Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulation und Verifikation hochaufgeschäumter spritzgegossener Integralschaumstrukturen

Forschungsziel:

Bei der neuen Schaumspritzgießvariante „pull and foam“ bilden sich die resultierenden Schaumstrukturen geometrie- und prozessbedingt, lokal unterschiedlich aus. Aufgrund komplexer Zusammenhänge und daraus folgender lokal unterschiedlicher Material-eigenschaften sind konventionelle Methoden zur Auslegung von Werkzeugen und Bauteilen nicht anwendbar. Neue Simulationsmethoden sollen gekoppelt werden, um Werkzeug und Bauteile auszulegen und berechenbar zu machen.

Lösungsweg:

Neue Softwaretools sollen eingesetzt werden, um die füllbedingten, lokal unterschiedlichen Schaumstrukturen realitätsnah simulieren zu können und diese Ergebnisse über eine gekoppelte Analyse direkt in strukturmechanische Simulationen zu übergeben. Entsprechende Realbaueile mit unterschiedlichen Strukturparametern sollen hergestellt, unter verschiedenen Lastfällen geprüft und die Ergebnisse mit den Simulationsergebnissen abgeglichen werden. Das im Vorgängerprojekt entwickelte Spritzgießwerkzeug erlaubt über eine präzise Variation der Prozessparameter die Herstellung dieser Bauteile.

Ergebnisse:

• Vorgehensweise zur Kopplung von Spritzguss- und FE-Simulation ausarbeiten

• Verifikation der Simulationen (Füllsimulation und FEM) des neuen Verfahrens mit den realen Schaumstrukturen und Kennwerten bei unterschiedlichen Lastfällen

• Auslegung von Werkzeugen ermöglichen

• mechanische Auslegung von Bauteilen ermöglichen

Nutzen für KMU:

Nur mit Hilfe von Simulation kann das im Vorgängerprojekt aufgezeigte Potential des Verfahrens für konkrete Anwendungen berechnet und vorhergesagt werden:

• Leichtbau: Vorhersage von Dichteverteilungen, Gewichtsersparnis und mechanischen Eigenschaften

• Designfreiheit: Vorhersage von Schaumstruktur nach Volumenexpansion, aufzeigen kritischer Bereiche und Bewertung der Realisierbarkeit

• Lokale Schaumstrukturen: Simulation ermöglicht Abschätzung in welchen Bauteilbereichen spätere Aufschäumung erfolgt und wie Schaumstruktur ausgebildet wird

Ergebniszusammenfassung:

Für die Füll- bzw. Prozesssimulation wurde gezeigt, wie die Simulation von lokal-aufschäumenden Spritzgussprozessen grundsätzlich umgesetzt wird. Zudem konnte dargestellt werden, dass eine relativ valide Simulation bestimmter Strukturgrößen, wie dem Zellendurchmesser oder der Bauteildichte realisiert werden kann.

Hinsichtlich der strukturmechanischen Simulation wurden die aktuellen Möglichkeiten und Herausforderungen dieser Berechnungen für die unterschiedlichen Lastfälle dargestellt Für die unterschiedlichen vier Lastfälle wurden folglich die Simulationsdaten mit den experimentellen mechanischen Kennwerten verifiziert. Des Weiteren wurde auch hier die technische Umsetzung detailliert mittels der Dokumentation erläutert, um die gekoppelte Simulation für potentielle Anwender zugänglicher zu machen und eine Übertragung auf weitere Material- und Softwaresysteme zu fördern.

Der Projektbericht zeigt die aktuellen Möglichkeiten und Herausforderungen der integrativen Simulation. Mechanische Kennwerte können für den Zug- und Biegeversuch hinsichtlich ihrer maximalen Spannungen sowie Dehnungen mittels der Simulation abschätzend prognostiziert werden. Da jedoch die mechanischen Kennwerte noch nicht präzise simuliert werden und sich zudem noch Limitierungen hinsichtlich der Simulation von Spannungs-Dehnungs-Kurven aufzeigen, wird die perspektivische Modellimplementierung von viskosen Effekten sowie der Einsatz von Schädigungsmechanismen empfohlen, die eine umfangreiche Erweiterung der Materialmodelle mit sich bringen.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen und Empfehlungen kann es weiteren Anwendern ermöglicht werden, die integrative Simulation für eigene Prozesse als hilfreiches Tool heranzuziehen. Zudem können potentiell weitere Forschungsvorhaben mit den Projekterkenntnissen geplant werden, um perspektivisch exaktere Simulationen bzw. Prognosen von mechanischen Daten entwickeln zu können.