Polymere Werkstoffe sind Materialien bestehend aus Makromolekülen. Dazu zählen neben den durch Lebewesen erzeugten Biopolymeren vor allem die synthetischen und halbsynthetischen Polymere, besser bekannt als Kunststoffe. Durch ihre geringe Dichte und die kostengünstige Herstellung selbst komplexer Bauteile sind sie im Leichtbau besonders beliebt. Kunststoffe sind in gigantischer Vielfalt vertreten. Durch unzählige Zusatzstoffe lassen sich die so genannten Basispolymere den jeweiligen Anforderungen anpassen. Allen gemein ist jedoch die große Temperatur- und Zeitabhängigkeit schon bei viel geringeren Temperaturen und Zeiten im Vergleich zu Keramiken oder Metallen. Die Auslegung, Berechnung und Struktursimulation ist deshalb besonders anspruchsvoll. Hinzu kommt die Beeinflussung der Materialeigenschaften durch den Fertigungsprozess.


Die Struktursimulation von Kunststoffen lässt sich in drei Bereiche einteilen:

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Temperaturverlauf einer Pumpe im Schnitt (FEM-Berechnung)

Temperaturverlauf einer Pumpe im Schnitt (FEM-Berechnung)

Temperaturverlauf einer Pumpe im Schnitt (FEM-Berechnung)

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Stefan Merkle

Strömungssimulation

Wir lösen einfache bis komplexeste Aufgabenstellungen von der reinen Kanalströmung bis zu bewegten Gittern, chemischen Reaktionen und gekoppelte Themen (Strahlung / Strömung / Struktur).

Dies beinhaltet unter anderem auch Schüttungen, das Verhalten von Partikeln in Fluiden, Mehrphasenströmung, Tankschwappen, Freibewitterung, nichtnewtonsche Flüssigkeiten.

Speziell im Druckbehälterbereich berechnen wir folgende Aufgabenstellungen:

Kurzfaserverstärkte Kunststoffe

Unter kurzfaserverstärkten Kunststoffen versteht man meist Thermoplastische Kunststoffe die mit Glasfasern gefüllt sind. Diese haben typische Längen von 0,1 – 1 mm und Durchmesser von 9 – 15 μm. Kurzfaserverstärkte Kunststoffe lassen sich im Spritzgussverfahren zu kostengünstigen, funktionsintegrierten Bauteilen mit besonders hoher Steifigkeit, Festigkeit und geringer Kriechneigung verarbeiten.

Allerdings zeigt das Material durch die Fasern und deren Orientierungen ein ausgeprägt anisotropes Verhalten. Bei einer strukturmechanischen Berechnung sollte dieses Verhalten unbedingt berücksichtigt werden. Dadurch kann z. B. der Ort und die Beanspruchung eines Bauteils bei Versagen wesentlich präziser berechnet werden.

Herkömmliche Berechnungen mit vereinfachtem isotropem Materialmodell und Spannungs-Dehnungs-Kurven aus Datenblättern sind in der Regel nie konservativ!

Auch bei Schwingungsanalysen hat die Anisotropie Einfluss auf beispielsweise die Eigenfrequenzen und die Eigenformen.

Um die Faserorientierung zu bestimmen wird zunächst eine Füllsimulation durchgeführt. Anschließend werden die Orientierungen auf das strukturmechanische FE-Netz gemappt und eine anisotrope Materialkarte definiert.

Damit können die unterschiedlichen Steifigkeiten längs und quer zur Faser beschrieben werden. Die unterschiedlichen Festigkeiten längs und quer zur Faser, lassen sich über Versagenskriterien berücksichtigen. Durch die Berücksichtigung der Faserorientierung in der Struktursimulation lassen sich materialgerechte Auslegungen durchführen. Zudem können Maßnahmen, wie das Optimieren der Angussposition, abgeleitet werden, um eine optimale Faserorientierung in hochbelasteten Bereichen des Bauteils zu erreichen.

Kunststoffe weisen eine hohe Temperatur- und Zeitabhängigkeit auf. Auch diese Effekte lassen sich bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Faserorientierung in die Berechnung einbeziehen. So lässt sich beispielsweise Dehnratenabhängigkeit oder das Kriechen eines kurzfaserverstärkten Kunststoffes anisotrop beschreiben.

Der Mehraufwand für eine Berechnung mit anisotropem Material ist das Erstellen einer anisotropen Materialkarte und das Durchführen einer Spritzgusssimulation zur Ermittlung der Faserorientierung. Da für die Werkzeugauslegung meist ohnehin eine solche Simulation durchgeführt wird, fällt die Information der Faserorientierung quasi als Nebenprodukt an. Die strukturmechanische Berechnung selbst fordert keinen wesentlichen Mehraufwand im Vergleich zu einer herkömmlichen Simulation. Der Mehrwert ist ein wesentlich präziseres Ergebnis der Simulation! Auch Medienaufnahme und Alterung kann in der Berechnung berücksichtigt werden.

Gerne unterstützen wir Sie bei der Auslegung und Berechnung ihrer Kunststoffbauteile. Sprechen Sie uns an und senden Sie uns eine E-Mail.

Thermoplaste

Thermoplaste sind aufschmelzbar und die Steifigkeit allgemein temperatur-sensitiver als bei den chemisch vernetzten Duroplasten. Thermoplaste werden mit Abstand am häufigsten eingesetzt, da sich aus ihnen innerhalb kürzester Zeit komplexe, funktionsintegrierte Bauteile herstellen lassen. Typische Anwendungen sind Gehäuseteile oder Schnappverbindungen. Bei der Simulation können Dehnratenabhängigkeiten, Kriech- und Relaxationsvorgänge ebenso wie Bindenähte oder Füllstoffe, z. B. Kurzfasern, berücksichtigt werden. Typische Berechnungsaufgaben sind Montage-Demontage-Simulationen eines Schnappverschlusses zur Ermittlung von Montage-Demontage-Kräften oder Spannungen und Dehnungen. Hierbei kann z. B. auch ein zyklischer Montage-Demontage-Vorgang oder das Kriechen nach einer Montage berechnet werden.
Auch Kombinationen beispielsweise mit Elastomer -Dichtungen sind möglich.

Auch Medienaufnahme und Alterung kann in der Berechnung berücksichtigt werden.

Gerne unterstützen wir Sie bei der Auslegung und Berechnung ihrer Kunststoffbauteile. Sprechen Sie uns an und senden Sie uns eine E-Mail.

Elastomere

Der Siegeszug der Elastomere begann bereits im 18. Jahrhundert. Damals wurde Latex als Radiergummi entdeckt. Mit der Erfindung des Luftreifens stieg der Bedarf an Gummi drastisch. Bis heute werden aus etwa 90% des produzierten Gummis Reifen hergestellt. Allerdings gibt es viele weitere Anwendungen bei denen Elastomere unerlässlich sind, so z. B. bei Dichtungen oder Lagern. Elastomere sind meist chemisch vernetzt, mit Ausnahme der immer beliebter werdenden thermoplastischen Elastomere.

Elastomere sind weitestgehend inkompressibel und können sehr große Dehnungen erreichen. In der Berechnung werden hier hyperelastische Materialmodelle verwendet.

Elastomere sind viskoelastische Werkstoffe, ihr Verhalten ist daher zeit- bzw. frequenzabhängig. Bei schneller Beanspruchung bzw. hohen Frequenzen reagieren Elastomere daher wesentlich steifer. Durch eine DMA (Dynamisch-Mechanische-Analyse) lassen sich solche Werkstoffeigenschaften ermitteln und für die Simulation verwenden. Bei langanhaltenden Belastungen beginnen Elastomere zu kriechen. Gerade bei Dichtungen ist die Frage essentiell, ob nach jahrelanger Belastung eine Dichtung immer noch dicht bleibt. Durch zeitgeraffte Werkstoffprüfungen und die FEM lassen sich solche Fragestellungen innerhalb kurzer Zeit beantworten.

Typisch für Elastomere, vor allem gefüllter Elastomere ist der Mullins-Effekt. Nach der ersten, sogenannten jungfräulichen Belastung, findet bei einer erneuten Belastung eine Spannungserweichung statt, die auf Mikroschädigungen im Material zurückzuführen ist. Beispielsweise nach der Montage einer Dichtung hat das Material anschließend andere Eigenschaften als zuvor. Dieser Effekt lässt sich in der Berechnung berücksichtigen.

Gerne unterstützen wir Sie bei der Auslegung und Berechnung ihrer Kunststoffbauteile. Sprechen Sie uns an und senden Sie uns eine E-Mail.

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