Festigkeitsnachweis von Kunststoffbauteilen
Was ist S-Life Plastics?
S-Life Plastics ist die Festigkeitsbewertungs-Software innerhalb der PART Software Suite für Kunststoffbauteile aus unverstärkten oder kurzfaserverstärkten thermoplastischen Werkstoffen. Ergebnisse aus einer Struktursimulation werden automatisiert ausgewertet. Die Software wird als Postprozessor eingesetzt.
Mit S-Life Plastics werden auf einfache Weise mechanische Spannungen aus FEM-Simulationen so weiterverarbeitet, dass eine Bewertung der statischen Festigkeit und der Ermüdungsfestigkeit möglich ist. Als Ergebnis werden u.a. die statischen und zyklischen Auslastungsgrade des Bauteils als Konturplot dargestellt.
Das Problem
Keine standardisierte Vorgehensweise
Die korrekte Bewertung von Simulationsergebnissen entscheidet in hohem Maße über den Nutzen der Simulation überhaupt. Regelmäßig ist im Hinblick auf die Bewertung der mechanischen Festigkeit von Bauteilen unklar, wie diese zu erfolgen hat. In besonderem Maße ist dies für Kunststoffbauteile der Fall. Fehlende Anwendung geeigneter Vorgehensweisen führen zu Unsicherheit oder schlimmstenfalls Fehlbewertungen.
Fehlende Auslegungsgrenzen
Speziell bei Kunststoffen liegen in Datenbanken in der Regel keine mechanischen Auslegungsgrenzen vor. Dies gilt für statische und in besonderem Maße für zyklische Beanspruchung. Eine übliche Vorgehensweise ist die ersatzweise Verwendung einer statischen Festigkeitsgrenze wie z.B. der Bruch- oder Streckspannung bzw. -dehnung. Dies wird aber nur im Einzelfall der tatsächlich vorliegenden Beanspruchungssituation gerecht. So kann z.B. in der Anwendung eine mehrmalige, langzeitige oder auch zyklische Last wirken. Zu unterscheiden ist auch der Relaxations- und der Kriechlastfall, die Auslegungsgrenzen sind jeweils andere.
Faserverstärkte Kunststoffe sind herausfordernd
Hochbeanspruchte technische Bauteile werden häufig aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Dies führt zu einer Richtungsabhängigkeit nicht nur der Steifigkeits- sondern auch der Festigkeitskennwerte. Zusätzlich zum Problem der Verfügbarkeit solcher Kennwerte besteht das Problem den ermittelten anisotropen Beanspruchungszustand auf eine geeignete Vergleichsgröße umzurechnen, um eine Festigkeitsbewertung durchzuführen.
Zeitlich variable Belastungen sind schwierig zu berücksichtigen
Im Allgemeinen unterliegen Bauteile mehreren unabhängigen zeitlich variablen Belastungen. Dies führt regelmäßig zu dem Problem, wie die daraus resultierenden Beanspruchungen hinsichtlich ihres Schädigungspotenzials zu bewerten sind. Auch ist oft die kritische Lastfallkombination als solche unbekannt. Die Lösung dieser Fragestellungen ist algorithmisch aufwändig und meist nur mit Rechnerunterstützung möglich.
Wie löst S-Life Plastics das Problem?
Auf Basis der in [1], Kapitel 6 dargestellten vereinfachten Festigkeitsnachweisverfahren für Kunststoffbauteile wird in S-Life Plastics ein vereinfachter statischer Festigkeitsnachweis und Ermüdungsfestigkeitsnachweis durchgeführt. Ein umfassenderes Nachweisverfahren für statische Beanspruchung ist für spritzgegossene kurzfaserverstärkte Kunststoffe verfügbar.
Der Nachweis erfolgt nahezu auf Knopfdruck. Hierzu benötigt S-Life Plastics aus FEM-Analysen, je nach gewähltem Nachweisverfahren, isotrope oder anisotrope örtliche Spannungen.
[1] Stommel, M.; Stojek, M.; Korte, W.: FEM zur Berechnung von Kunststoff- und Elastomerbauteilen, 2., überarbeitete und erweiterte Auflage, Carl Hanser Verlag München, 2018
Mit S-Life Plastics wird sichergestellt, dass nach fachlich korrekten Methoden gearbeitet wird. Es werden eineindeutige anwenderunabhängige Ergebnisse erzielt. Zusätzlich liefert S-Life Plastics einen detaillierten Bericht für die untersuchten Nachweispunkte. Eine Plausibilitätsprüfung und Kommunikation der Ergebnisse ist somit in einfacher Weise möglich.
Perspektivisch wird in S-Life Plastics auch die VDI-Richtlinie 2016 „Festigkeitsnachweis von Bauteilen aus thermoplastischen Kunststoffen - Festigkeitsnachweis gegenüber statischen Belastungen“ zur Verfügung stehen. Erstmalig liegt mit dieser Richtlinie ein Standard vor, der den Stand der Technik zum Festigkeitsnachweis von Kunststoffbauteilen reflektiert. Diese Richtlinie befindet sich zur Zeit noch in der Entwurfsphase.
In der S-Life Plastics Materialdatenbank sind Festigkeitskennwerte verbreiteter Kunststoff-Handelstypen bereits enthalten. Eigene Werkstoffe können eingepflegt werden. Das im vereinfachten Ermüdungsfestigkeitsnachweis verwendete Konzept der synthetischen Wöhlerkurven ermittelt automatisch die erforderlichen zyklischen Festigkeitskennwerte für den Dauerfestigkeits- oder Betriebsfestigkeitsnachweis aus statischen Festigkeiten. S-Life Plastics ermöglicht so die Durchführung von Ermüdungsfestigkeitsnachweisen ohne aufwändige experimentelle Ermittlung oder Recherche von zyklischen Festigkeitskennwerten.
Zeitlich variable Belastungsverläufe mit mehrstufigen Amplituden werden mit S-Life Plastics über eine Miner Schadensakkumulation berücksichtigt. S-Life Plastics bietet hierzu über den integrierten Load-Manager eine Auswahl von Normbelastungskollektiven an. Eigene Kollektive können auf einfache Weise eingepflegt werden. Ebenso erlaubt S-Life Plastics die Durchführung von Ermüdungsfestigkeitsnachweisen für unabhängig voneinander wirkende mehraxiale nichtproportionale Belastungsverläufe. Über den in S-Life Plastics integrierten Load-Combinator kann bei mehreren überlagerten Belastungen die jeweils lokal ungünstigste Lastkombination ermittelt werden.
Einige Merkmale & Funktionalitäten
Vereinfachter statischer Festigkeitsnachweises und Ermüdungsfestigkeitsnachweis gemäß [1], Kapitel 6
- Umfassender statischer anisotroper Festigkeitsnachweises für kurzfaserverstärkte Kunststoffe
- Materialdatenbank mit Auswahl Kunststoff-Handelstypen namhafter Hersteller, eigene Werkstoffe können eingepflegt werden
Load-Manager mit integrierten Normkollektiven (binomial und exponentiell), eigene Kollektive können eingepflegt werden
Load-Combinator zur Spannungsvorverarbeitung (Addition, Subtraktion, Multiplikation) inklusive Ermittlung der kritischen Lastfallkombinationen bei mehreren gleichzeitig auftretenden Belastungen
Behandlung nichtproportionaler mehraxialer Beanspruchungen
Darstellung der statischen und zyklischen Auslastungsgrade auf dem Bauteil als 3D-Konturplot
Umfassendes Reporting der Nachweisergebnisse pro Nachweisknoten im pdf-Format
3D-Viewer zur Ergebnisdarstellung und -auswertung
Schnittstellen zu handelsüblichen Struktursimulationsprogrammen. Details finden Sie in der Tabelle rechts.
Schnittstellen
S-Life Plastics reduziert
- Kosten für die Materialprüfung, da Festigkeitskennwerte entweder bereits enthalten sind oder aus vergleichweise günstigen statischen Tests z.B. langzeitige oder zyklische Festigkeiten automatisiert ermittelt werden
- Entwicklungszeit, da durch die einfache automatisierte Anwendung arbeitsaufwändige manuelle Vorgehensweisen entfallen
- Fehler, da durch die automatisierte Vorgehensweise Fehleingaben und Fehlinterpretationen weitestgehend vermieden werden
S-Life Plastics erhöht
- Verlässlichkeit der Festigkeitsbewertung, durch standardisierte Vorgehensweisen gemäß dem Stand der Technik
- Vertrauen in die Festigkeitsbewertung, da durch die umfassende Dokumentation die angewandten Vorgehensweisen nachvollziehbar und überprüfbar sind
Anwender sagen
Die Dialysegeräte von Fresenius Medical Care enthalten mehrere Kunststoffkomponenten, die unterschiedlichen mechanischen Belastungen standhalten müssen. Ein Ausfall oder eine Fehlfunktion ist aus medizinischen Gründen keine Option. PART Engineering Software hilft, die Festigkeit der Teile zu analysieren und das Vertrauen in das Gerät zu erhöhen.
S-Life Plastics ermöglicht unsere Kunststoff-Bauteile zeiteffizient und standardisiert hinsichtlich statischer und zyklischer Festigkeit auszulegen. Dies steigert die Sicherheit unserer Produkte und verkürzt ihre Entwicklungszeiten.
S-Life Plastics ermöglicht es den Ingenieuren, eine auf Materialdaten basierende Festigkeitsbewertung durchzuführen, um eine hohe Simulationsgenauigkeit zu erreichen und zuverlässigere Lebensdauervorhersagen von Teilen zu ermöglichen.
Die Betriebsbelastung oder gesetzliche Anforderung, gegen die ausgelegt werden muss, ist je nach Anwendung unterschiedlich. Bei Fragen der Sicherheit geht es oft um kurzfristige Fehlbeanspruchungen, bei Fragen der Qualität eher um das langfristige oder zyklische Verhalten. Diese Fragen können letztlich mit S-Life Plastics beantwortet werden.
S-Life Plastics nutzen
Sprechen Sie uns gerne an für ein unverbindliches individuelles Angebot
S-Life Plastics kann auch über die Altair Partner Alliance genutzt werden, informieren Sie sich hier.
