FEM für Kunststofftechnik

11B2320

Bachelor

Deutsch

5.0

nur Wintersemester

1 Semester

Die Auslegung und Dimensionierung von Kunststoffbauteilen erfolgt heutzutage mittels CAE (Computer Aided Engineering). Dazu gehören insbesondere auch die Fließsimulation des Spritzgießprozesses und die Struktursimulation zur Beurteilung von Steifigkeit und Festigkeit mittels Finite Elemente Methode (FEM). In Bezug auf die Prozesssimulation erlernen die Studierenden zunächst die Grundlagen des Fließ- und Erstarrungsverhaltens der Kunststoffe kennen. Auch wird hier auf die Möglichkeiten der Modellierung dieses Verhaltens eingegangen. Gleiches gilt für die Struktursimulation. Neben der Erläuterung der Materialmodellierung für Steifigkeits- und Festigkeitsanalysen werden auch die Grundlagen der FEM in groben Zügen erläutert. Besonderer Fokus ist hier vor allem die herausfordernde Modellierung des nichtlinear viskoelastischen Materialverhaltens der Kunststoffe. 

In der Übung erlernen die Studierenden dann den Umgang mit einer kommerziellen Fließsimulationssoftware (z.B. Moldflow) und mit einer kommerziellen Struktursimulationssoftware (z.B. Abaqus) kennen. Der Fokus liegt hier vor allem in der richtigen Auswahl und Kalibrierung der Materialmodelle und in der Interpretation der Simulationsergebnisse.

Im Rahmen der Hausaufgabe führen die Studierenden dann beide Simulationen für ein Kunststoffbauteil durch, welches sie im Rahmen des Moduls „Konstruktion und CAD“ selbst entworfen haben.

Theoretische Grundkenntnisse:

• Fließ- und Abkühlverhalten der Kunststoffe
• Mechanisches Verhalten der Kunststoffe
• Grundlagen der Materialmodellierung für Fluid- und Struktursimulationen
• Kenntnisse zu Möglichkeiten aber auch Grenzen der Simulation
• Einordnung des CAE in die Produktentwicklungskette der Kunststoffe

Spritzgießsimulation

• Einführung in den Spritzgießprozess
• Vergleich Spritzgießprozess und Simulation: Spritzgießparameter/Qualitätskennwerte
• Werkzeugtechnik
• Angusstechnik

Praktikum zur Spritzgießsimulation

• Importieren und Vernetzen einer Bauteilgeometrie
• Überprüfung und Optimierung der Vernetzung
• Ermittlung und Optimierung der Anspritzpunkte
• Erarbeiten einer Angussstrategie und eines Angusssystems
• Erarbeiten und Umsetzen einer Kühlstrategie
• Berechnung von Schwindung und Verzug
• Ermittlung der Parameter für eine optimale Füllung und Bauteilqualität

Struktursimulation

• Grundlegende Vorgehensweise in der FEM
• Erzeugung eines FE-Modells (Elementeigenschaften, Elementtypen, Gesamtmodell)
• Was bedeutet "kunststoffgerechte Simulation"?
• Berechnung einfacher Lastfälle und Vergleich mit analytischen Lösungen

Praktikum in der Struktursimulation

• vorhandenes Bauteil vernetzen
• Materialmodell kalibrieren
• Lastfall aufbringen
• Beanspruchungssituation ermitteln
• Entscheidung ob Beanspruchung zulässig oder nicht
• Optimierung zum Erreichen einer zulässigen Beanspruchung

Der Arbeitsaufwand für das Modul umfasst insgesamt 150 Stunden (siehe auch "ECTS-Leistungspunkte und Benotung").

• Hausarbeit und mündliche Prüfung oder
• Hausarbeit und Klausur

Die Wahl der Prüfungsart aus den vorgegebenen Optionen obliegt den jeweils Prüfenden. 
Die Wahl der Prüfungsart wird den Studierenden zu Semesterbeginn mitgeteilt.

• Hausarbeit: ca. 15-20 Seiten
• mündliche Prüfung: siehe jeweils gültigen Allgemeinen Teil der Prüfungsordnung
• Klausur: siehe jeweils gültige Studienordnung

Kenntnisse aus Grundlagen Mathematik, Statik, Grundlagen Werkstofftechnik Festigkeitslehre, Werkstoffkunde Polymere

Die Studierenden erlernen folgende Punkte:

• das rheologische Verhalten von Kunststoffschmelzen
• das Abkühlverhalten von Kunststoffschmelzen im Hinblick auf Schwindung und Verzug
• Anguss- und Kühlkonzepte für Spritzgießwerkzeuge
• Berechnungsmethoden bei der Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse mittels FEM
• Das mechanische Verhalten der Kunststoffe hinsichtlich einer Materialmodellierung für die FEM

Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage,

• Ergebnisse für Fließsimulationen zu erzeugen und zu interpretieren
• Ergebnisse für Struktursimulationen mittels FEM zu erzeugen und zu interpretieren
• die Ergebnisse einer Struktursimulation auszuwerten und mittels Festigkeitsanalyse zu beurteilen
• Maßnahmen für die rheologische und mechanische Optimierung von Kunststoffbauteilen abzuleiten.

Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage, Kunststoff-Spritzguss-Bauteile selbstständig mit Methoden des CAE komplett auszulegen. Weiterhin sind sie auch in der Lage das erlernte Wissen auf (Kunststoff-)Bauteile zu übertragen, die aus anderen Werkstoffen (Werkstoffkombinationen) bestehen und mittels anderer Produktionsverfahren gefertigt wurden.

Im Rahmen des Praktikums und der Hausaufgabe wenden die Studierenden das erlernte Wissen auf die Auslegung eines Spritzgießwerkzeugs und die Strukturmechanik eines realen praxisrelevanten Bauteils an.

Die Hausarbeit wird in Kleingruppen erstellt und ist so formuliert, dass die Studierenden stets die Plausibilität ihrer Ergebnisse untereinander abstimmen und bewerten müssen.

• Krumpholz, Thorsten

• Krumpholz, Thorsten