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Erfahrung versus Softwaretools – was hilft beim Ausreizen der - TIM

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Erfahrung versus Softwaretools –
was hilft beim Ausreizen der Grenzen von
Kunststoff- und Verbundbauteilen
Anton Sageder
WKOÖ-Linz, 24.06.2014
Numerische Simulation in der Kunststofftechnik
Numerische Simulation ist die dritte Säule der Wissenschaft und Technik neben Theorie
und Experiment, um Erkenntnisse zu gewinnen, wenn:
•
•
•
•
•
Eigenschaften/Strukturen nicht experimentell zugänglich sind
Einblicke in das innere von Prozessen nötig sind
Experimente teuer sind
Theorien durch ihre Vorhersagen gestestet werden sollen
Ingenieurwissenschaften:
• Festkörper- und Strömungsmechanik
• Optimierung,
• Materialwissenschaften
2|
WKOÖ - 24. Juni 2014
Simulation bei Borealis
Zahlen & Fakten
Das Team:




Start 1988
Team Mitglieder
Ausbildung
Erfahrung
einer der ersten Moldflow Anwender Europas
10 Ingenieure / Forscher
PhD’s, Mechanik & Polymer Ingenieure, Werkzeugmacher,…
insgesamt mehr als 100 Jahre in Simulation
Team Entwicklung:






Verarbeitung
Anwendung
Materialentwicklung
Fluid Dynamic I
Fluid Dynamic II
Molekül Modellierung
seit 1988
seit 1993
seit 2002
seit 2008
seit 2009
seit 2011
Moldflow, Polyflow
Abaqus Static 1990, Dynamic 1995
3 PhD studies; Palmyra,..
Compounding, Polyflow,
Reaktor Modelling / Liggghts, Fluent
Gaussian, others
Anzahl industrieller Projekte  ca. 3000
Simulationsmethoden  erfordert Erfahrung  Synergien im Team
3|
WKOÖ - 24. Juni 2014
Historische Entwicklung der Computerleistung
 Konstante Entwicklung der
Computerleistung –
Die Rechenleistung
hat sich ca. alle
2Jahre verdoppelt
 Lösung komplexer
physikalischer Probleme
möglich.
 Computer Leistung entwickelt
sich schneller als die Möglichkeiten der bereitstehenden
gesicherten Theoriemodelle .
http://en.wikipedia.org/wiki/Moore's_law
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Historische Perspektive
Entwicklung der Hardware für die Simulation
Das Pendel schwingt:
 Zentral zu verteilt zu zentral
 Remote zu Lokal zu Remote
Beständige Trends:
 Scale up (Kerne/Prozessoren, )
 Globalisierung / Kollaboration
 IT Komplexität (Anwendungen/User)
 Spezialisierung der Anwender
Arbeitsplatzkosten Hardware
€70.000.--
€5.000 - €...--
*Hutchings, B., Enterprise HPC & cloud computing for Engineering Simulation, ANSYS Conference & CADFEM Users’ Meeting 2013, Mannheim.
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Simulation – Wertschöpfung bei Borealis
Simulation
Bauteil Simulation
Verarbeitung Simulation
Material Forschung
Molekular Modelling
Prozess Modelling / (Computer Fluid Dynamic)
1A
Produktion
1nm
Forschung
1m
Compound
1mm
Labors
ASG´s
Verkauf
1m
Verarbeitung
Lenght
Anwendung
Simulationstechniken  Entlang der Wertschöpfung
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Design
Umformung
Material
Werkzeuge
Kunststoff Engineering – unser Grundverständnis
Funktionalität der
Anwendung
Bauteile und
Anwendung
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Qualiät und
Prozessfähigkeit
des Produkts
Kunststoff
Engineering
Verarbeitung
Simulation - Verarbeitung
Anwendung:
Optimierung der Verarbeitungsprozesse für die Kunden unter
Verwendung von Borealis Material – Prozessfenster sichern.
Material:
Abstimmung z.B. der Fließfähigkeit  ev. Neuentwicklungen
Einsatzgebiet:
Kundenprojekte, Machbarkeitsstudien,
ASG:
Auto, Weißgeräte, Infrastruktur, Konsumgüter, Verpackung
Software:
Moldflow, Polyflow
Spritzguß
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Qualität
Extrusion
Blasformen
Simulation – Beispiel umspritztes Rohr
Moldflow 3D Berechnungsmodell mit Werkzeugkühlung
 Bauteil
553.943 Tetraeder
Kunststoff PA6-GF60
PP-GF40
 Werkzeug
1.195.265 Tetraeder
Stahl
 Rohreinleger
58.341 Tetraeder
Alu
 Rohreinleger Wasserkern
52.276 Tetraeder
Wasser
 Temperierkanäle
306 Beams
 Heisskanalverschlußdüse
8 Beams
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Simulation – Beispiel umspritztes Rohr
Füllung der Kavität
 Füllzeit 1.5s
Heißkanal
Nadelverschlußdüse
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Borealis PP GB477HP
Simulation – Beispiel umspritztes Rohr
Faser – Orientierungstensor der Glasfasern
Durethan DP BKV60
 Sehr hoher Orientierungsgrad in Fließrichtung für
beide Materialien.
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Borealis PP GB477HP
Simulation – Beispiel umspritztes Rohr
Effizienz der Wärmeabfuhr der Kühlkanäle - transient
 Effizienz über den gesamten Zyklus betrachten.
Durethan DP BKV60
 Rote und gelbe Bereiche
weisen auf eine zu
schwache Leistung des
Kühlsystemes hin. Abhilfe
durch verbessertes
Kühlsystem oder besser
wärmeleitende
Einsatzwerkstoffe.
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Simulation – Beispiel umspritztes Rohr
Werkzeugtemperatur – transient, Zykluszeit 52s
 Material Werkzeugstahl
ρ = 7800kg/m³
cp = 460 J/kg.K
λ = 29 W/m.K
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Borealis PP GB477HP
Simulation – Beispiel umspritztes Rohr
Zeit bis zum Erreichen der Entformungstemperatur
Masseanhäufung vermeiden – Stift setzen
 Entformungstemperatur
119°C
Wärmeabfuhr verbessern
Durethan DP BKV60
Masseanhäufung vermeiden – Stift setzen
 Entformungstemperatur
174°C
Wärmeabfuhr verbessern
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Beispiel 2K Spritzguss + IML (In-Mould-Labeling)
Integrierte Beleuchtung – Modell
Bauteil Schnitt:
In-Mould-Label
PP Folie translucent
2nd Komponent
PMMA transparent
Herausforderung:
1st Komponent
PP-rTPO Träger
•
•
•
•
•
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Werkzeug Technologie
Prozess Parameter
Haftung der verschiedenen
Materialien
Zeitversetzte Schwindung der
Komponenten
Vezugsverhalten
2K Spritzguss + IML (In-Mould-Labeling)
Integrierte Beleuchtung – Ergebnisse 1/3
1st Komponent Füllung
nach 22s Nachdruck and Kühlzeit
2nd Komponent Füllung
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Aufgeschmolzene Oberfläche der PPFolie während der PP-Träger geefüllt
wird. Wichtifg für gute Haftung
zwischen den Komponenten.
2K Spritzguss + IML (In-Mould-Labeling)
Integrierte Beleuchtung – Ergebnisse 2/3
1st Komponent Abkühlung
Core
Cavity
nach 22s packing and cooling
2nd Komponent Abkühlung
Core
Cavity
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WKOÖ - 24. Juni 2014
• Asymmetrische Abkühlung
zwischen Kernseite und
Kavität.
• Isolation wegen PP – Folie.
2K Spritzguss + IML (In-Mould-Labeling)
Integrierte Beleuchtung – Ergebnisse 3/3
Verzug – mit Folie
• Verzug basiert auf unsymmetrischer Temperaturabfuhr
(Folie isoliert) und
zeitversetzter unterschiedlicher Schwindung des
PMMA Fensters
Verzug – ohne Folie
• Verzug basiert auf
zeitversetzter unterschiedlicher Schwindung des
PMMA Fensters.
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Oberflächendefekte – Tigerstreifen
Simulation
Reality
Vorhersage von Oberflächendefekten  Prozess Bedingungen
Globaler Bauteildefekt unter Berücksichtigung von Material, Prozessparametern und Werkzeug
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Flow Results – Oberflächendefekte
Lokaler Defekt
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Globaler Defekt
Defekt kommt zum Vorschein
wo er entsteht !
Defekt entsteht irgendwo und
kommt woanders zum Vorschein !
Bindenähte,Einfallstellen,…
Tigerstreifen,…
WKOÖ - 24. Juni 2014
Simulation - Bauteile und Anwendungen
Anwendung:
Optimierung von Kundenprodukten unter Verwendung von Borealis
Material – Gewährleistung und Verbesserung der Funktionalität.
Material:
Abstimmung z. B. der Mechanik  ev. Neuentwicklungen
Einsatzgebiet:
Kundenprojekte, Machbarkeitsstudien, Material Evaluierung
ASG:
Auto, Weißgeräte, Infrastruktur, Konsumgüter, Verpackung
Software:
Abaqus, Dytran, LS-Dyna
Auto - Sicherheit
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Weißgeräte
Rohrbelastung
Blasformen
Simulation Anwendung
Instrumententafel
Passagier Sicherheit
Dynamische Simulation Kopfaufschlag
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Simulation Anwendung
Sitz Rückenlehne – Passagier Sicherheit
Optimiertes Material und Werkzeugfüllung erfordert
Schlagzähigkeit , Kritische Bindenähte,..
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Simulation Anwendung
Abaqus - Kriechtest
Experiment
Material Test
Simulation
Makroskopische Antwort
Detailierte Analys3
stress characteristics at the inside
200x9_BA212E_6%
2500
200x9, BA212E - S22
200x9, BA212E - S33
0
0
50
100
150
200
-10
-20
-30
-40
path [mm]
24 |
WKOÖ - 24. Juni 2014
Simulation
2000
250
300
350
Test
F [N]
200x9, BA212E - S11
20
Kraft Relaxation
30
10
s [MPa]
Stress Verteilung
40
1500
1000
500
0
1.E-05
1.E-03
1.E-01
1.E+01
t [h]
1.E+03
1.E+05
1.E+07
Simulation Anwendung
Geschirrspüler Falltest
Material- und Designoptimierung
Steifigkeit, Schlagzähigkeit, Wasserabweisend,...
25 |
WKOÖ - 24. Juni 2014
Integrative Simulation – Beschreibung
Verarbeitungs- und Strukturanalyse gekoppelt
• Verknüpfung des Herstellungsprozess eines Bauteils aus faserverstärktem
Kunststoff mit der Berechnung des mechanischen Bauteilverhaltens.
• Faserorientierung, Bindenähte oder Eigenspannungen der Füllsimulation
werden in die Struktursimulation übertragen.
• Das Materialverhalten wird im Mikrobereich (Faser) beschrieben und
ermöglicht typisches Kunststoffverhalten zu berechnen:
•
•
•
•
•
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Anisotropie
Nichtlinearitäten
Zug/Druck Abhängigkeit
Dehnratenabhängigkeit
Temperaturabhängigkeit
WKOÖ - 24. Juni 2014
Integrative Simulation - Vorteile
• Optimierung der Bauteilgeometrie:
• Kritische Stellen werden faserorientierungsabhängig erkannt und verbessert.
• Belastungsorientierte Bauteiloptimierung  Gewichtsverringerung.
• Optimierung des Herstellungsprozesses:
• Potential des Faserverbundes kann berechnet werden.
• Einfluss des Herstellungsprozesses auf das mechanische Verhalten.
• Optimierung der Kosteneffizienz:
• Experimentell-numerischer Ansatz ist die beste Methode derzeit.
• Aussagekräftige Simulation, daher weniger experimentelle Bauteilprüfungen
 reduzierte Kosten.
• Time-to-market verringert.
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Integrative Simulation
Materialdatenermittlung mit Unidirektionalen Probekörper
UD - 45°
Weld Line
UD - 90°
GF-Multitool
Plate
Biaxial
MPS
UD - 0°
UD - 0°
28 |
WKOÖ - 24. Juni 2014
UD - 45°
UD - 90°
Integrative Simulation – Borealis Toolbox
Faser Tool
µm - CT
Microstruktur
Micromechanic
Modelling
Integrative
Simulation
Fortschrittlicher
Materialtest
Kriechen
Versagen
Ermüdung
30
max Stress, MPa
28
26
24
22
20
1E+04
1E+05
1E+06
Number of cycles, -
29 |
WKOÖ - 24. Juni 2014
1E+07
Integrative Simulation - Überblick
Materialmodell
(Validierung)
Experiment auf
Bauteilebene
(Validierung)
Struktursimulation
Mappen der
Faserorientierung
Experiment auf
Prüfkörperebene
Spritzgusssimulation
ComputerTomographie
30 |
WKOÖ - 24. Juni 2014
Optimierung der
Faservorhersage
Grundregel der Simulation
Vorgaben
Geometrie Modell
• Finite Element Netz
• Qualität des Netzes / Gradient
Geometrie
Material Modelle
• Single + Multipoint Daten
• Physikalisch basierend
• Experimentiel validiert
Solver
Differential
Gleichungen
Randbedingungen
Validiertes
Material
„Die Qualität der Ergebnisse ist bestenfalls
so gut wie die Qualität der Vorgaben“
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WKOÖ - 24. Juni 2014
Setzen der Randbedingungen
• Bestimmter Lastfall
• Abbildung der Realität
• Fixierung, zeitliche Verläufe
• Kräfte, Drücke
• Geschwindigkeiten,........
Gleichungslöser
• Physik berücksichtigt und
experimentiel validiert
• Lösungsparameter Setup,...
Vielen Dank
Anton Sageder
A project by Borealis AG. The ideas documented in this
presentation are the sole property of Borealis AG, and are
subject to current copyright laws. Unauthorized use,
reproduction in whole or in part, as well as transmission to
third parties is not permitted.
32 |
WKOÖ - 24. Juni 2014
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