Simulation hybrider Druckguss-Spritzgusskomponenten

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Simulation hybrider Druckguss-Spritzgusskomponenten

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Bei der Herstellung eines Dachspitzenhalters werden die geforderten Eigenschaften, nämlich hohe Dehnung des Grundwerkstoffs, Korrosionsbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften, durch die Verwendung einer Speziallegierung, das Beschichten des Druckgussteils und vor allem durch das Anspritzen mit Kunststoff realisiert. Auf diese Weise entsteht ein Hybrid-Bauteil, das allen Anforderungen entspricht. Nur durch den Verbund beider Werkstoffe konnten die geforderten Eigenschaften des Bauteils erreicht werden.

Bei der Wagner AG aus der Schweiz wird der Druckgussprozess im ersten Schritt mit der gießtechnischen Simulation von Magma5 ausgelegt und optimiert. Hierbei werden das Füll- und Erstarrungsverhalten analysiert und die Bauteil- und Angussgeometrie durch mehrere Optimierungsschleifen optimiert. Die Simulation berücksichtigt dabei alle Schritte des Druckgussprozesses. Dabei ist für die Auslegung des Gießprozesses immer ein Kompromiss bei der möglichen Einformlage im Werkzeug und der Positionierung des Anschnitts am Bauteil erforderlich.
Um trotz der eingeschränkten Freiheitsgrade einen bestmöglichen Kompromiss bei der Auslegung des Prozesses realisieren zu können, werden zur Optimierung verschiedene Ergebnisse der Magma5-Kriteriumsfunktionen, die aus der Formfüllsimulation zur Verfügung stehen, herangezogen. Einen speziellen Fokus legt Wagner auf die Bewertung von zwei Kriterien. Das Ergebnis AIRENTRAPMENT bietet Aufschluss über die Verteilung der eingeschlossenen Luft, während MATERIALTRACE aufzeigt, welcher Schmelzeanteil aus welchem Anschnittsegment in die Kavität des Bauteils gelangt und wie dieser im Bauteil verteilt wird. Die Verteilung der Schmelze wird in der Simulation dadurch sichtbar, dass der jeweilige Schmelzeanteil aus den verschiedenen Anschnittsegmenten unterschiedlich farblich gekennzeichnet wird. Damit lassen sich mögliche Änderungen der Anschnittlage und der Anschnittquerschnitte sowie Änderungen der Anbindungswinkel einzelner Anschnittsegmente simulieren und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Füllung des Bauteils sehr deutlich farblich sichtbar machen. Eine optimierte Anschnittauslegung gestaltet sich dadurch wesentlich leichter.

MAGMA5-Kriteriumsfunktion AIRENTRAPMENT zeigt die Verteilung und Konzentration der Luft im Bauteil.

Die Erstarrungssimulation zeigt Erstarrungsverlauf und die Wärmezentren des Bauteils. Im Abgleich mit den Anforderungen an das Bauteil und den weiterführenden Bearbeitungsschritten konnte Wagner beurteilen, ob weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Erstarrungsbedingungen notwendig sind.
Durch die Positionierung der Anschnittsegmente konnten die Experten von Wagner nicht nur die Formfüllung beeinflussen. Die direkte Anbindung in der Nähe der Materialanhäufungen und somit der Wärmezentren erhöht darüber hinaus die Nachdruckwirkung in diese Zonen. Damit wurden erstarrungsbedingte Porositäten soweit wie notwendig minimiert.

Weniger Musterschleifen
Durch den Einsatz von Magma5 konnte die Wagner AG die Anzahl Musterschleifen pro Druckgusswerkzeug deutlich reduzieren.
Für die Auslegung der Hybrid-Bauteile sieht Wagner den großen Vorteil, dass sich mit Sigmasoft auch der zweite Fertigungsschritt, nämlich die Umspritzung des Druckgusseinlegeteils mit Kunststoff, simulieren lässt.
Basis für die Berechnung der thermoplastischen Komponente sind die Kavitäts- und Werkzeuggeometrien sowie die genaue Definition des Spritzgießprozesses (unter anderem Massetemperatur, Spritzprofil, Nachdruck, Restkühlzeit). Darüber hinaus werden sowohl die thermischen als auch die mechanischen Eigenschaften des Druckgusseinlegeteils berücksichtigt.
Durch die Simulation können schon sehr früh im Entwicklungsprozess mögliche Schwachstellen des Bauteils erkannt und optimiert werden. Einfache Fragestellungen wie die Füllbarkeit der Kavität lassen sich ebenso beantworten wie komplexe Zusammenhänge zwischen Scherspannungen und Polymerschädigung. Über eine gezielte Beeinflussung des Spritzprofils kann die Materialschädigung auf ein Minimum reduziert werden. Vergleichbar zu MAGMA5 lässt sich mit den Tracer-Teilchen die Materialhistorie verfolgen. Werden Bindenähte als potenzielle Schwachstellen nicht mehr durchmischt, können die mechanischen Kennwerte deutlich verringert sein. Auch hier können Tracer-Partikel Aufschluss über die Durchmischung geben. Damit sind auch weitreichende Aussagen über die aus dem Spritzgießprozess resultierenden Bauteileigeschaften zu treffen.
Die Berechnung der Erstarrung des Bauteils liefert Aussagen darüber, wie lange Nachdruck in der Kavität wirken kann. Die Wirkung des Nachdrucks ist entscheidend für die Bauteilqualität. Die Auswertung zeigt, dass die dünnwandige Verbindung zwischen den beiden dickwandigen Bereichen frühzeitig erstarrt, und die angussfernen Bereiche nicht mehr mit Nachdruck versorgt werden. Die thermische Schwindung kann also nicht über nachgeführte Masse kompensiert werden. Hier sind deshalb Einfallstellen zu erwarten, die die Oberflächenqualität des Bauteils stark beeinflussen.

Füllsimulation mit Sigmasoft.

Verzugsanalyse
In Verbindung mit der Erstarrung des Bauteils wird die Verzugsanalyse durchgeführt. Hier kann die Verformung des Bauteils aufgrund innerer und äußerer Spannungen in der Abkühlphase berechnet werden. Die Maßhaltigkeit des Bauteils ist oft eines der zentralen Qualitätsmerkmale. Schon leichte Verzüge können dazu führen, dass die Funktion des Bauteils nicht mehr gewährleistet wird oder das Bauteil nicht verbaut werden kann.
Hybride Bauteile erlauben es, zusätzliche Funktionen in das Bauteil zu integrieren und gleichzeitig Kosten und Gewicht zu reduzieren. Bei der Entwicklung dieser Hybride hat sich die Simulation mit MAGMA5 und SIGMASOFT als wertvolles Hilfsmittel etabliert, um Kosten für ungeplante Werkzeugänderungen und Bemusterungsschlaufen im Nachhinein zu reduzieren, und die gewünschte Funktionalität des Bauteils auf Anhieb zu gewährleisten. 

Autor: Dipl.-Ing. ETH Marc Fuchs

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