Konstruktionsalternativen simulieren

Verzug beherrschen mit Autonomer Optimierung

Um die Konstruktion von Kunststoffbauteilen hinsichtlich des zu erwartenden Verzugs vorab zu beurteilen, eignen sich verschiedene Simulationsverfahren. Sehr viele mögliche Konstruktionsalternativen im Detail vergleichen und bewerten - das soll ein spezielles Verfahren, die Autonomous Optimization, ermöglichen.

Für das Bauteil zeigte die geplante Konfiguration eine starke Durchbiegung (links, Verzug mit Faktor 5 dargestellt). Bei der idealen Lösung ist die Durchbiegung der vorderen Kante deutliche geringer (rechts, Verzug mit Faktor 5 dargestellt). © Sigma

Bei der Entwicklung neuer Kunststoffteile stehen Ingenieure immer wieder vor ähnlichen Fragestellungen: nach dem besten Material, den idealen Prozesseinstellungen oder dem minimalen Verzug. Zur Beantwortung vieler dieser Fragen ist die Simulation heute ein anerkanntes Werkzeug. Doch häufig wird sie vor allem dazu eingesetzt, etablierte Konzepte zu prüfen und zu bestätigen. Ob das gewählte Konzept und seine Einstellungen wirklich die optimale Lösung bilden, lässt sich nur schwer beurteilen. Zu hoch wäre der Aufwand, um alle möglichen Konfigurationen aufzusetzen und zu vergleichen.

Mit Hilfe moderner Simulationsansätze wie der Sigmasoft Autonomous Optimization soll sich diese Aufgabe jedoch leicht bewältigen lassen. Bei dieser Technologie berechnet der Anwender nicht länger eine selbst definierte Konfiguration nach der anderen und vergleicht diese später manuell. Vielmehr gibt er in der Software verschiede Freiheitsgrade mit ihren möglichen Ausprägungen und eine Zielgröße für das gewünschte Ergebnis vor. Anschließend ermittelt die Software automatisch die ideale Konfiguration.

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Dazu berechnet sie nicht etwa alle möglichen Konfigurationen einzeln. Dank statistischer und völlig autonomer Auswertung über mehrere Generationen reicht die Berechnung einiger weniger aus.

Um den Verzug und die Biegung der vorderen Kante (gelb) möglichst gering zu halten, sollte die ideale Position für den Anspritzpunkt auf der graden Fläche (weiß schraffiert) gefunden werden. Der Graph zeigt die Gradheit der vorderen Kante für jedes der gerechneten 128 Designs, die sich auf acht Generationen verteilen. Die dunkelblaue Ausgleichskurve zeigt, wie mit jeder Generation die Durchbiegung des Bauteils geringer wird. Die ideale Lösung ist in Grün hervorgehoben. © Sigma

Für ein Bauteil mit mehreren Rippen war beispielsweise der Verzug besonders kritisch. Bei einer Glasfaserverstärkung von 30 Prozent sagte die Simulation im geplanten Set-Up eine unzulässig hohe Durchbiegung voraus. Statt weiter in einem virtuellen Trial-and-Error Verfahren am Computer verschiedene Konzepte zu testen, entschieden die Ingenieure, das Problem per Autonomer Optimierung zu lösen. Zur Verringerung des Verzugs kamen zwei Freiheitsgrade in Frage: die Höhe des Nachdrucks und die Position des Anspritzpunkts auf der graden Fläche des Bauteils.

Während der Nachdruck in nur drei Stufen variiert wurde, wurde der Anspritzpunkt auf der Fläche in zwei Richtungen in Schritten von 1 Millimeter verschoben. Auf diese Weise wurde eine Fläche von über 7000 Quadratmillimeter abgedeckt. Insgesamt ergaben sich so fast 22 000 mögliche Konfigurationen, von denen in einer vollständig automatischen und autonomen Optimierung über acht Generationen letztlich nur 128 berechnet wurden. Als Ziel wurde festgelegt, dass die Durchbiegung der vorderen Kante möglichst gering sein soll.

Nach dem Durchlauf der Autonomen Optimierung über das Wochenende bestimmten die Ingenieure in der Software mit Hilfe interaktiver Tabellen und Graphen das ideale Design. Bild 2 zeigt, dass es eine Kombination aus Anspritzposition und Nachdruckhöhe gibt, mit der die maximale Gradheit zu erzielen ist. Zwei weitere Kombinationen bieten eine annährend gute Lösung. Alle weiteren Kombinationen zeigen bereits eine etwa 10 Prozent höhere Durchbiegung. Mit Hilfe der Autonomen Optimierung stellen die Ingenieure sicher, dass der gewählte Prozess die optimale Lösung ist und einen minimalen Verzug garantiert.

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