„Nachhilfe“ bei Design und Konstruktion

Die Entwicklungspartner werden bei der Umsetzung ihrer Bauteile mit CAE-Werkzeugen unterstützt, die den Formgebungsprozess bem Spritzgießen präzise beschreiben, die Konstruktion des Bauteils hinsichtlich Gewicht und Eigenschaften optimieren und eine virtuelle Prüfung der Bauteilentwürfe ermöglichen. Wie Lanxess mit den Simulations-Tools arbeitet, zeigt das Beispiel eines Kupplungspedals in Metall-Kunststoff-Hybridbauweise. „Wir konnten hierfür eine Konstruktion vorschlagen, die dann als Prototyp umgesetzt wurde. Sie ist in allen Belastungsrichtungen steifer, deutlich leichter und dabei kostengünstiger zu fertigen als eine bisherige Ausführung des Bauteils in Stahlblech“, so Jürgen Knaup, Leiter des Consumer Engineering Services in der Business Unit Semi-Crystalline Products. Nach Vorgaben eines Kunden sollte ein bestehendes Kupplungspedal aus Stahlblech durch eine Konstruktion in Hybridbauweise bei gleichen oder verbesserten mechanischen Eigenschaften ersetzt werden, um Kosten und Gewicht zu sparen. Der erste Konstruktionsvorschlag in Hybridbauweise wog bereits bei vergleichbaren Bauteileigenschaften deutlich weniger. Allerdings lagen die Kunststoff-Rippen zu dicht aneinander, so dass das Bauteil in diesem Design nicht hergestellt werden konnte. Daraus leitete sich die Aufgabe ab, mit wenigen, aber an den richtigen Stellen platzierten Rippen eine möglichst hohe Steifigkeit bei minimierten Materialeinsatz zu erreichen. Dabei sollte das Volumen der Rippen bei diesem Bauteil nicht mehr als 25 Prozent des Bauraums belegen und die maximale Wanddicke der Rippen vier bis fünf Millimeter nicht überschreiten, möglichst bei drei Millimeter liegen, um das spritzgegossene Bauteil im Werkzeug schnell kühlen zu können und so kurze, wirtschaftliche Zykluszeiten zu ermöglichen.

Aus diesen Randbedingungen wurde mit Hilfe einer Optimierungs-Software ein Vorschlag für eine Verrippung berechnet, der auch fertigungstechnische Aspekte berücksichtigte. „Das daraus abgeleitete Bauteil war schon etwa 100 Gramm leichter als sein Pendant aus Stahlblech“, erläutert Knaup.

300 Gramm Gewichtsersparnis

Im nächsten Schritt wurde der Optimierungsvorschlag in ein detailliertes Berechnungsmodell umgesetzt, um eine virtuelle Bauteilprüfung des Entwurfs durchzuführen. Dabei zeigte sich, dass bereits ein Standard-Polyamid mit 30 Prozent Glasfaser fast alle Anforderungen in punkto Steifigkeit erfüllt. In y- und z-Richtung ist die Hybrid-Konstruktion deutlich steifer, lediglich in x-Richtung ist die Verformung etwa 20 Prozent höher. Dieses Problem wurde durch Einsatz eines Polyamides mit 60 Prozent Glasfaser gelöst. „Alles in allem ist das Pedal in Hybridbauweise um mehr als 300 Gramm leichter als die Stahlversion und zeigt eine bessere mechanische Performance“, so Knaup.

Mit verfeinerten CAE-Tools lassen sich noch bessere Ergebnisse bei der Bauteilentwicklung erzielen. So sei es gelungen, die Prozesssimulation und Strukturanalyse zu verknüpfen und damit die aus dem Herstellprozess resultierenden inneren Bauteileigenschaften, wie Eigenspannungen und Glasfaserorientierungen, nachfolgenden Simulationen zugänglich zu machen. So sind die Wärmedehnung, die Festigkeit und die Steifigkeit stark von der Ausrichtung der Glasfaser im Bauteil abhängig. Je genauer sich diese Eigenschaften in dem Berechnungsmodell beschreiben lassen, desto besser kann ein Bauteil entwickelt werden, der die Anforderungen möglichst optimal erfüllt.

K 2010, Halle 6, Stand C58