einen wesentlichen Beitrag leisten.

Doch bislang ist Virtual Prototyping vor allem ein Werkzeug großer Unternehmen. Nach wie vor scheuen viele kleine und mittlere Unternehmen, Zeit und Geld in den Umgang mit der Software zu investieren. Doch das sollte kein Argument gegen Virtual Prototypin sein, denn Verarbeiter bekommen auf Wunsch hierbei Unterstützung – auch seitens einiger Kunststoffhersteller.

Orientierung der Glasfasern im Spritzgießbauteil

Bei faserverstärkten Kunststoffen muss Virtual Prototyping auch den Prozess im Spritzgießwerkzeug mittels Spritzgusssimulation berücksichtigen.
Foto: Domo

Erfolgreiches Virtual Prototyping bei spritzgegossenen glasfaserverstärkten Kunststoffbauteilen ist ein komplexes Verfahren. Denn es greifen drei Prozesse ineinander: Die Parameter beim Spritzgießen, die Materialmodellierung des verwendeten Kunststoff-Compounds und die Struktursimulation des Bauteils.

Beim Spritzgießprozess stellt sich durch Fließrichtung der Schmelze im Werkzeug und durch rheologische Effekte eine lokal unterschiedliche Orientierung der Glasfasern ein. Dies führt sowohl zu lokalen Materialsteifigkeiten als auch zu grundsätzlich anisotropem Verhalten. Um die Steifigkeit und das Versagensverhalten von Kunststoffbauteilen jedoch vorhersagen zu können, muss dies berücksichtigt werden. Andernfalls können überraschend auftretende Fehler bei der Validierung am realen Prototypen Zeit und Geld kosten.

Präzises Virtual Prototyping berücksichtigt Glasfaserorientierung

Aus diesem Grund muss eine realistische Simulation auch den Herstellungsprozess im Spritzgießwerkzeug berücksichtigen. Dies geschieht durch eine Spritzgießsimulation, zum Beispiel mit Moldflow oder Moldex 3D. Mit dieser Simulation lassen sich die lokalen Glasfaserorientierungen ableiten und mittels Materialmodellen, die die Faserorientierung berücksichtigen, dann auf die Bauteilebene der CAE-Simulation übertragen. Als CAE-Simulation wird Ansys, Abaqus oder Nastran verwendet. Das Virtual Prototyping berücksichtigt so das Material und den Prozess der Herstellung!

Dieses Verfahren wird als integrative Struktursimulation bezeichnet oder hat je nach Anbieter eine spezielle Bezeichnung wie z.B. MMI-Simulation (Material, Mechanics, Injektion Moulding) vom Polyamid-Hersteller Domo. Ausgangspunkt beim Virtual Prototyping eines faserverstärkten Bauteils ist die Spritzgießsimulation, in der die Werkzeugfüllung unter Berücksichtigung aller Prozessparameter berechnet und die resultierenden Faserorientierungen herausgeschrieben werden. Für die nachfolgende mechanische Struktursimulation erfolgt eine Verknüpfung der Faserorientierungen mit richtungsabhängigen Materialeigenschaften.

Dabei ist es allerdings erforderlich, sowohl für die Spritzgieß- als auch der mechanischen Bauteil-Simulation qualitativ hochwertige Daten bereitzustellen. Fehlerhafte Daten führen hier unmittelbar zu einem virtuellen Prototyp, der in seinen Eigenschaften stark von der Realität abweichen kann.

Virtual Prototyping braucht Daten hoher Qualität

Die richtungsabhängigen Materialeigenschaften müssen in zahlreichen Messreihen von den Materialherstellern ermittelt werden. Die Daten werden in digitalen Materialkarten gespeichert. Für jeden Anwendungsfall müssen diese Daten auch verschiedenste Temperaturen und klimatische Bedingungen sowie auch verschiedenste Einsatzfälle des Bauteils abbilden, von hochdynamischen Crashbelastungen bis hin zu Langzeit-Kriechverhalten und zyklischen Lasten.

Große Kunststofferzeuger wie Domo stellen laufend neue Materialkarten für die Materialmodellierung zur Verfügung. Domo verwendet dabei die Digimat-Software der Firma Hexagon. Sie dient als Schnittstelle zur Bauteilsimulation. Digimat erlaubt es, die von Domo erstellten umfangreichen Materialkarten automatisch in die Struktursimulation zu implementieren und vollumfänglich zu nutzen.

Umfangreiche und präzise Daten für Polyamid-Compounds

Im Bereich der Polyamide sieht sich Domo hier als Vorreiter: „Wir haben in aufwändigen Messreihen umfangreiche und sehr präzise Daten ermittelt“, erklärt Wido Ziemer, Manager Simulation Customer Support bei Domo. So stellt Domo für die Materialmodellierung mit Digimat Materialkarten für zahlreiche Polyamid-Compounds zur Verfügung, etwa Materialkarten für PA66 und PA6 sowie PA-Rezyklat.

„Die Daten ermitteln wir in unserem hausinternen Labor für das Application Performance Testing. Laufend erweitern unsere Materialmodelle, um neuen Anforderungen gerecht zu werden. So beschreiben die jüngsten Modelle die Polyamide auch in Kühlmittelkontakt, was z.B. für die Berechnung von Bauteilen in der Batteriekühlung von Elektrofahrzeugen relevant ist“, erklärt  Wido Ziemer.

Konkretes Beispiel: Motorlager in Polyamid realisieren

Ein konkretes Beispiel verdeutlicht die Vorteile des Virtual Prototyping: Für ein Kundenprojekt sollte eine Motorhalterung aus kurzfaserverstärktem Polyamid konstruiert werden, die bislang aus Metall gefertigt wurde. Dazu wurden gekoppelte Analysen des Spritzgießteils mit der Materialmodellierung durch Digimat zur Untersuchung von Steifigkeit, Versagen, Crash und Ermüdung durchgeführt – unter Berücksichtigung der lokalen Faserorientierung.

Virtual Prototyping mittels integrativer Struktursimulation eröffnet neue Anwendungsfelder für glasfaserverstärktes Polyamid in der Metallsubstitution am Beispiel eines Motorträgers eines E-Fahrzeugs. Foto: Domo

Beginn der Simulationen war die exakte Definition der Randbedingungen. Dies bedeutete für die Spritzgießsimulation, Layouts der Heißkanäle und der Kühlung des Werkzeugs sowie die Prozessführung zu berücksichtigen, so dass die Werkzeugfüllung und die Glasfaserorientierungen korrekt berechnet werden. Um die Glasfaserorientierungen und das daraus resultierende Materialverhalten an die Software für die Struktursimulation zu übergeben, fand als Schnittstelle Digimat Verwendung. Diese erlaubt es, das vom Polyamid-Hersteller – in diesem Falle Domo – erzeugte Materialmodell automatisch zu implementieren.

So konnte das Bauteilverhalten bereits in der Designphase analysiert und optimiert werden. Im Falle des Motorlagers wurde folgendes Ergebnis erzielt: Ein Gesamtgewicht von 710 g, was 40 % des ursprünglichen Gewichts aus Metall ausmacht, eine Kostenreduzierung von 15 % sowie eine Verminderung der hochfrequenten Geräuschemission.

„Unser Kunde hat sich an uns gewandt um mittels integrativer Simulation mit unseren Materialkarten die Validierungskosten zu senken, die Bauteilentwicklung zu beschleunigen und das Bauteil selbst zu optimieren“, erzählt Ziemer.

Materialkarten werden laufend erweitert

Domo stellt laufend neue Materialkarten für die Digimat-Software zu Verfügung. Für jede gängige Werkstoff-Charakteristik steht eine Beschreibung zur Verfügung, egal ob es sich um elasto-plastisches Materialverhalten, Dehnratenabhängigkeit oder auch thermomechanisches Verhalten handelt. Typische Effekte wie Bindenähte können ebenfalls beschrieben werden. Auch der Glasfaseranteil im Kunststoff lässt sich variieren und gezielt simulieren und so das ideale Material für Anwendung identifizieren.

Fazit: Der klassische Konstruktionsansatz von spritzgegossenen Bauteilen aus Kunststoff ließ bislang den Herstellungsprozess außer Acht. Digitale Materialmodelle schließen die Lücke zwischen Spritzgießen und Strukturmechanik und berücksichtigen die Faserorientierungen. Diese Materialmodelle bilden das wichtigste Bindeglied zwischen der Erfassung aller relevanter Materialeigenschaften und deren Nutzung in der Simulation.

Damit gibt es heute eine ein leistungsfähiges Werkzeug, um an virtuellen Prototypen verschiedene Funktionen und Eigenschaften faserverstärkter Spritzgießbauteile präzise zu berechnen und darzustellen, was die Anzahl realer Prototypen deutlich reduziert. So können zum Beispiel Polyamid-Bauteile entwickelt werden, die leichter, leistungsfähiger und kosteneffizienter sind und dies bei kürzeren Entwicklungszeiten.

Virtual Prototyping als Service

Für kleine und mittelständische Kunststoffverarbeiter, die eine Investition in eine mehrere 10.000 EUR teure Software wie Digimat scheuen, bieten die großen Hersteller faserverstärkter Kunststoffe Virtual Prototyping als Service an. So stellt Domo nicht nur Materialkarten für Digimat zur Verfügung. Entwickler können über den Domo Service Hub Simulationen seitens Domo durchführen lassen und damit faserverstärkte Polyamid-Bauteile schneller in die Serie bringen.


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