{"id":36637,"date":"2023-06-30T09:11:32","date_gmt":"2023-06-30T07:11:32","guid":{"rendered":"https:\/\/plas.tv\/?p=36637"},"modified":"2023-06-28T11:13:50","modified_gmt":"2023-06-28T09:13:50","slug":"simulation-und-validierung-der-faserausrichtung-bei-faserverstaerkten-kunststoffen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/plas.tv\/?p=36637","title":{"rendered":"Simulation und Validierung der Faserausrichtung bei faserverst\u00e4rkten Kunststoffen"},"content":{"rendered":"
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Best Pratice<\/strong><\/em><\/p>\n

Faserverst\u00e4rkte Kunststoffe werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften in vielen Spritzgussartikeln eingesetzt. Sie pr\u00e4sentieren sich jedoch mit einer nennenswerten Einschr\u00e4nkung: Das Werkstoffverhalten und damit auch das Schwindungs- und Verzugsverhalten ist deutlich richtungsabh\u00e4ngig, d.h. anisotrop und nicht in alle Raumrichtungen gleich, wie z.B. bei isotropen Metallen. Das Thema der Anisotropie sorgt bei vielen Anwendern f\u00fcr Unsicherheit, falschen Annahmen und damit f\u00fcr eine suboptimale Bauteil- und Werkzeugauslegung insb. in Bezug auf die anzunehmende Artikelschwindung.<\/span><\/p>\n<\/div>\n

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Bei der Fertigung von Spritzgie\u00dfwerkzeugen wird h\u00e4ufig ein mittleres Schwindungsaufma\u00df aus dem technischen Datenblatt verwendet, um das Bauteil f\u00fcr die Kavit\u00e4t gr\u00f6\u00dfer zu skalieren und die gew\u00fcnschte Ma\u00dfhaltigkeit beim spritzgegossenen Artikel zu erzielen. Dies mag in einigen F\u00e4llen \u2013 insbesondere f\u00fcr einfache Geometrien \u2013 funktionieren, doch wenn die Geometrie komplexer wird und es sich zus\u00e4tzlich um faserverst\u00e4rkte Materialien handelt, kann diese einfache Annahme deutlich von der Realit\u00e4t abweichen.<\/p>\n

So auch im folgenden Beispiel: Der entwickelte Connector, welcher gleicherma\u00dfen als Abdeckung und Stecker fungiert, weist im linken Steckerkorb ein deutlich kleineres Ma\u00df auf als gew\u00fcnscht \u2013 trotz aufgebrachtem Schwindungsaufma\u00dfes im Werkzeug. Mittels Spritzgusssimulation lassen sich Schwindungs- und Verzugstendenzen vorhersagen, die Faserausrichtung aussagekr\u00e4ftig darstellen und f\u00fcr weitere Entwicklungsschritte als anisotropes Materialmodell in die Struktursimulation exportieren.<\/p>\n<\/div>\n

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Abbildung 1: Connector mit Ma\u00dfabweichung am Steckerkorb trotz aufgebrachtem Schwindungsma\u00df im Werkzeug<\/div>\n<\/div>\n
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Auswertem\u00f6glichkeiten in der Simulation<\/b><\/p>\n

Grunds\u00e4tzlich lassen sich Faserausrichtungen in die drei Raumrichtungen, sowie in unterschiedlichen Ebenen einzeln auswerten. Die Summe der drei raumabh\u00e4ngigen Einzelwerte ergibt hierbei immer
\n100 %. Liegt f\u00fcr die Raumrichtungen x, y und z jeweils 33% Faserausrichtung vor, wird ein isotropes, d.h. richtungsunabh\u00e4ngiges Verhalten dargestellt.<\/p>\n<\/div>\n

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Abbildung 2: Simulierte Faserausrichtung in z-Koordinate<\/div>\n<\/div>\n
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F\u00fcr den Anwendungsfall des Connectors beschr\u00e4nken wir uns nun auf die Auswertung in der
\nL\u00e4ngsachse (z) durch den Artikel. In Abbildung 2 ist die Auswertung der entsprechenden Faserausrichtung dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass die Fasern im betroffenen linken Steckerkorb gr\u00f6\u00dftenteils in L\u00e4ngsrichtung orientiert sind. Die Simulation zeigt hier Orientierungswerte von bis zu 80 % in z-Richtung. Es kann also von einer Vorzugsrichtung im linken Steckerkorb gesprochen werden, die sich auch mechanisch bemerkbar macht.<\/p>\n

Genau hierin liegt auch die eingangs besprochene \u201eSchwindungsproblematik\u201c der Werkzeugauslegung begr\u00fcndet: Quer zur Faserausrichtung ist die Schwindung im Regelfall deutlich gr\u00f6\u00dfer als in Faserrichtung. Wird nun ein klassischer Mittelwert als Schwindungsaufma\u00df genommen, so spiegelt dies nicht die Realit\u00e4t wider. Mit Hilfe der Simulation k\u00f6nnen also R\u00fcckschl\u00fcsse auf das zu ber\u00fccksichtigende Schwindungsaufma\u00df gezogen und das Werkzeug entsprechend korrigiert werden. W\u00e4re diese Simulation vor dem Bau des Werkzeugs durchgef\u00fchrt worden, so h\u00e4tte man diese Korrekturschleife vermeiden k\u00f6nnen.<\/p>\n

Um unsere Ergebnisse zu validieren und auch eine Feedbackschleife f\u00fcr eine kontinuierliche Verbesserung der Simulation zu ber\u00fccksichtigen, nehmen wir bei BARLOG Plastics stets den Abgleich mit dem realen Bauteil vor. Dementsprechend wurde das Bauteil nicht nur zu Zwecken der Ma\u00dfpr\u00fcfung ins CT geschickt \u2013 auch hier ist die \u00dcberpr\u00fcfung der Faserausrichtung m\u00f6glich! Insbesondere im Bereich der Prototypen bietet es sich an, die Faserausrichtung im realen Artikel zu \u00fcberpr\u00fcfen und R\u00fcckschl\u00fcsse bez\u00fcglich der Bauteilkontur und Anspritzposition zu ziehen, um dies f\u00fcr den Serienartikel\u00a0 gegebenenfalls weiter zu optimieren.<\/p>\n

Faseranalyse mittels Computertomographie<\/b><\/p>\n

Die industrielle Computertomographie (CT) hat sich in den letzten Jahren zu einer unverzichtbaren Methode f\u00fcr die zerst\u00f6rungsfreie Pr\u00fcfung und Charakterisierung von Bauteilen entwickelt. Angefangen bei der vollst\u00e4ndigen Erstbemusterung von Bauteilen, \u00fcber die Visualisierung von Formabweichungen, bis hin zur zerst\u00f6rungsfreien Defektanalyse, bietet die CT eine Vielzahl an Anwendungsfeldern in der Untersuchung von Kunststoffteilen. Eine Teildisziplin ist dabei auch die Analyse des Faserverlaufes. Dazu wird zun\u00e4chst eine Probe pr\u00e4pariert, um eine optimale Sichtbarkeit der Fasern zu gew\u00e4hrleisten. Die Entnahme einer Teilprobe ist notwendig, da nur so die erforderliche Aufl\u00f6sung erreicht werden kann, um die Fasern effektiv im CT bewerten zu k\u00f6nnen.<\/p>\n

Im CT wird die Probe im Anschluss mit R\u00f6ntgenstrahlung durchleuchtet und dabei kontinuierlich rotiert. Aus einer Vielzahl von zweidimensionalen Projektionsbildern kann computergest\u00fctzt ein hochaufl\u00f6sendes
\n3D-Volumenmodell rekonstruiert werden, welches die Faserstruktur im Detail abbildet. Die Fasern k\u00f6nnen nun \u00fcber spezielle Bildverarbeitungsalgorithmen von der umgebenen Matrix \u00fcber die Unterschiede in der Grauwertintensit\u00e4t segmentiert und hinsichtlich verschiedener Parameter quantitativ analysiert werden. Dazu geh\u00f6ren z.B. Faservolumen & -orientierung, aber auch Defekte oder Inhomogenit\u00e4ten.<\/p>\n

Simulationsvalidierung am realen Bauteil<\/b><\/p>\n

Am Beispiel des Connectors kann eine Probe aus der Seitenwand des Steckerkorbes entnommen werden. Als Ergebnis der Analyse l\u00e4sst sich das Diagramm aus Abb. 3 ableiten, welches die Faserorientierung in den unterschiedlichen Raumrichtungen \u00fcber die entnommene Probendicke aufzeigt.<\/p>\n<\/div>\n

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Abbildung 3: Faserverlauf der einzelnen Raumrichtungen \u00fcber Probendicke<\/div>\n<\/div>\n
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Die rote Linie in Abb. 3 zeigt die Orientierung der Fasern in z-Richtung. Wie schon in der Simulation prognostiziert, zeigt auch die Realit\u00e4t eine sehr hohe Orientierung der Randschichten von rund 75% der Fasern in Flie\u00dfrichtung. Im Diagramm l\u00e4sst sich ein weiteres typisches Verhalten von faserverst\u00e4rkten Kunststoffbauteilen herauslesen. In der Kernschicht f\u00e4llt die hohe Orientierung in z-Richtung deutlich ab, w\u00e4hrend die Orientierung in x-Richtung (hellblaue Linie) gleicherma\u00dfen stark zunimmt. Dies liegt daran, dass die Kunststoffschmelze beim Kontakt mit der Werkzeugwand in der Randschicht direkt erstarrt und in Folge zwischen erstarrter Randschicht und noch schmelzef\u00f6rmiger Kernschicht (plastische Seele) ein hoher Geschwindigkeitsgradient entsteht. Diese Scherung sorgt zusammen mit dem biaxialen Str\u00f6mungsprofil der Schmelze f\u00fcr eine l\u00e4ngs Ausrichtung der Faser in Randschichtn\u00e4he und einer Ausrichtung quer dazu in der Kernschicht. Mit Blick auf die gesamte Probe zeigt sich, dass die hochorientierten Randbereiche stark ausgepr\u00e4gt sind und die Kernschicht nur ca. 20% der Gesamtdicke einnimmt. So f\u00fchrt die CT-Analyse am realen Bauteil, analog zur Simulation zu dem Ergebnis, dass die Fasern im Bereich des Steckerkorbes anisotrop ausgerichtet sind und somit eine global angenommene Schwindung nicht zielf\u00fchrend ist.<\/p>\n<\/div>\n

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Abbildung 4: Faserverlauf im CT-Schnitt: Links dargestellt ist die Randschicht, rechts die Kernschicht<\/div>\n<\/div>\n
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Sie haben weitere Fragen oder ben\u00f6tigen Hilfe bei der Umsetzung Ihres Projekts?
\nDaf\u00fcr steht Ihnen unsere CAE-Abteilung gerne unter den unten genannten Kontaktm\u00f6glichkeiten zur Verf\u00fcgung. Sprechen Sie uns gerne an!<\/p>\n

Ihr Kontakt zum Autor f\u00fcr R\u00fcckfragen und fachliche Diskussionen:<\/p>\n

Tobias Haedecke, M. Eng.
\nBereichsleiter \/ Director Engineering
\n+49 160 \/ 271 43 60
\ntobias.haedecke@barlog.de
\nwww.barlog.de\/leistungen\/cae-services\/<\/p>\n<\/div>\n

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