Simulation ist mehr als Software

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Eigenspannungen verstehen durch Härtesimulation
Härtung minimiert den Verschleiß und den Wartungsbedarf. Das Verständnis der Eigenspannung ist der Schlüssel für den optimalen Härtegrad bei Extrudern.

Härteprozess eines Extruderspritzkopfes

Branche: Maschinen- und AnlagenbauFachgebiet: Strukturmechanik, Temperaturfelder

Coperion ist ein weltweit führendes Unternehmen für Compoundierung, Extrusion, Dosierung und Wägetechnologie sowie Schüttguthandhabung. Das Härten der Extrusionswerkzeuge senkt den Wartungsbedarf. Simulation hilft Konstruktionen bereits im Vorfeld eigenspannungsarm zu gestalten und die Prozessparameter für den Härtevorgang bestmöglich zu definieren.

Zusammenfassung

Aufgabe

Die Herausforderung hierbei liegt vor allem darin, den Aufheiz- und Abkühlprozess so zu definieren, dass ein optimaler Härtegrad erreicht wird mit geringen Eigenspannungen und bestmöglichen Prozessparametern.

Lösung

Aufsetzen eines Workflows zur Simulation der Eigenspannung am Werkzeug und Durchführung einer transienten Temperaturfeldanalyse gekoppelt mit einer strukturmechanischen Untersuchung zur Ermittlung des thermomechanischen Verzugs mit Ansys Mechanical.

Kundennutzen

Durch gezielte vergleichende Analysen konnte die Werkzeugkonstruktionen bereits im Vorfeld Prototypen bestmöglich auslegen und so kostenintensive Entwicklungsschleifen sparen. Ein mit CADFEM definierter Workflow schaffte den Einstieg in die Härtesimulation.

Projektdetails

Aufgabe

Um den Verschleiß und damit den Wartungsbedarf der Anlagen zu minimieren, wird hoher Wert auf das Härten der Extrusionswerkzeuge gelegt. Die Herausforderung hierbei liegt vor allem darin, den Aufheiz- und Abkühlprozess so zu definieren, dass ein optimaler Härtegrad erreicht wird. Aufgrund der Materialwandlungseffekte resultieren in den zu härtenden Bauteilen während des Abkühlvorgangs thermomechanische Eigenspannungen, die bereits während des Härtevorgangs zu Bauteilschäden führen können. Die Simulation des Härteprozesses soll helfen, Konstruktionen bereits im Vorfeld eigenspannungsarm zu gestalten und die Prozessparameter für den Härtevorgang bestmöglich zu definieren.

 


Nutzen für den Kunden

Mit den gewonnenen Erkenntnissen aus der Simulation ist Coperion in der Lage, durch gezielte vergleichende Analysen die Werkzeugkonstruktionen bereits im Vorfeld der Prototypenfertigung bestmöglich auszulegen und so kostenintensive Entwicklungsschleifen zu sparen. Durch Variation von Prozess- und Materialparametern kann der Einfluss auf das Härteergebnis vergleichbar dargestellt werden. Die Erkenntnisse aus dem Pilotprojekt wurden dem Kunden im Rahmen einer anschließenden Schulung zusammen mit den von CADFEM implementierten Workflows übergeben. Damit konnte bei Coperion ein effizienter Einstieg in die Härtesimulation erfolgen.

 


Lösung

Mit der Umsetzung eines Workflows zur Simulation der Eigenspannungen, die während des Härtevorgangs in einem Spritzkopf entstehen, unterstützte CADFEM die Entwicklungsabteilung von Coperion. Dazu wurde eine transiente Temperaturfeldanalyse gekoppelt mit einer strukturmechanischen Untersuchung zur Ermittlung des thermomechanischen Verzugs mit Ansys Mechanical® durchgeführt. Abhängig vom Temperatur-Zeitverlauf wurden die elastoplastischen Materialeigenschaften entsprechend der zugrundeliegenden Phasenumwandlungseigenschaften während des Simulationsverlaufs angepasst (STAAZ-Methode). Ergebnis der Analysen sind die Eigenspannungen und plastischen Dehnungen am Ende des Abkühlvorgangs sowie eine resultierende Härteverteilung im Bauteil. Stark beanspruchte Bereiche können identifiziert und konstruktiv modifiziert werden, um die Gefahr einer Rissbildung frühzeitig zu minimieren.


Leiter Unternehmenskommunikation

Produkt-Anwendungen im Projekt