03. Nov 2020

Wozu FEM-Simulationen?

FEM-Simulationen sind ein zweischneidiges Schwert. Mit einer FEM-Simulation ist es möglich schon im Vorfeld zu prüfen, ob ein Bauteil versagt. Das Bild auf der linken Seite zeigt die Belastungen eines Kunststoffteils, was hohen Anforderungen genügen muss.
Wieso sind FEM-Simulationen ein zweischneidiges Schwert? Wichtig ist die Interpretation der Ergebnisse und was daraus folgt. Ursprünglich war die Geometrie anders gedacht, nur hat sie den Anforderungen nicht genügt. Die finale Version hat eine komplett andere Geometrie, die der gewünschten Last entspricht. Wichtig ist dabei auch die Berücksichtung von möglichen Spannungsüberhöhungen, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen. In diesem Fall erfüllt die Kombination aus der Geometrie und dem Material alle Anforderungen.

Eins der ursprünglichen Ziele, das Werkzeug so einfach wie möglich zu halten, kann auch erfüllt werden. Die einzige Möglichkeit die Anforderungen mit der Ursprungsgeometrie zu erfüllen, wären mehrere tragende Elemente, die das Werkzeug deutlich komplizierter und teurer gemacht hätten. Weiterhin wäre mehr Material notwendig gewesen.
FEM-Simulationen spielen ihre Stärke schon in der Entwicklungsphase aus, wenn Bauteile mechanischen Eigenschaften genügen müssen. Nur muss dies zeitnah geschehen und die Auswertung muss auch die Bruchmechanik berücksichtigen.
 

21
Okt
2020

Wer billig kauf, kauft zweimal #2

Am falschen Ende sparen, hat mehrere Effekte. Bei dem schon erwähnten Einsatz ist auch ein zweiter Riss entstanden, der hätte vermieden werden.

Hier ist der Riss oben sehr gut sichtbar und Wasser tritt aus. An dieser Stelle sind drei Effekte eingetreten, die zum Versagen geführt haben.

  1. Korrosion
  2. Kavitation
  3. Thermische Spannung

Durch die geringe Durchflussmenge steigen die Temperaturen im Wasser von 30°C auf 130°C an.  Das Wasser führt somit zu einer stark erhöhten Korrosionsgeschwindigkeit. Durch die Nutzung von H13/1.2344 als Hybridmaterial fungiert der 1.2709 als Opferanode. Das teure Material schützt somit das günstige Material, was nicht hilfreich ist. Gegen die Korrosion hilft eine Kühlkanalbeschichtung , aber diese kann die anderen zwei Ursachen nicht abstellen.

Die 130°C Wassertemperatur führen dazu, dass das Wasser am Fließwegende anfängt zu verdampfen. Diese kleine Dampfblase fällt in sich zusammen und belastet dadurch das Gefüge. Über die Zeit wird jedes Material geschädigt und auch jede Beschichtung. Verhindern lässt sich dies durch eine passende Durchflussmenge.

Durch die stark inhomogene Temperierung, gibt es verschiedene Ausdehnungen des Materials. Das führt zu thermischen Spannungen. In dem Fall sind die Spannungen so hoch, dass sofort beim ersten Zyklus ein Riss entsteht, der weiterwachsen wird. Da hier keine Beschichtung verwendet wurde, ist noch Wasser in den Riss eingedrungen und die Kavitation konnte greifen.

Aus den drei Gründen ist der Riss erst am Fließwegende aufgetreten und nicht zu Beginn. Am Beginn ist die Wassertemperatur gering und die Kavitation im Riss ist deutlich geringer.

Die Lebensdauer dieses Einsatzes lässt sich drastisch erhöhen. Wichtig ist eine sehr hohe Durchflussmenge, die auch in der Produktion ermöglicht werden muss, eine homogene Temperierung und eine Beschichtung. Die hohe Durchflussmenge vermeidet die Kavitation. Mit der Beschichtung der Kühlkanäle wird der Korrosion entgegengewirkt und mit der homogenen Temperierung wird die Spannung klein gehalten. Als dies führt zu einer sehr hohen Lebensdauer der Einsätze, die letztendlich nur noch vom Oberflächenverschleiß abhängig ist.

 

13
Okt
2020

Wer billig kauft, kauft zweimal

Alter Spruch, aber leider immer wieder aktuell. Auf dem Bild sieht man den Mix aus 1.2344/H13 für den Hybrid und 1.2709 für die Kontur. Ein Riss hat sich ergeben, der den Kunden überrascht hat. Dieser Einsatz ist einer von vier, aber der einzige mit diesem Riss. Den Kunden hat es deswegen überrascht, weil dieser Einsatz einen anderen Riss hat und die Ursache war ihm auch unklar.

Neben der beschleunigten Korrosion führt diese Materialkombination auch zu einer hohen mechanischen Belastung. Der 1.2709 schrumpft beim Härten um ca. 0,09% und ändert somit ganz leicht die Geometrie. Es klingt nicht nach viel, nur ergibt sich in der Kombination mit 1.2344/H13 und 1.2709 eine Grundspannung knapp etwas mehr als 200MPa. In diesem Fall umgibt die Materialkombination aus 1.2709 und 1.2344/H13 noch eine Aluminiumschmelze mit ca. 8-9mm Wandstärke. Während der Abkühlung des Aluminium entstehen Kristalle, die reichlich Wärme abgeben und die Temperatur bleibt lange Zeit konstant. Hier kommt der Wärmeausdehnungskoeffizient zum tragen. Beide Stahlsorten fangen an sich aufzuheizen und erreichen sehr hohe Temperaturen. Der 1.2344/H13 hat einen um ca. 10% höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten und fängt an am 1.2709 zu zerren. Die auftreten Scherspannungen sind für den 1.2709 zu hoch und der Riss fängt an zu wachsen. Irgendwann ist der Riss vollständig und der Einsatz ist zerstört.

Gegen diesen Fehler hilft letztendlich nur die Nutzung des gleichen Materials für den Hybrid und die Kontur. Dieser Fehler hätte somit vermieden werden können. Der Aufpreis für den Hybrid aus 1.2709 verlängert die Lebensdauer deutlich und ist im Verhältnis zur Steigerung der Lebensdauer relativ günstig. Auf Dauer ist also die Nutzung der teuren Einsätze günstiger.

 

01
Okt
2020

Es war einiges los

Ein bisschen still war es hier im Blog, aber das hatte auch seine Gründe. Vermehrte Anfragen zu Projekten und einiges an Entwicklungsarbeit in einem Bereich außerhalb der Kunststofftechnik, haben sehr viel Zeit gefressen. So ist nun eine neue Dienstleistung entstanden. Nun geht es weiter und ich greife Stück für Stück einfach die Themen auf, die sich in den letzten Wochen ergeben haben.

Den Anfang macht dieses Bild. Es entstand Anfang letzten Jahres und zeigt zwei verschiedene Stahllegierungen. Oben befindet sich ein Stück auf 1.2709 und unten ein Stück aus 1.2343. Beides lag in dem Aufbau knappe 60 Stunden in Salzwasser ein, damit eine Fragestellung beantwortet werden konnte. Die Frage war relativ simpel, hat aber weitreichende Folgen.

"Wieso sind alle Einsätze nach 1,1 Millionen Schuss an der gleichen Stelle kaputtgegangen?". 

Dieser Kunde ist im Bereich Packaging unterwegs und normalerweise halten solche Einsätze locker 10 Millionen Schuss und mehr aus, ohne das was passiert. In dem Fall war es anders. Es wurde konturnahe Temperierung genutzt, wo der Hybrid aus 1.2343 bestand und die Kontur aus 1.2709. An der kritischen Stelle gaste nun der im Wasser gelöste Sauerstoff aus, weil die Wassertemperatur anstieg. Was hat dies nun mit dem Bild zu tun? Der Stahl 1.2709 ist unedler als der 1.2343 und fungierte nun als Opferanode. Die elektrochemische Reaktion tritt ein und zerstört den wichtigen Bereich in kurzer Zeit. Zeitgleich bleibt der 1.2343 vor Korrosion geschützt. Das was auf dem Bild sichtbar ist, ist der abfallende Rost vom 1.2709. Der untere Teil des 1.2343 spiegelte nach den 60 Stunden immer noch der Rost lies sich auch ohne Aufwand abreiben.

In dem Fall war die vermeintlich günstigere Lösung deutlich teurer. 

31
Aug
2020

Nur ein profaner Joghurtbecher?

Je einfacher die Geometrie scheint, umso schwieriger ist es diese zuverlässig und mit hoher Qualität herzustellen. Ein Artikel aus der Verpackungsbranche, wie ein Joghurtbecher, wird in hohen Stückzahlen hergestellt. Dabei muss jeder Becher den gleichen Qualitätsanforderungen genügen, damit der Endkunde stets ein zuverlässiges Produkt erhält. Nichts ist ärgerlicher als ein unvollständig gefüllter Becher, der am Ende den Sauerstoff an den Joghurt lässt und verschimmeln lässt. Oder ein scharfer Grat, an dem sich der Kunde schneiden kann, wie im ersten Bild zu sehen. Nur wie entsteht dieser scharfe Grat?

Hierzu habe ich den Joghurtbecher in den groben Abmessungen nachkonstruiert und in die Simulationssoftware eingelesen.
Deutlich wird hierbei, dass der Fuss früh gefüllt wird. Bis der restliche Becher vollständig gefüllt ist, erfährt der Fuss einen steigenden Fülldruck und der noch schmelzeflüssige Kunststoff wird in die Entlüftung gedrückt und bildet den Grat. Wie kann dies verhindert werden? Anhand der Materialeigenschaften, des für die Simulation gewählten Kunststoffs, habe ich den Artikel leicht modifiziert. Während der Füllphase kann der Kunststoff im Fuss schnell genug abkühlen, dass der Fülldruck nicht mehr den Kunststoff in die Entlüftung drückt. Der Grat wird konstruktiv verhindert und ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist somit nicht mehr von den Maschineneinstellungen oder den Materialschwankungen abhängig.

Durch die Geometrie des Bechers, ist der Fuss nicht der Bereich, der die höchste Last erfährt, sondern der Übergang zwischen Fuss und Becher. Da dieser unverändert ist, bleibt die Stabilität des Bechers unverändert.

Weiterer Vorteil ist eine kleine Materialeinsparung von 2%, die sich zeitgleich in einer ebenso großen Energieersparnis niederschlägt. Für die Herstellung von 1 Million Becher mit jeweils 8g Gewicht, werden 160kg weniger Kunststoff benötigt.
Ebenso muss das Werkzeug nicht mehr so häufig gewartet werden, da deutlich weniger Kunststoff in die Trennung fließt und Qualitätsprobleme wie Brenner reduziert. Die gezielte Artikelmodifikation hinsichtlich der Kunststoffeigenschaften bietet viele Vorteile, die sich schnell monetär niederschlagen. 

21
Aug
2020

Überlast ist schnell erreicht

Kunststoffteile halten nicht viel aus? Hängt davon ab.

Hier betrifft es einen Drehknauf einer Bandsäge. In der Aussparung ist eine M8-Schraube versenkt, die die Kraft der Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandelt. In dem Fall ist das Teil nicht in Ordnung und die Abmaße passen nicht mehr. Die Aussparung ist größer als geplant und somit greift die kleine Kraft auf eine größere Fläche. Durch die so erhöhte Belastung, versagt der Kunststoff plastisch.

Wieso ist die Aussparung größer als geplant? Bei dem Knauf wird mittels eines Kaltkanals die Kavität gefüllt. Was passiert mit dem Kaltkanal zum Ende des Zyklus? Dieser wird eingemahlen und dem Prozess unkontrolliert wieder zugeführt. Das sorgt für eine Degeneration des Kunststoffs und dieser ändert die Eigenschaften. In diesem Fall betrifft es die Viskosität und die Wärmekapazität. Der Grat an den Auswerferbohrungen ist sichtbar da. Durch die reduzierte Wärmekapazität friert der Anguss auch schneller ein und somit kann der Schwindung des Bauteils während der Nachdruckphase nicht entgegengewirkt werden. Ergebnis ist somit die größere Aussparung, die zu einer Reklamation führt.


Ist die Aussparung so groß wie geplant, wird die Kraft auf einer deutlich größeren Fläche verteilt und die scharfen Kanten des Schraubenkopfs graben sich nicht in die Flächen ein. Die Kraft, die aufgenommen werden kann, ist somit um ein vielfaches größer als im vorliegenden Fall und der Knauf versagt nicht.