Strömungssimulation in den Konstruktionsprozess integrieren: So klappt es

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Die Hager Group ist ein Anbieter von Kanalsystemen für Elektroinstallationen. Die dafür notwendigen Spritzgusswerkzeuge entwickelt der Hersteller selbst. Mit der Siemens-Lösung Simcenter FLOEFD konnte man die Strömungssimulation in den Konstruktionsprozess integrieren und die Entwicklungszyklen stark verkürzen.

Strömungssimulation: Komplexe Installationskanal-Systeme bestehen aus Kunststoffmaterialien wie Polyvinylchlorid (PVC) und werden in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess auf modernen Fertigungsanlagen hergestellt. Neben der detaillierten Abstimmung der einzelnen Systemkomponenten ist ein mehrstrangiges Spritzgusswerkzeug ein Kernelement dieser Systeme.

Zahlreiche Spezialwerkzeuge bei der Hager Group

Der Mehrstrangaufbau gewährleistet eine effiziente, hohe Ausstoßmenge. Moderne Designtechnologien, eine hohe Produktkomplexität sowie eine Vielzahl an Material- und Farbvarianten haben dazu geführt, dass jedes Jahr mehr spezialisierte Werkzeuge entwickelt und in Betrieb genommen werden.

Die Hager Group ist ein führender Anbieter von Lösungen und Dienstleistungen für Elektroinstallationen in Wohn-, Gewerbe- und Industriegebäuden. Der Geschäftsbereich Tehalit GmbH mit Sitz in Heltersberg gehört seit 1996 zur Hager Group. Der europäische Marktführer entwickelt Kanalsysteme mit hoher Flexibilität für Baustellen- und Montagebedingungen bei gleichzeitiger Einhaltung hoher Sicherheits- und Reliabilitätsstandards. Die Hager Group und Siemens Digital Industries Software arbeiten seit den 1960er Jahren zusammen.

Leitungssysteme müssen Stromleitungen und Datenkabel effizient zu verschiedenen Orten innerhalb von Unternehmen bringen. Dies erfordert eine hohe Flexibilität der Kanallösungen für Produktion, Laboratorien, Praxen und Büroräume.

Unbegrenzte Material-, Farb- und Größenvariationen

Eine der Stärken der Kanalsystemdivision der Hager Group ist die Fähigkeit, Produktionslinien mit einem sehr hohen ­Eigenfertigungs- und Entwicklungsanteil herzustellen. Auch wenn sich das äußere Erscheinungsbild der Systeme in den letzten Jahren nur wenig verändert hat, nimmt die geometrische und systemtechnische Komplexität weiter zu, wobei die Größenunterschiede zwischen 4 x 4 Millimeter und 380 x 120 Millimeter liegen. Hinzu kommen ständig neue Material- und Farbvarianten.

Die Komplexität sowie die Funktionsanforderungen und Qualitätsansprüche an das Spritzwerkzeug steigen, während sich die Durchlaufzeiten verkürzen. 2008 wurden etwa 30 Werkzeuge entwickelt, heute sind es mehr als 50 pro Jahr. Jedes einzelne Werkzeug ist ein spezialgefertigtes Produkt. Mehrere Vier-Strangwerkzeuge wurden mit Hilfe der Siemens-Lösung ­Simcenter FLOEFD in kürzester Zeit erfolgreich in Betrieb genommen und bietet somit einen einzigartigen Wettbewerbsvorteil. Hundert Kilometer Kabelkanäle werden pro Tag ohne Abfall hergestellt, da das Material wieder verwendbar ist. Eines der Hauptziele besteht darin, eine gleichmäßige Schmelzeverteilung am Auslass zu erreichen um die Produktqualität zu erhalten.

Die Konstrukteure der Hager Group sind für den gesamten Entwicklungsprozess ihrer Fertigungsmittel verantwortlich – angefangen vom digitalen Grundkonzept bis hin zur Inbetriebnahme und Endabnahme vor Ort. Dabei kommt es darauf an, unabhängig von externen Interfaces arbeiten zu können, um einen optimalen Entwicklungs- und Konstruktionsprozess zu gewährleisten.

Strömungssimulation im Vorfeld testen

Die Ingenieure verwenden Simcenter ­FLOEFD seit 2008 in der Entwicklung und nutzen dabei die Erkenntnisse aus ihrer ersten Trainingseinheit. Dadurch ist eine schnelle und produktive Implementierung möglich. Dank der Kalibrierungsmöglichkeiten, der zuverlässigen technischen Support-Teams, der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Software sowie den regelmäßigen Workshops, konnten sie ihr Wissen kontinuierlich ausbauen. Neben der Form- und Werkzeugkonstruktion werden Profilkalibrierung sowie die Auslegung der Kühlstrecke simuliert.

Über den fundierten Erfahrungen in der Konstruktion von Spritzgusswerkzeugen hinausgehend, verfügt die Hager Group über ein umfassendes theoretisches Know-how, das Wissen über die Eigenschaften und die physikalischen Bedingungen für nicht-newtonsche Materialien sowie über entsprechende Viskositätsmodelle. Darüber hinaus haben die Ingenieure tiefere Einblicke in den Schergeschwindigkeitsbereich gewonnen, den die neuen Werkzeuge abdecken müssen.

PVC, vor allem mit mehreren Zusätzen, ist eines der am schwierigsten zu bestimmenden Materialien für spezifische Eigenschaften. Gleichzeitig wird das Material oft an den Temperaturgrenzen des komplexen Formwerkzeugs verarbeitet, was ohne Simulation nicht abschätzbar ist. Insbesondere die vollständige Einbettung von Simcenter FLOEFD in PTC Creo, in Kombination mit der automatischen Netzgenerierung, ermöglicht mehr und schnellere Optimierungsläufe.

Extrem verkürzte Entwicklungszyklen durch Strömungssimulation

Die Entwicklungszyklen der Spritzgusswerkzeuge konnte man auf diese Weise deutlich verkürzen. Durch den Einsatz von Simcenter FLOEFD ließ sich die Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) in den Konstruktionsprozess integrieren. Der verantwortliche Konstrukteur kann sie selbstständig durchführen und auswerten.

„Während wir 2008 mehrere Tage für die Berechnung benötigten, sind die Durchflussanalysen für unsere Spritzgusswerkzeuge jetzt bereits nach wenigen Stunden abgeschlossen, und wir können Modelle mit bis zu 15 Millionen Zellen berechnen“, betont Bernd Trapp, Konstrukteur für Spritzgusswerkzeuge bei der Hager Group.

Jedes Spritzgusswerkzeug ist einzigartig und wird nach der Entwicklung direkt an der Anlage in Betrieb genommen und angepasst. Für jedes Projekt erfolgt während der Inbetriebnahme an der Fertigungslinie ein Abgleich zwischen der Strömungssimulation und dem Fließteil, die Erkenntnisse fließen dabei kontinuierlich in den Simulationsprozess ein.

Erweiterung der Anwendungsbereiche

Die Einsatzgebiete von Simcenter ­FLOEFD werden ständig erweitert. Zunächst hat man das Fließverhalten in den Spritzwerkzeugen optimiert, sprich: die Fließgeschwindigkeit, der Druck, die Viskosität, die Schergeschwindigkeit, die Temperatur, die Schubspannung sowie die Druckverteilung im Werkzeug. Im Anschluss daran erfolgte die thermische Auslegung der Kalibrierwerkzeuge unter besonderer Berücksichtigung der Materialeigenschaften, sowie eine Kühlungsoptimierung für das Kalibrierwerkzeug. Anschließend folgten Partikelstudien sowie Analysen der Extraktionssysteme an der Presslinie. Am Ende werden die Ergebnisse in weitere Simulationen wie Strukturanalysen übertragen.

Seit 2008 ist Simcenter ­FLOEFD das Tool der Wahl für viele Anwendungsbereiche, da sich damit vermeiden lässt, für jeden Bereich unterschiedliche Systeme zu verwenden. Simcenter ist Teil von Xcelerator, einem umfassenden und integrierten Portfolio an Software und Dienstleistungen von Siemens Digital Industries Software.

Strömungssimulation für das optimale Endergebnis

„Als wir anfingen, konzentrierten wir uns hauptsächlich auf die Fließgeschwindigkeit und Scherspannung der nicht-newtonschen Materialien“, erläutert Trapp. „Inzwischen ist die Software zum bevorzugten Programm für viele verschiedene Anwendungen geworden. Hinsichtlich der Strömungsverhältnisse lassen sich unsere Geräte jetzt von Anfang an durch Simulationen optimal auslegen. In Kombination mit unserer Erfahrung mit Schrumpfung und Kontraktion können wir ideale Werkzeuge entwerfen.“

Stefan Spies, Leiter der Werkzeugentwicklung bei der Hager Group fügt hinzu: „Heute werden für jedes Werkzeug drei bis zehn Schleifen im Voraus simuliert, wobei auch Änderungen im Ramp-up-Prozess berücksichtigt werden. Die Anforderungen an unsere Instrumente in Bezug auf Qualität, Leistungsfähigkeit und Zykluszeiten steigen kontinuierlich. Gleichzeitig werden unsere Kanalsysteme immer komplexer. Mit Simcenter FLOEFD meistern wir diese Herausforderungen sehr gut. Unser Ansatz von 2008 war, dass jedes Spritzwerkzeug durch den verantwortlichen Konstrukteur mit Simulation während des Konstruktionsprozesses optimiert werden sollte. Dies ist inzwischen bewährte Realität.“

Die Verfasserin Bettina Greiffer ist freie Autorin in München.

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