gießprozesses von Duromeren mit 3D-Simulation

Dr.-Ing. Lothar Kallien. Sigma Engineering GmbH, Aachen.
Optimierung des Spritzgießprozesses von Duromeren mit 3D-Simulation
Optimierung des Spritzgießprozesses von Duromeren
mit 3D-Simulation
Dr.-Ing. Lothar Kallien
Sigma Engineering GmbH, Aachen
Dr.-Ing. Lothar Kallien. Sigma Engineering GmbH, Aachen.
Optimierung des Spritzgießprozesses von Duromeren mit 3D-Simulation
Optimierung des Spritzgießprozesses von Duromeren
mit 3D-Simulation
nicht aufgelöst werden, da die Programme grundsätzlich eine
parallele Schichtenströmung voraussetzen. Bild 2-1 zeigt schematisch Bereiche in einem Kunststoffteil, wo 3-dimensionale
Strömungseffekte auftauchen /4/.
1. Einleitung
Durch den Einsatz innovativer CAE Technologien können die
Zeiten für die Prozess- und Produktentwicklung drastisch verkürzt werden. Seit kurzer Zeit steht ein neues Simulationswerkzeug für die Optimierung von Bauteilen aus Duromeren
zur Verfügung, mit dem Formfüllung, Vernetzung und Eigenspannungsaufbau dreidimensional am Bildschirm berechnet
werden können.
Das vorgestellte Programm arbeitet im Gegensatz zu konventionellen Programmen aus der Kunststoffspritzgießtechnik auf
der Basis von Volumenelementen. Dadurch werden die oftmals
dreidimensionalen Geometrien von Duromerbauteilen physikalisch korrekt abgebildet.
Der Strömungsalgorithmus für die Füllsimulation basiert auf
den Navier-Stokes Gleichungen, das heißt kinetische Effekte
wie eine Freistrahlbildung werden vorhergesagt. Somit können
Lufteinschlüsse, die durch eine turbulente Formfüllung hervorgerufen werden, im Vorfeld der Werkzeugkonstruktion erkannt
und optimiert werden.
In dem neuen 3D-Programm wird das Werkzeug dreidimensional vernetzt und die lokale Temperaturverteilung berechnet. So
werden inhomogene Temperaturbereiche wie Eckeneffekte und
deren Einfluß auf das lokale Vernetzungsverhalten berücksichtigt. Es können mehrere Zyklen simuliert werden, um die Temperaturverteilung des Werkzeuges während des Produktionsanlaufes bis zum quasi stationären Zustand zu ermitteln.
Nach dem Ausformen können thermisch induzierte Eigenspannungen insbesondere speziell bei der Kontraktionsbehinderung durch metallische Einlegeeteile zur Rissbildung
führen. Dieser Eigenspannungsaufbau kann berechnet und somit die Rissbildung vorhergesagt werden.
2. 2D- und 3D-Simulation
Bei der Entwicklung von Spritzgießteilen werden Simulationsprogramme eingesetzt, die, gestützt auf empirischen Werten
und mathematischen Modellen, das Füllen des Werkzeuges,
die Nachdruck- und Abkühlphase bis hin zur Entformung sowie
den Verzug des Bauteiles berechnen können /1,2/. Die bislang
eingesetzten Programme zur Simulation von Spritzgießprozessen arbeiten mit Geometrieinformationen, die näherungsweise die Ober-, Unter- oder Mittelfläche der realen
Geometrie beschreiben. Dieses Berechnungsverfahren wird
allgemein als 2-dimensionales Schalenmodell bezeichnet. Die
nur näherungsweise Beschreibung der Bauteilgeometrie durch
eine Mittelfläche kann nachteiligen Einfluß auf die Ergebnisqualität haben. Dies trifft insbesondere für die Berechnung von
Bauteilen mit ungleichmäßigen Wanddicken zu /3,4,5,6/.
Darüber hinaus können 3-dimensionale Strömungseffekte
Bild 2-1: Gebiete dreidimensionaler Schmelzeströmung beim
Spritzgießen /5/
3. CAD-Durchgängigkeit und Vernetzung in 3D inklusive
Werkzeug und Einlegeteilen
Heute liegen in den allermeisten Fällen volumenorientierte
CAD-Daten vom zu berechnenden Produkt vor. Diese können
als STL-Dateien in SIGMASOFT® eingelesen werden. Ebenso
können alle Arten von FEM Volumennetzen an SIGMASOFT®
übergeben werden. Mit einem eigenen Solid Modeller kann die
Geometrie des Formteiles um die Anspritzpunkte oder die
Werkzeuggeometrie erweitert werden. Die Diskretisierung in
ein 3-dimensionales Volumennetz erfolgt vollautomatisch.
Dieser Vorgang dauert je nach Komplexität der zu vernetzenden Geometrie nur wenige Sekunden bis maximal 2-3 Minuten.
In jedem Fall wird das komplette Werkzeug inklusive aller Kühlbzw. Heizkanäle vernetzt.
4. Simulation eines Duromerbauteiles
In Zusammenarbeit mit der Firma Vyncolit wurde ein Wasserablauf für ein französisches Fahrzeug simuliert, das bei der Firma LM Plast produziert wird. Das Teil wird in Fahrzeugen der
PSA Gruppe wie den Peugeot Modellen 106, 206, 306 und den
Citroen Modellen Saxo, Xsara und Berlingo, Bild 4-1, eingesetzt.
Bild 4-1: Citroen Berlingo
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Hierbei wurde ein Aluminiumdruckgussteil durch ein Duromerbauteil ersetzt. Einer der Beweggründe für die Substitution war
der entscheidende Gewichstvorteil: das Aluminiumbauteil
wiegt 614 g, das Kunststoffbauteil wiegt 344g. Bild 4-2 zeigt
im direkten Vergleich das Aluminiumbauteil (links) und das
neue Duromerbauteil (rechts).
Bild 4-4: Volumenmodell in SIGMASOFT®
Bild 4-2: Vergleich Aluminium- (links) und Duromerbauteil (rechts)
Die Geometrie der Konstruktion wurde dabei im wesentlichen
unverändert übernommen. Das Teil wird in einem Einfachwerkzeug hergestellt. Die Daten wurden aus einem CAD
System übernommen und einfach in den Preprozessor eingelesen, Bild 4-3.
Nach Eingabe der Geometrie müssen die Prozess- und
Materialdaten eingegeben werden. Dazu gehören Füllzeit, Volumenstrom oder der Fülldruck am Anguss, die Temperatur des
Duromermaterials beim Einströmen, der Grad der Vorvernetzung, die Werkzeugtemperatur und Angaben zu den
Wärmeübergangskoeffizienten zwischen den beteiligten
Materialgruppen.
Für das Duromer müssen die Dichte, Wärmeleitfähigkeit, die
Wärmekapazität als Funktion der Temperatur sowie die Vernetzungsenthalpie bekannt sein. Um die Vernetzung als
Funktion der Zeit berechnen zu können, müssen in das Programm Vernetzungskurven bei mindestens drei Temperaturen
eingegeben werden. Bild 4-5 zeigt exemplarisch eine Vernetzungskurve für 160°C. Die Approximation erfolgt vollautomatisch in SIGMASOFT® durch das Deng-Isayev-Modell.
Im Bild sind die Messwerte mit der approximierten Vernetzungskurve zum direkten Vergleich dargestellt.
Bild 4-3: Geometrieübergabe an die Simulation
Die Vernetzung erfolgt vollautomatisch in 3D-Volumenelemente. Bild 4-4 zeigt die vernetzte Geometrie inklusive des
Angusses.
Bild 4-5: Vernetzungskurve bei 160°C
In SIGMASOFT® wird die Vernetzungsreaktion auch während
der Formfüllung berechnet. Hierzu wird ein Cross-ArrheniusAnsatz angewandt, der die Viskosität als Funktion der
Scherrate, der Temperatur und des lokalen Vernetzungsgrades
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beschreibt. Übersteigt der Vernetzungsgrad in bestimmten
Bereichen einen kritischen Wert, steigt die Viskosität stark an
und ein Fließen ist nicht länger möglich. Die nachfolgenden
Formeln beschreiben diesen Zusammenhang.
Alpha gel ist der Vernetzungsgrad, bei dem kein Fließen mehr
möglich ist.
Für α ≤ α gel beschreibt der folgende Term
die Viskosität als Funktion des Vernetzungsgrades, der Temperatur und der Scherrate
mit
Bild 4-6: Temperaturverteilung bei 85% Formfüllung
und
.
Wenn α ≥ α gel wird
Tb:
Referenz Temperatur
[K]
B:
Arrhenius-Konstante
[Pas]
τ*:
Material-Konstante
[Pa]
n:
Cross-Exponent
α gel:
Vernetzungsgrad
C1, C2:
Konstanten
Die Prozessparameter für das Teil waren wie folgt:
• Füllzeit: 5 s
• Massetemperatur: 110 °C
• Vorvernetzungsgrad der Masse beim Einfüllen: 5 %
• Werkzeugtemperatur: 170 °C
Berechnet wurden die Formfüllung, die Vernetzungsreaktion,
die Abkühlung auf Raumtemperatur und die entstehenden
Eigenspannungen. Bild 4-6 zeigt die Temperaturverteilung bei
85 % Formfüllung. Die Masse kommt mit 110°C in das geheizte Werkzeug und die Temperatur steigt an. Die lokale Scherrate
ist am Anguss am höchsten, Bild 4-7.
Bild 4-7: Lokale Verteilung der Scherrate im Anguss
Die Strömungsphänomene können auch mit Tracer-Partikeln
visualisiert werden. Die Farben dieser masselosen Teilchen zeigen in Bild 4-8 das Eintrittsalter der Teilchen an, die Richtung
und Geschwindigkeit wird durch die Vektoren an den Teilchen
beschrieben. Bild 4-9 zeigt die Temperaturverteilung am Ende
der Formfüllung. Die kälteste Schmelze befindet sich am
Anguss.
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Bild 4-8: Tracer-Partikel visualisieren die Strömung
Bild 4-10: Lokale Füllzeit in Sekunden
Bild 4-9: Temperaturverteilung bei 100% Formfüllung
Bild 4-11: Druckverteilung am Ende der Füllung. Der Pfeil zeigt die Position
des Innendrucksensors im Werkzeug.
Der Ablauf der Formfüllung kann auch durch die lokale Füllzeit
beschrieben werden, Bild 4-10. Der zur Füllung notwendige
Druckbedarf ist in Bild 4-11 wiedergegeben. Der Wert am vorderen Flansch (Pfeil) konnte durch einen Innendrucksensor im
Werkzeug bestätigt werden. Dort wurden 230 bar gemessen.
Da die Masse mit 5% Vorvernetzung in die Kavität eingespritzt
wird, ist am Ende der Formfüllung der lokale Vernetzungsgrad
auf 11% angestiegen, Bild 4-12. Speziell im Bereich von
Rippen, in denen die Schmelze nicht weiter fließt, heizt sich die
Masse schnell auf und beginnt zu vernetzen (Pfeil). Nach 16
Sekunden ist der lokale Vernetzungsgrad auf 55% gestiegen,
Bild 4-13. Der Einfluss der Formfüllung ist deutlich zu erkennen, da vom Anguss entfernte Bereiche durch die höhere Temperatur stärker vernetzt sind.
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Bild 4-12: Lokaler Vernetzungsgrad am Ende der Formfüllung. Bereiche wie
Rippen, die nicht fortlaufend durchströmt werden, heizen auf und vernetzen
schneller.
Bild 4-14: Lokaler Vernetzungsgrad nach 40 Sekunden
Bild 4-13: Lokaler Vernetzungsgrad nach 16 Sekunden
Bild 4-15: Bereiche mit weniger als 70% Vernetzungsgrad im „Röntgenblick“
Nach 40 Sekunden sind global 71% der Masse vernetzt, Bild
4-14. Bereiche, die weniger als 70% vernetzt sind, können
durch eine „Röntgenaufnahme“ sichtbar gemacht werden, Bild
4-15.
Nach der Vernetzung im Werkzeug wird die Abkühlung auf
Raumtemperatur an Luft berechnet. Auf der Basis eines plastisch-elastischen Materialmodelles können die thermisch induzierten Eigenspannungen außerhalb des Werkzeuges berechnet werden, um Hinweise auf den Verzug zu erhalten. Die
Spannungsberechnung kann für isotrope Werkstoffe und auch
für anisotrope, faserverstärkte Duromere durchgeführt werden.
Bei der Spannungsberechnung wird davon ausgegangen, daß
das Material bei Formöffnung vollständig vernetzt ist.
Grundlage für die Berechnung sind folgende temperaturabhängige, thermo-mechanische Kennwerte:
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• E-Modul isotrop oder E-Modul längs und quer
zur Faserrichtung
• Thermischer Ausdehnungskoeffizient isotrop
oder längs und quer zur Faserrichtung
• Querkontraktionszahl
Bei dem Material handelt es sich um kurzglasfaserverstärktes
Material. Der E-Modul hängt dabei sehr stark von der
Faserorientierung ab. Die Faserorientierung kann mit SIGMASOFT® dreidimensional berechnet werden. Bild 4-16 zeigt die
Faserorientierung für einen Rippenfuß. Bild 4-17 zeigt die lokale Verteilung der von-Mises Eigenspannungen bei Raumtemperatur. Aufgrund der vorher genannten Einschränkung sind
die Werte als qualitativ zu betrachten. Bild 4-18 zeigt die
Hauptspannungen in y-Richtung. Aus diesen Werten können
die lokalen Verschiebungen berechnet werden.
Bild 4-18: Thermisch induzierte Hauptspannungen in y-Richtung
Bild 4-19 zeigt die Verschiebungen in y-Richtung auf. Die
Darstellung des Verzuges ist um den Faktor 50 übertrieben
dargestellt.
Bild 4-16: 3-dimensional berechnete Faserorientierung in einem
Rippenübergang. Die Vektoren geben die Richtung der Fasern an,
die Farben kennzeichnen den Ausrichtungsgrad im jeweiligen Element.
Bild 4-19: Verschiebungen in y-Richtung
Den direkten Vergleich der Füllsimulation zeigt Bild 4-22.
4. Übergabe der Ergebnisse an FE-Netze
Bild 4-17: Thermisch induzierte Eigenspannungen (von-Mises)
Die Ergebnisse der Vernetzungsreaktion als auch die Ergebnisse der Faserorientierung können mit einem neuen Interface
auch auf Finite-Element-Netze übergeben werden. Bild 4-20
zeigt für ein Testbauteil die 3-dimensional berechnete Faserorientierung in x-Richtung. Dieses Ergebnis kann nun auf
unterschiedlichste Finite-Element-Netze übertragen werden.
Bild 4-21 zeigt die Übertragung der Faserorientierung auf ein
Finite-Element-Netz zur weiteren Nutzung in ABAQUS.
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Bild 4-20: 3D Faserorientierung in SIGMASOFT®
Bild 4-22: Direkter Vergleich zwischen Simulation und experimentellem
Fülltest zeigt sehr gute Übereinstimmung selbst in Details (Pfeil).
Bild 4-21: 3D Faserorientierung auf Finite-Element-Netz zur weiteren
Bearbeitung in ABAQUS
Den direkten Vergleich der Füllsimulation mit den realen Füllstudien, die später angefertigt wurden, zeigt Bild 4-22. Die
Simulation im Bild oben zeigt sehr gut den Verlauf der Bindenaht im Bauteil auf.
5. Duromerteile mit Einlegeteilen
Die Spannungsberechnungen sind von besonderem Interesse,
wenn Einlegeteile eingegossen werden. Die Firma Holec
Holland NV in Hengelo stellt Komponenten für die Hochspannungstechnik aus Duromeren her, die im späteren Einsatz
mit bis zu 24 kV beaufschlagt werden. Bei diesen Teilen werden metallische Einlegeteile mit dem Duromer umgossen.
Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen Duromer und Metall kann es zu Spannungsrissen
kommen, die sich auf die Funktion des Teiles auswirken. Bei
Holec wird das SIGMASOFT® Simulationsprogramm zur Vorhersage der Füllung, Vernetzung und des Spannungsaufbaus
beim Abkühlen eingesetzt. So kann im Vorfeld der Teile- und
Werkzeugkonstruktion ein optimiertes Design für Teil und
Werkzeug entwickelt werden. Bild 5-1 zeigt das Duromerbauteil, Bild 5-2 zeigt das Einlegeteil. Bild 5-3 zeigt die Temperaturverteilung am Ende der Formfüllung. Auch bei diesem Teil
wird der Einfluss der Formfüllung auf die Temperaturverteilung
deutlich.
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6. Zusammenfassung
Mit dem neuen Simulationswerkzeug kann die Formfüllung, die
Vernetzung, die Abkühlung und der Eigenspannungsaufbau
bei der Herstellung von Duromerbauteilen durch Gießen oder
Spritzgießen 3-dimensional berechnet werden. Dadurch können das Teiledesign und das Werkzeug im Vorfeld der Produktion optimiert werden. SIGMASOFT® arbeitet auf der Basis von
3D-Volumenelementen. Zusammenfassend können die
Vorteile der neuen 3D-Simulation mit Volumenelementen für
die Simulation von Duromerbauteilen aufgezeigt werden:
• die Kosten für die Modellaufbereitung entfallen, da CADDaten genutzt und automatisch vernetzt werden können;
Bild 5-1: Hochspannungskomponente von Holec
• Strömungsphänomene wie Totwassergebiete in dickwandigen Formteilbereichen oder an Stellen mit Wanddickenunterschieden werden physikalisch exakt beschrieben;
• kinetische Effekte wie eine Freistrahlbildung werden vorhergesagt;
• die Vernetzungsreaktion wird unter Berücksichtigung der
Reaktionsenthalpie berechnet;
• die lokale Vernetzung hat Einfluss auf die Formfüllung;
• Berücksichtigung des Luftgegendruckes im Werkzeug ist
möglich;
• die Faserorientierung kann in 3D berechnet und zur
Spannungsanalyse verwandt werden;
• Berechnung des thermisch induzierten Eigenspannungsaufbaus beim Abkühlen;
• durch die dreidimensional gekoppelte Berechnung von
Formteil, Einlegeteilen und Werkzeug werden thermische Effekte auf den Fließ- und Vernetzungsvorgang berücksichtigt;
Bild 5-2: Einlegeteil aus Metall
• Heizsysteme werden in 3D berücksichtigt, der lokale Einfluss
auf die Werkzeugwandtemperatur wird berechnet;
• die Zykluszeit kann vorausgesagt werden.
Literatur
1. Bogensberger, H.: Kunststoffe 85 (1995) S.44ff
2. Filz, P.F.: Kunststoffe 88 (1998) S 954ff
3. Ohlsson, B.: 1. Internationale Duroplasttagung Iserlohn,
Märkische Fachhochschule Iserlohn
4. Thienel, P.: Internationale Werkzeugbautagung 1999,
Dr. Reinhold Hagen Stiftung, Bonn
5. Michaeli, W. Findeisen, H. Gossel, T. : Kunststoffe 87 (1997),
S. 462ff
6. Altmann, O. Wirth, H.J. Kunststoffe 87 (1997), S. 1670 ff
7. van der Lelij, A.J. Kunststoffe 87 (1997), S. 51 ff
Bild 5-3: Temperaturverteilung am Ende der Formfüllung zeigt den Einfluss
der Formfüllung
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