Optimierung des Spritzgießprozesses. mit 3D-Simulation. Dr.-Ing. Lothar Kallien Sigma Engineering GmbH, Aachen

Transkript

1 Optimierung des Spritzgießprozesses von Duromeren mit 3D-Simulation Dr.-Ing. Lothar Kallien Sigma Engineering GmbH, Aachen

2 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 1

3 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-Arrhenius- Ansatz angewandt, der die Viskosität als Funktion der Scherrate, der Temperatur und des lokalen Vernetzungsgrades 2

4 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 und Bild 4-6: Temperaturverteilung bei 85% Formfüllung. Wenn α α gel wird T b : Referenz Temperatur [K] B: Arrhenius-Konstante [Pas] τ*: Material-Konstante [Pa] n: Cross-Exponent α gel : Vernetzungsgrad C 1, C 2 : 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. 3

5 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 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 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 Der Einfluss der Formfüllung ist deutlich zu erkennen, da vom Anguss entfernte Bereiche durch die höhere Temperatur stärker vernetzt sind. 4

6 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 Bereiche, die weniger als 70% vernetzt sind, können durch eine Röntgenaufnahme sichtbar gemacht werden, Bild 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: 5

7 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 SIGMA- SOFT 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 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. 6

8 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 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. 7

9 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 CAD- Daten 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; Bild 5-2: Einlegeteil aus Metall durch die dreidimensional gekoppelte Berechnung von Formteil, Einlegeteilen und Werkzeug werden thermische Effekte auf den Fließ- und Vernetzungsvorgang berücksichtigt; 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 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 8