Rafael Sterzer und Johannes Pladt
Mechanical Engineering Experts
Fresenius Medical Care AG & Co. KGaA
Schweinfurt
Fresenius Medical Care ist der weltweit führende Anbieter von Produkten und Dienstleistungen für nierenkranke Menschen und auch der führende Anbieter von Dialyseprodukten wie Dialysegeräten und Dialysefiltern. Die Dialysegeräte enthalten mehrere Kunststoffkomponenten, die unterschiedlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Aus medizinischen Gründen ist ein Ausfall oder eine Fehlfunktion zu vermeiden. PART Engineering Software hilft hier die Festigkeit der Teile zu analysieren und das Vertrauen in die Maschinen zu erhöhen.
Die Festigkeitsbewertung von Kunststoffbauteilen stellt in der Praxis häufig ein Problem dar. Für den nutzbringenden Einsatz der Simulation ist es wichtig, einen guten Kompromiss zwischen möglichst einfachen Modellierungsansätzen (Materialmodell, Festigkeitsbewertung) und ausreichender Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu erreichen. Werden nicht standardisierte Simulations- und Bewertungsansätze verwendet oder erfahrungsbasierte, subjektive Verfahren eingesetzt, folgen Unsicherheiten und die Vergleichbarkeit verschiedener Analysen ist oft nicht möglich.
Um ein Kunststoffbauteil richtig beurteilen zu können, bedarf es mehr als nur der FE-Analyseergebnisse. Weiteren Einfluss haben zum Beispiel Mehraxialität, Orientierungen, Bindenähte, Alterung, Temperatur, etc. Diese Effekte müssen adäquat berücksichtigt werden. Deshalb setzen wir bei Fresenius Medical Care die PART Software Produkte Converse und S-Life Plastics ein, um die Genauigkeit einer solchen Simulation bereits in einem frühen Entwicklungsstadium zu erhöhen. Auf diese Weise schaffen wir ein ausgewogenes Verhältnis von Aufwand und Genauigkeit, so dass eine plausible und reproduzierbare Bewertung von Kunststoffbauteilen mit vorhandenen Werkzeugen in unseren CAE-Prozess integriert wird.
Bei unseren Bauteilen ist ein wichtiger Aspekt, dass es keine Leckage im Luft- und Flüssigkeitskreislauf des Geräts gibt. Das nachfolgende Beispiel (Bild 1) zeigt eine Tülle, in die bei der Montage ein Anschlussstück eingepresst wird. Im Gebrauch wird ein konstanter Innendruck ausgeübt. Dies führt zu einer Dauerbelastung, der das Material standhalten muss. Zu Beginn zeigen die Ergebnisse keine Probleme, aber nach ca. 100 Stunden überschreiten signifikante Bereiche den maximal zulässigen Auslastungsgrad und genau das war im Prototypentest ebenfalls passiert. Die Verbindung funktionierte mehrere Tage lang korrekt und begann dann undicht zu werden. Dieses Problem ist nur mit einem Verfahren vorhersehbar, das auch die Langzeitfestigkeit des Kunststoffs berücksichtigt.
Ein ebenfalls wichtiger Aspekt ist die Berücksichtigung der anisotropen Materialeigenschaften, die mit faserverstärkten Kunststoffen einhergehen. Hier muss vor der mechanischen Simulation eine Spritzgusssimulation durchgeführt werden, um einen ganzheitlichen Ansatz zu berücksichtigen. Das Problem, das bei diesem Beispiel (Bild 2) auftrat, war, dass die Belastungsrichtung senkrecht zur Faserorientierung verlief, was zu einer reduzierten Festigkeit in diesem Bereich führt. In diesem Fall wäre entweder eine Änderung der Position des Anspritzpunktes oder eine Änderung des Designs mögliche Optionen. Das Design wurde leicht modifiziert und die neue Festigkeitsbewertung zeigte, dass der Grenzwert nicht mehr überschritten wurde. Solche Ergebnisse im Voraus zu kennen ist sehr wichtig, denn später im Entwicklungsprozess würde dies zu zeitaufwändigen und kostspieligen, produktionsunterbrechenden Werkzeugänderungen führen, die hätten vermieden werden können.
Die Simulation von Kunststoffen kann eine Herausforderung sein, aber die vereinfachten Verfahren in S-Life Plastics helfen, den Arbeitsaufwand zu reduzieren und erhöhen das Vertrauen in die Simulationsergebnisse. Die standardisierte Vorgehensweise vermeidet Fehler und stellt sicher, dass die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse immer gegeben ist und die Ergebnisse leicht zu kommunizieren und zu begründen sind.
