Simulieren in3D

Werkzeugauslegung mit 3D-Volumenelementen erleichtert das Optimieren von Spritzgießprozessen. Bei der Entwicklung von Spritzgießteilen werden Simulationsprogramme eingesetzt, die - gestützt auf...

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Werkzeugauslegung mit 3D-Volumenelementen erleichtert das Optimieren von Spritzgießprozessen Bei der Entwicklung von Spritzgießteilen werden Simulationsprogramme eingesetzt, die - gestützt auf empirische Werte und mathematische Modelle - das Füllen des Werkzeugs, die Nachdruck- und Abkühlphase bis hin zur Entformung sowie den Verzug des Bauteils berechnen können [1 und 2]. Die bislang eingesetzten Programme zur Simulation von Spritzgießprozessen arbeiten mit Geometrie-Informationen, die näherungsweise die Ober-, Unter- oder Mittelfläche der realen Geometrie beschreiben. Dieses Berechnungsverfahren wird allgemein als 21/2-dimensionales Schalenmodell bezeichnet. Die nur näherungsweise Beschreibung der Bauteilgeometrie durch eine Schalenmittelfläche kann nachteiligen Einfluss auf das Ergebnis haben. Dies trifft besonders für die Berechnung von Bauteilen mit ungleichmäßigen Wanddicken zu [3 bis 6]. Darüber hinaus können dreidimensionale Strömungseffekte, wie eine Freistrahlbildung, nicht aufgelöst werden, weil die Programme grundsätzlich eine parallele Schichtenströmung voraussetzen. Bei der Entwicklung der Simulationssoftware Sigmasoft der Sigma Engineering GmbH, Aachen, hat man sich deshalb für das Arbeiten in 3D entschieden. Zum Berechnen der Strömungsvorgänge werden die allgemeinen Navier-Stokes'-Gleichungen herangezogen [7]. Dieser mathematische Ansatz enthält einen Trägheitsterm, wodurch kinetische Effekte dreidimensional berücksichtigt werden.Heute liegen im Allgemeinen volumenorientierte CAD-Daten vom Produkt vor, das berechnet werden muss. Typischerweise berücksichtigen konventionelle Programme das Werkzeug nicht als eigenständige physikalische Materialgruppe, sondern setzen zur Berechnung einfache Randbedingungen ein. In der Realität ist die Werkzeugtemperatur jedoch lokal unterschiedlich und ändert sich während des Zyklus. Im Simulationsprogramm Sigmasoft wird dagegen das Werkzeug dreidimensional vernetzt. Die Bilder 1a und 1b zeigen den Aufbau eines Werkzeugs in Einzelteilen inklusive Kühlung. Es können mehrere Zyklen simuliert werden, um den Temperaturhaushalt des Werkzeugs im quasistationären Zustand zu ermitteln (Bild 1c). Auf diese Weise werden Eckeneffekte physikalisch berechnet und die lokale Auswirkung auf das Formteil, beispielsweise auf den Verzug, korrekt berücksichtigt.Reduzierte Eigenspannung infolge genauer SimulationSo genannte PSGA-Bauteile (Polymer Stud Grid Array) für die Chipherstellung in der Elektronikindustrie haben eine Wanddicke von wenigen Zehntel Millimetern und werden in einem Hilfsrahmen - dem sogenannten Lead Frame - spritzgegossen. Bild 2a zeigt das berechnete Bauteil. Um eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Werkzeug als Ursache für den Verzug auszuschließen, wurde das gesamte Werkzeug einschließlich aller Kühlkanäle in 3D detailliert nachgebildet (Bild 2b). Die thermische Simulation mehrerer Produktionszyklen bis in den quasi-stationären Zustand ergab jedoch keine wesentlichen Temperaturunterschiede in den Werkzeugseiten. Daraufhin wurde die Abkühlung des Bauteils bis auf Raumtemperatur simuliert und der daraus resultierende thermisch induzierte Bauteilverzug berechnet, der in Bild 2c übertrieben stark dargestellt ist. Es stellte sich heraus, dass die unterschiedlichen Wanddicken des Bauteils zu einer vorzeitigen Abkühlung des Randes führen. Dadurch können Eigenspannungen reduziert werden, die zum Verzug des Bauteils führen (Bild 2d). Durch die Modifikation der Geometrie des Spritzgießteils hin zu gleichmäßigeren Wanddicken lässt sich der Spannungsaufbau und der Verzug des Bauteils in hohem Maße minimieren.Bei Spritzgießteilen mit großen Wanddicken ist die Berechnung im Schalenmodell nicht ausreichend. Es muss das 3D-Volumenmodell eingesetzt werden. Die Bilder 3a und 3b zeigen einen dickwandigen Flansch aus Polyethylen mit einer Wanddicke von 12 mm, bei dem es aufgrund der Geometrie und des Kanteneffekts zum Verzug kommt. Aus dem Temperaturprofil beim Abkühlen wird eine deutliche Verschiebung des heißen Bereichs hin zur Innenkante ersichtlich. Dieser Bereich erstarrt später und zieht damit die Seiten des Flanschs nach oben. Selbst durch eine optimierte Werkzeugtemperierung ist dieser Effekt kaum auszugleichen. Der Grund dafür liegt darin, dass, der thermische Verzug während der Abkühlung auf Raumtemperatur außerhalb des Werkzeugs stattfindet.Vorteilhaftes Arbeiten trotz EinschränkungenObwohl hinsichtlich Geometrie und Rechenzeiten noch Einschränkungen vorliegen, werden anhand der Ergebnisse aus der 3D-Simulation mit Volumenelementen heute schon die Vorteile des Arbeitens mit volumenorientierten Simulationssystemen deutlich:- Einlegeteile sind Bestandteil des Modells. Der Einfluss der Temperatur und der kunststoffspezifischen Eigenschaften wird berücksichtigt.- Die Kosten für die Modellaufbereitung entfallen, weil CAD-Daten direkt übernommen und automatisch vernetzt werden.- Strömungsphänomene wie Freistrahleffekte und Totwassergebiete in dickwandigen Formteilbereichen oder an Stellen mit Wanddickenunterschieden werden physikalisch exakt beschrieben.- Der Luftdruck während der Formfüllung wird unter Berücksichtigung der vorgegebenen Entlüftungsbedingungen im Werkzeug berechnet.- Aufgrund der dreidimensional gekoppelten Berechnung von Formteil und Werkzeug werden thermische Effekte auf den Fließ- und Abkühlvorgang berücksichtigt.- Durch Berechnung des Werkzeugs kann die Zykluszeit exakt vorausgesagt werden.- Die Faserorientierung wird in 3D berechnet. Man kann sie zur Bauteilauslegung nutzen.- Die Berechnung des Verzugs in 3D ist auch bei faserverstärkten Teilen möglich.Literatur[1] Bogensperger, H.: Durchblick - Erfahrungen mit Spritzgieß-Simulationen. Kunststoffe 1995/1, S. 44 ff.[2] Filz, P. F.: Simulieren statt Probieren. Kunststoffe 1998/7, S. 954-957.[3] Michaeli, W.: 2,5D und 3D im Vergleich - Spritzgießsimulation auf dem Prüfstand. Kunststoffe 1997/5, S. 462-466.[4] Michaeli, W., und J. Zachert: Simulation and Analysis of Three-Dimensional Polymer Flow in Injection Molding. Confernce SPE-ANTEC, Toronto/Kanada 1997.[5] Altmann, O., und H. J. Wirth: 3D-CAE-Rheologie über 3D-CAD-Volumenmodelle. Kunststoffe 1997/11, S. 1670-1678.[6] van der Lelij, A. J.: 3D ist genauer als 2D. Kunststoffe 1997/1, S. 51-54.[7] Lipinski D. M., und E. Flender: Numerical simulation of fluid flow and heat transfer phenomena for semi-solid processing of complex castings. 5th International Conference, Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Golden/Colorado (USA) 1998.[8] Hohl, G., und L. H. Kallien: Simulation beim Spritzgießen von EPDM. Kunststoffe 2000/11, S. 106-111.[9] Kallien, L.H.: Simulation des Gieß-, Vernetzungs- und Spannungsverhaltens von Duromeren im 3D-Volumenmodell. AKV-TV-Tagung 2002 in Baden- Baden.