Formenbau effizienter gestalten

Präzise simulieren – Fehler vermeiden

Formenbau effizienter gestalten beim Spritzgießen und Schäumen. Simulationswerkzeuge gehören in der Entwicklung ab einem bestimmten Komplexitätsgrad der Produkte fast zum Standard, um den Formenbau zu optimieren – hinsichtlich der Bauzeit, noch mehr aber, um die Konstruktion zu optimieren und Nacharbeiten zu minimieren.

Dank eines thermomechanischen Modells für faserverstärkte, thermoplastische Kunststoffe lassen sich präzise Vorhersagen zur temperaturabhängigen Verformung simulieren, um früh im Prozess Schwachstellen virtuell zu erkennen und vor der Serienfertigung zu vermeiden. Das neue Modul berücksichtigt das komplexe thermomechanische Materialverhalten, den Einfluss der anisotropen Faserorientierung sowie Temperaturverteilungen und -änderungen im Bauteil. (Bild: BASF)

Ein neues Modul soll der Software Ultrasim zur Simulation von Spritzgieß-Bauteilen neue Fähigkeiten verleihen. Schon seit Längerem sind Anwender in der Lage, genaue Berechnungen über das anisotrope mechanische Verhalten fasergefüllter Kunststoffe nach der Herstellung im Spritzgieß-Prozess zu machen. Dank eines thermomechanischen Modells für faserverstärkte, thermoplastische Kunststoffe sollen nun auch präzise Vorhersagen zur temperaturabhängigen Verformung möglich sein.

Ein Vorteil für den Anwender: Sie können nun bereits in der Entwicklungsphase von Bauteilen mögliche Schwachstellen virtuell erkennen und vor der Serienfertigung vermeiden. Das neue Modul berücksichtigt das komplexe thermomechanische Materialverhalten, den Einfluss der anisotropen Faserorientierung sowie Temperaturverteilungen und -änderungen im Bauteil. Gerade bei leistungsfähigen Kunststoffen, die im Automobil zum Einsatz kommen und immensen Temperaturunterschieden ausgesetzt sind, müssen mögliche Veränderungen möglichst genau eingeschätzt werden können.

Fasergefüllte Kunststoffe verhalten sich thermomechanisch sehr komplex. Unter thermischer Last kann es zu unerwünschten Verformungen kommen, die von der lokalen Temperatur und Faserorientierung im Bauteil abhängig sind. Besonders bei EuE-Bauteilen mit integrierten Schaltelementen ist dies sehr kritisch. Die sensible Elektronik darf keinen Schaden nehmen. Eine exakte Vorhersage der thermischen Verformung durch vorherige Simulation spart somit Zeit und Geld im Entwicklungsprozess.

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Das Simulationstool ermöglicht auch das virtuelle Aufschäumen und Aushärten der Weichintegralschaumsysteme Elastofoam für Automobil-Lenkräder. Damit können die wichtigsten chemischen Reaktionen und das Fließverhalten des Polyurethanschaums im Werkzeug berechnet werden – und die Trends zu größerer Funktionsintegration, mehr Elektronik und individuellem Design bei Lenkrädern zu verwirklichen. (Bild: BASF)

Integrativer Simulationsansatz
Durch umfangreiche Messungen direkt am Material sowie an spritzgegossenen Prüfkörpern bietet Ultrasim eine umfassende Materialcharakterisierung über den kompletten Temperaturbereich. Es wird nicht nur eine einzelne Temperatur simuliert, sondern es besteht die Möglichkeit, bei verschiedenen Anwendungen die typische Temperaturbelastung zwischen -40 bis 150 Grad Celsius nachzurechnen. Dabei wird der Einfluss der Faserorientierung im Bauteil, die zu einem anisotropen thermomechanischen Verhalten führt, durch Integration der Prozesssimulation berücksichtigt.

So lässt sich eine vollständige, temperaturabhängige Modellierung unter Berücksichtigung der rheologischen und thermischen Eigenschaften sowie der Faserorientierung aus dem Spritzguss-Prozess darstellen. Die Konsequenz: Fehler am Bauteil werden frühzeitig erkannt und vermieden. BASF verwendet das Rechenmodell bereits bei einer Vielzahl von Anwendungen, hauptsächlich für die Automobilindustrie.

Die Automobilbranche steht mit dem Thema Elektromobilität vor großen Herausforderungen. Neue Bauteile werden entwickelt, die hochempfindliche Leiterbahnen, Sensoren oder Platinen schützen müssen. Bei gravierenden Temperaturunterschieden sollten keine kritischen Verformungen der Bauteile und somit eine Beschädigung der Elektronik eintreten. In verschiedenen Kundenprojekten, zum Beispiel einer Steuerungselektronik, sei das neue Modul bei unterschiedlichen Parametern bereits erfolgreich eingesetzt worden. Die thermische Ausdehnungssimulation bei Gehäusen elektronischer Steuergeräte (ECU) zeigte demnach eine gute Übereinstimmung über den gesamten untersuchten Temperaturbereich. Weitere Einsatzmöglichkeiten des Simulationstools wären unter anderen Kunststoffkomponenten in Scheinwerfern, in denen umfangreiche Leistungselektronik eingesetzt und die Wärmeabfuhr zum Tragen kommt.

Schäumsimulation von PU-Systemen
Neben dem Spritzgießen gewinnt die Simulation im Bereich Schäumen an Bedeutung, vor allem im Fahrzeugbau. BASF hat Simulationstool Ultrasim so erweitert, dass sich das Aufschäumen und Aushärten der Weichintegralschaumsysteme Elastofoam für Automobil-Lenkräder vorhersagen lässt. Mit der detaillierten Simulation können sowohl die wichtigsten chemischen Reaktionen als auch das Fließverhalten des Polyurethanschaums im Werkzeug berechnet werden. Dabei werden an jeder Stelle des Werkzeugs Prozess- und Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck und Materialkonzentration sowie Bauteilspezifika wie Metallskelett und Kabel berücksichtigt. Aufbauend auf der jetzt erstmals verfügbaren, ausführlichen Beschreibung der Integralschaumsysteme in der Simulationssoftware ist es so möglich, schon vor dem Bau des Werkzeugs kritische Lufteinschlüsse im Bauteil wie unter einer virtuellen Lupe zu identifizieren, Entlüftungen anzupassen und den Herstellungsprozess für Lenkräder zuverlässig zu gestalten. Der neue Service ermögliche es Lenkradherstellern, Entwicklungszyklen zu verkürzen, so Kosten zu senken – und gleichzeitig die Trends hin zu größerer Funktionsintegration, mehr Elektronik und individuellem Design bei Lenkrädern zu verwirklichen. Er ist laut BASF bei Automobilzulieferern wie ZF-TRW Automotive Safety Systems im Einsatz.

Entlüftungsstellen und Dichteverteilung
Lenkräder sind der wichtigste Kontaktpunkt im Auto: Haptik, Optik und Funktionalität lassen sich direkt auf das Bauteildesign zurückführen. Dabei handelt es sich um komplexe Bauteile, die aufgrund ihrer Form und der Bauteilelemente Metallskelett, Kabel, Knöpfe und Designfeatures bei gleichzeitig begrenztem Platzangebot hohe Anforderungen an den eingesetzten Polyurethanschaum und den Schäumprozess stellen. Der Simulation liegen deshalb umfangreiche Materialdaten und komplexe Materialgesetze zugrunde, da sich alle diese Aspekte auf das Füllverhalten und die resultierende Dichteverteilung auswirken. Das Fließverhalten muss genauer modelliert werden als beispielsweise bei Instrumententafeln: Fließwege spalten sich auf und schließen sich wieder, kleine Schlitze müssen passiert und Dickstellen zuverlässig ausgefüllt werden.

Ein besonders kritischer Parameter ist die Entlüftung der Schäumform und die verschiedenen Methoden, diese im Produktionsprozess umzusetzen. Die Platzierung kleiner Entlüftungskegel soll Lufteinschlüsse im Bauteil vermeiden, da sie die Stabilität und die Optik des Lenkrads beeinträchtigen. Hier könne die Füllsimulation die Lage und Größe etwaiger Lufteinschlüsse korrekt vorhersagen und Anwender dabei unterstützen, die Entlüftungen richtig zu positionieren: So werden die Anzahl der benötigten Entlüftungen und gleichzeitig das Risiko von Lufteinschlüssen verringert. Das genaue Fließmodell berücksichtigt außerdem bauteiltypische und kundenspezifische Prozesse wie das Werkzeugschwenken während des Schäumprozesses. Auch in diesen Fällen wurde die Vorhersagegenauigkeit des Simulationstools in Bezug auf das Fließverhalten und die Lufteinschlüsse an Kundenbauteilen verifiziert.

Die Simulation der BASF berechnet auch die Dichteverteilung. Sie ist entscheidend für die Haptik, also die lokale Härte des Lenkrads, die die Automobilhersteller vorgeben. Um die Dichte an jeder Stelle des Bauteils vorherzusagen, wurde das Materialmodell für Elastofoam so weiterentwickelt, dass es das Schaumwachstum detailliert beschreibt, abhängig von den chemischen Reaktionen, der lokalen Temperaturentwicklung, dem Druck und der anfänglichen Gasbeladung. Damit ist die Ausgangsbasis dafür geschaffen, Lenkräder aus Polyurethanschaum nicht nur vom Prozess her zu beschreiben, sondern auch das mechanische Verhalten des Bauteils selbst, zum Beispiel Steifigkeit und Härte, zu bestimmen. Bisher kann die so genannte Shore-Härte von Lenkrädern nur am realen Bauteil gemessen, nicht aber in der frühen, rein virtuellen Projektphase vorhergesagt werden.

Leichter Schaumkern, feste Haut
Zusätzlich zum etablierten technischen Kundendienst entwickelt BASF mit dem neuen Ultrasim-Service die prozess- und bauteilgerechte Verarbeitung ihrer Weichintegralschaumsysteme weiter. Das niedrig-dichte Material bildet, kombiniert mit einem In-Mold-Coating, in einem einstufigen Produktionsverfahren eine Haut als dekorative und schützende Oberfläche aus, die UV-, kratz- und abriebbeständig ist. Lenkräder haben eine starke Außenhaut und fühlen sich zugleich weich und komfortabel an. Sie sind verschleißfest und langlebig, auch bei Kontakt mit Schweiß, Sonnencreme oder Reinigungsmitteln. Aktuelle Systeme bieten geometrieabhängig deutliche Gewichtseinsparungen von bis zu 10 Prozent ohne Eigenschaftsverlust bei Entformungszeiten von bis zu 60 Sekunden und geringen Emissionen.

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