Spritzguss-Simulation Software erhöht Präzision bei Spritzguss-Simulation

Autor / Redakteur: Klaus Vollrath / Peter Königsreuther

Die möglichst exakte Voraussage zur Bauteilentstehung vermeidet Entwicklungsfehler im Vorfeld der Produktion und spart so Kosten. Ein französisches Unternehmen bietet Software an, die präzise, schnelle und flexibel zum Ergebnis führt als bisherige Systeme.

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Ein gelungenes Simulationsbeispiel für das Spritzgießen eines mit Glasfasern verstärkten Polymers, dass das Unternehmen Solvay mit der Transvalor-Technik berechnet hat.
Ein gelungenes Simulationsbeispiel für das Spritzgießen eines mit Glasfasern verstärkten Polymers, dass das Unternehmen Solvay mit der Transvalor-Technik berechnet hat.
(Bild: Solvay)

Bei Programmen zur Simulation in Sachen Herstellung von Spritzgussteilen und geschäumten Komponenten gibt es einen bisher noch wenig bekannten Anbieter, dessen hoch entwickelte Software bis vor kurzem nur einem kleinen Kreis großer industrieller Anwender zugänglich war – Transvalor. Mit der neuen Version 5.0 steht das Programm REM3D jetzt als voll ausgereiftes Produkt mit zahlreichen hoch interessanten Eigenschaften allen Interessenten zur Verfügung. Dahinter steht mit Transvalor ein renommierter französischer Spezialist für hochwertige Simulationsprogramme im Bereich der Materialumformung und des Gießens. Das Programm zeichnet sich durch die hohe Genauigkeit und Effizienz der Berechnungsverfahren und die Realitätsnähe der erzielten Ergebnisse aus.

Realitätsnahe Simulation von Umformprozessen aller Art

„Unsere Software für die Simulation von Spritzgieß-, respektive Schaumteileherstellungsprozessen hat sich bereits seit fast 20 Jahren im industriellen Einsatz bewährt“, betont Stéphane Andrietti, Direktor Marketing und Communication bei Transvalor. Keimzelle des Unternehmens war einst eine in Frankreich beheimatete Forschungsinitiative, die sich aus der Kooperation von großen französischen und internationalen Industriekonzernen mit wissenschaftlichen Einrichtungen wie dem renommierten französischen Zentrum für Materialumformung CEMEF, einem Forschungszentrum der École des Mines de Paris (Mines ParisTech), entwickelt hat.

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Transvalor konzentriert sich heute auf die Formgebung von Materialien und ihre numerische Analyse und unterhält weiterhin enge Verbindungen mit seinen wissenschaftlichen Paten. Im Laufe von mehr als 30 Jahren intensiver Beschäftigung mit der mathematischen Modellierung und Berechnung anspruchsvoller Ur- und Umformprozesse wurden leistungsfähige Programme für die realitätsnahe Simulation der hierfür eingesetzten Prozesse und Verfahren entwickelt. Dazu gehören außer der jetzt in der neuen Version 5.0 vorgestellten Simulation für die Kunststoffformgebung REM3D auch Softwarepakete für die Analyse von Gieß-, Schmiede-, Schweiß- und Kaltumformprozessen.

Zeitnahe Ergebnisse bei komplexen Berechnungen

Dr. Laurence Ville, Product Manager REM3D bei Transvalor ergänzt: „In unserer Belegschaft bündelt sich das Fachwissen von rund 60 hoch qualifizierten Forschern aus verschiedenen mit der Simulation verknüpften Disziplinen“. Das Miteinander unterschiedlicher Aufgabenstellungen führe dazu, dass die mathematische Durchdringung der komplexen Abläufe in den verschiedenen Anwendungsbereichen der Simulationsprogramme einen sehr hohen Stand erreicht.

Dank dieser gegenseitigen Durchdringung verschiedener Ingenieurdisziplinen und Wissenschaftsbereiche hat die mathematische Modellierung physikalischer Gesetzmäßigkeiten aus Bereichen wie Fluidik, Wärmetransportvorgängen und Rheologie in den Programmen des Unternehmens ein sehr hohes Niveau erreicht. Dies gilt auch für entscheidende praktische Aspekte wie die Rechenzeit. So kann das Programm aufgrund seiner Eignung für parallele Rechenvorgänge auch auf Hochleistungs-Computerarchitekturen mit zahlreichen Rechnerkernen implementiert werden. Dies ermöglicht die zeitnahe Berechnung realistischer Vorhersagen auch mit sehr komplexen Aufgabenstellungen zum Beispiel mit großen Wanddickenabweichungen.

„Andererseits wurde sorgfältig darauf geachtet, das Programm speziell auch für solche Praktiker handhabbar zu machen, die nicht mit den Feinheiten der darin ablaufenden Rechenalgorithmen vertraut sind“, merkt Olivier Krafft, Ingenieur für technischen und kommerziellen Support bei Transvalor, an. Das Programm wurde vielmehr als praxistaugliches Werkzeug für erfahrene Mitarbeiter in der Konstruktion oder in der Produktion ausgelegt, die mit ihren Fertigungsprozessen und Materialien bestens vertraut sind und vor allem ein probates Hilfsmittel brauchen, mit dem sie konkrete betriebliche Aufgabenstellungen lösen können.

Deshalb wurde sehr viel Wert auf eine einfach und intuitiv zu bedienende grafische Benutzeroberfläche (GUI, Graphic User Interface) gelegt. Bei der Umsetzung lag das Augenmerk darauf, die Simulation mit den in der Produktion erzielten Ergebnissen möglichst genau abzugleichen. Bei der Softwareentwicklung hatte deshalb eine höchstmögliche Realitätsnähe oberste Priorität. Dank dieser Zielsetzung lassen sich Prozesse so einfacher modellieren und Simulationen schneller durchführen.

Vom Einspritzzeitpunkt bis zum Ausstoßvorgang wird simuliert

„Die Programmentwicklung erfolgte daher von Anfang an in enger Zusammenarbeit mit industriellen Anwendern“, erklärt Andrietti. Hierzu gehören weltweit führende Hersteller und Verarbeiter von Kunststoffen wie Dow, die Safran-Gruppe sowie zahlreiche weitere Konzerne. Diese Unternehmen setzen REM3D für die Herstellung von Spritzguss- beziehungsweise Expansions-Spritzgussteilen (Schaumteile) in ihrer eigenen Produktion ein und sorgen für die Rückkopplung der dabei gemachten Erfahrungen an die Entwicklungsteams von Transvalor. Diese Art der Zusammenarbeit führt zu dem hohen Grad an Einsatzreife und Praxistauglichkeit der Software. Vom Leistungsumfang her umfasst das Programm alle wesentlichen Aspekte der Prozesse: vom Beginn des Einspritzens über die Formfüllung bis zur Verdichtungs- und Abkühlphase und schließlich zum Ausstoßen des fertigen Spritzgussteils. Weitere wichtige Leistungsmerkmale sind auch die Verteilung und Orientierung beigemischter Fasern, die Berücksichtigung der Effekte beim Umspritzen von Einlegeteilen sowie die Berechnung des Verzugs am fertigen Teil. Natürlich bietet Transvalor seinen Kunden auch umfassende Anwenderunterstützung an. Die Größe und das hohe Qualifikationsniveau seines Entwicklerteams verleihen dem Unternehmen die Fähigkeit, Lösungen auch für sehr spezielle Aufgabenstellungen und besonders knifflige 3D-Anwendungen zu entwickeln.

Adaptive Vernetzungstechnologie verbessert Ergebnis

Eine sich selbst adaptierende Vernetzungstechnik, welche die örtliche Dichte der Vernetzung dynamisch an die jeweiligen Anforderungen des Herstellprozesses anpasst, hält Ville für einen wichtigen Vorteil. Diese von Cemef entwickelte Technik basiert auf dem Konzept einer a-priori-Fehlerabschätzung, die schon im Vorfeld eines Ereignisses (Berührung, Gradient, Schnittstelle) eine Verfeinerung der Vernetzung auslöst. Dies ist beispielsweise immer dort der Fall, wo es um Kontaktflächen – etwa zwischen Schmelze und Formwand oder zwischen zwei verschiedenen Fluiden –, um Grenzschichten wie die Schmelzefront oder um Bereiche geht, in denen das Strömungsverhalten gestört ist. Diese automatische anisotrope und adaptive (AAA) Vernetzungstechnologie führe zu einer deutlichen Verbesserung der Ergebnisqualität. Dieser Ablauf erfolge automatisch und erfordere keinerlei Intervention durch den Bediener, der nur die erforderlichen Geometrie- und Prozessparameter einzugeben brauche.

„Die Herstellung von Kunststoffteilen aus expandierenden Schäumen stellt Programmierer vor ganz besondere mathematische Herausforderungen“, betont Krafft. Das hängt damit zusammen, dass die chemische Reaktion, die zur Expansion des Schaums führt, bereits während des Füllvorgangs einsetzt. Dabei wird auch Wärme in erheblicher Menge freigesetzt, welche die eingespritzten Materialien aufheizt und sowohl das Fließverhalten als auch die Reaktivität des Vorgangs zusätzlich beeinflusst. Die Lösung einer solchen Aufgabenstellung erfordert eine Modellierung, die gekoppelte rheologische, thermische und chemische Abläufe mit hoher Effizienz und Genauigkeit berechnen kann. Viele der bisher entwickelten Systeme schaffen es aber noch nicht einmal, die für den Herstellungsprozess erforderliche Injektionsmenge oder gar den optimalen Neigungswinkel der Kavität in Bezug auf die Schwerkraft mit vertretbarer Zuverlässigkeit vorherzusagen.

Probate Prognosemöglichkeit für geschäumte Kunststoffteile

Mit der neuen Version von REM3D ist es inzwischen möglich, die optimale Füllmasse, die bestmöglichen Positionen für Einfüll- und Entlüftungskanäle sowie die finale Dichteverteilung des Schaums im fertigen Bauteil mit guter Genauigkeit vorherzubestimmen. So liegt nach Expertenaussage von Dow der Fehler bei der Vorausberechnung der benötigten Materialmenge inzwischen nur noch im unteren einstelligen Prozentbereich.

„Ein weiterer Einsatzsektor, bei dem insbesondere unsere selbst adaptierende Vernetzungstechnologie erhebliche Vorteile ermöglicht, sind Mehrkomponenten-Spritzgießprozesse“, betont Ville. Üblicherweise wird dabei so vorgegangen, dass die Werkzeugkavität zunächst mit dem für die Außenkontur des Spritzgießteils verwendeten Werkstoff befüllt wird. Dann wartet man ab, bis dieser zu einer zuvor bestimmten Wanddicke erstarrt ist. Anschießend wird die zweite Komponente injiziert – eine Flüssigkeit oder ein Gas, die das noch fließfähige Polymer aus dem Kernbereich des Teils austreibt.

Ein starkes Netzwerk unterstützt Anwender weltweit

Im Vergleich mit massiv ausgeführten Spritzgussteilen ermöglicht dies erhebliche Einsparungen beim Materialeinsatz und bei den Zykluszeiten, da das eingespritzte Gas beziehungsweise die eingespritzte Flüssigkeit das Teil von innen abkühlt, und damit auch bei den Kosten. Das Resultat ist eine röhrenförmige Hohlstruktur mit sehr glatten Innenkonturen. Alternativ kann der innere Hohlraum auch mit einer weiteren Kunststoffkomponente, etwa einem Schaum, ausgefüllt werden.

Auch dabei ermöglicht die autoadaptive Vernetzung realitätsnahe Voraussagen über die Wanddicken mit glatten Trennflächen auch im Werkstückinneren. Die dabei entstehende Hohlstruktur kann auch für weitere Berechnungen, zum Beispiel bezüglich der Festigkeit als STL-Datei, exportiert werden. Alternativ ermöglicht REM3D die Simulation des sequentiellen Einspritzens weiterer Thermoplaste und/oder Duromere, wobei die jeweilige Materialverteilung im Bauteil vorhergesagt und einzeln oder gruppiert angezeigt und analysiert werden kann.

„Ungeachtet unserer im Kunststoffbereich bisher geringen Marktpräsenz können wir vom Start weg unsere Kunden effektiv unterstützen – und das sogar weltweit“, sagt Krafft. Den Anwendern kommt hierbei zugute, dass Transvalor in anderen industriellen Einsatzbereichen schon seit Jahren zu den Marktführern im Bereich von Programmen zur Simulation von Umform- und Formgebungsvorgängen zählt und deshalb über ein weltweites Netz von Niederlassungen und Stützpunkten mit hoch qualifiziertem und erfahrenem Personal zurückgreifen kann.

Dazu werden Anwender durch ein breites Dienstleistungsangebot wie Beratung, Schulung sowie Engineering unterstützt. In Deutschland, Österreich und der deutschsprachigen Schweiz übernehmen das deutschsprachige Mitarbeiter, die direkt von der Zentrale in Mougins aus agieren. MM

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