Beitrag zur systematischen Auslegung von thermoplastischen Spritzgießbauteilen aus glaskugelgefülltem Polyamid mithilfe von lasergesinterten Prototypen

Horn, Sebastian

In der vorliegenden Arbeit wird anhand eines wissenschaftlichen Ansatzes dargestellt, dass durch die konsequente Einbindung von lasergesinterten Prototypen in den Entwicklungsprozess von Spritzgießbauteilen aus glaskugelgefülltem Polyamid 12 (PA 12 GK) ein signifikanter Mehrwert erzielt werden kann. Insbesondere wird erläutert, wie mit Bauteilnachweisen an lasergesinterten Prototypen Ergebnisse erzielt werden können, die sowohl die Absicherung von Simulationsergebnissen ermöglichen als auch quantitative Rückschlüsse auf das Verhalten des späteren Spritzgießbauteils zulassen. Die Gegenüberstellung der Fertigungsverfahren Lasersintern und Spritzgießen zu Beginn der Arbeit zeigt, dass davon auszugehen ist, dass die mechanischen Eigenschaften von lasergesinterten und spritzgegossenen Kunststoffbauteilen, die aus dem gleichen Werkstoff gefertigt werden, voneinander abweichen. Insbesondere das Vorhandensein von Poren und nicht aufgeschmolzenen Partikeln im Inneren von lasergesinterten Bauteilen hat signifikanten Einfluss auf deren mechanische Eigenschaften. Im Rahmen einer grundlegenden Materialcharakterisierung werden die mechanischen Eigenschaften von lasergesintertem sowie spritzgegossenem PA 12 GK systematisch miteinander verglichen und der quantitative Einfluss ausgewählter kunststofftypischer Faktoren diskutiert. Im weiteren Verlauf wird dargestellt, welche Art von Materialmodell und welches Fließkriterium benötigt werden, um das Kurzzeitverhalten von lasergesinterten Bauteilen korrekt in der Strukturanalyse abzubilden. Die systematische Auswertung der Ergebnisse belegt, dass das Kraft-Verformungs-Verhalten von flächigen Lasersinterbauteilen unter bestimmten Voraussetzungen sehr gut mithilfe eines elastisch-plastischen Materialmodells und des isotropen von Mises-Fließkriteriums abgebildet werden kann. Weitere Untersuchungen zeigen jedoch, dass für die Simulation des Bauteilverhaltens von dreidimensionalen und mehrachsig belasteten Bauteilen ein Fließkriterium benötigt wird, das die transversal isotropen Materialeigenschaften von lasergesintertem PA 12 GK vollständig abbilden kann. Die durchgeführten Bauteilnachweise belegen, dass das Hill-Fließkriterium für diesen Anwendungsfall sehr gut geeignet ist. Insgesamt wird deutlich, dass Bauteilversuche an lasergesinterten Prototypen sehr gut geeignet sind, um zu überprüfen, ob das Kurzzeit-Kraft-Verformungs- Verhalten eines Kunststoffbauteils in der Struktursimulation korrekt abgebildet wird. Die wissenschaftliche Analyse des quantitativen Zusammenhangs zwischen den mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus lasergesintertem und spritzgegossenem PA 12 GK zeigt, dass sowohl die Steifigkeit als auch die Festigkeit von Spritzgießbauteilen aus glaskugelgefüllten PA 12 GK wesentlich größer sind als die jeweiligen Kennwerte von lasergesinterten Bauteilen. Die durchgeführten Bauteilnachweise belegen, dass das Bruchdrehmoment eines Spritzgießbauteils mithilfe eines konstanten Faktors, der aus der Zugfestigkeit der jeweiligen Materialien ermittelt werden kann, mit sehr guter Übereinstimmung anhand der Drehmomentbelastbarkeit des lasergesinterten Prototyps berechnet werden kann. Die Gültigkeit des ermittelten Zusammenhangs wird für zwei Spritzgießwerkstoffe bewiesen. Die durchgeführte wissenschaftliche Betrachtung des quantitativen Zusammenhangs zwischen den mechanischen Eigenschaften von lasergesintertem und spritzgegossenem PA 12 belegt, dass die mechanische Belastbarkeit und das Kraft-Verformungs-Verhalten eines Spritzgießbauteils bereits in der Konzeptphase durch die geschickte Kombination von Bauteilnachweisen an lasergesinterten Prototypen und durch den gezielten Einsatz von Struktursimulationen sehr gut vorausbestimmt werden kann. Die Absicherung der Belastbarkeit von Bauteilkonzepten, noch bevor die Serienwerkzeuge gefertigt wurden, vergrößert die Sicherheit bei der Bauteilauslegung erheblich, wodurch wichtige Entscheidungen im Entwicklungsprozess, frühzeitig und vor allem endgültig getroffen werden können.

In the present PhD thesis is shown, that by means of a scientific approach a significant added value can be achieved by consistently integrating laser-sintered prototypes into the development process of injectionmolded parts, which are made out of glass bubble filled Polyamide 12 (PA 12 GB). Especially, it will be explained how test results can be achieved by using component evidences on laser-sintered prototypes, which allow on the one hand the assurance of simulation results and on the other hand the quantitative conclusions on the behavior of the future injection-molded component. The comparison of the manufacturing processes selective laser sintering and injection molding at the beginning of this thesis presents, that the mechanical properties of laser-sintered and injection-molded plastic components will be different, although they are made out of the same plastic raw material. In particular, the presence of pores and non-melted particles inside of laser-sintered components has a significant impact on their mechanical properties. Within the scope of a basic material characterization, the mechanical properties of laser-sintered and injection-molded PA 12 GB will be systematically compared. In addition the quantitative impact of typical plastic influence factors will be discussed. In the following course of this PhD thesis, it will be shown which type of material model and which yield criterion are required in order to correctly map the short term behavior of laser-sintered components in the structure analysis. The scientific analysis of the results shows that under certain conditions the force-deformation behavior of planar laser-sintered components can be reproduced very well by means of an elastic-plastic material model and the isotropic von Mises yield criterion. Furthermore additional studies in this doctoral thesis show that a yield criterion, which can completely represent the transversal isotropic material properties of laser-sintered PA 12 GB is required to simulate the component behavior of three-dimensional and multiaxial loaded components. The conducted component tests prove that the Hill yield criterion is very suitable for this application. Overall it becomes clear that component tests on laser-sintered prototypes are very suitable for checking whether the short-term force-deformation behavior of a plastic component is correctly reproduced in the structural simulation. The scientific analysis of the quantitative relationship between the mechanical properties of polymer parts, which are made out of laser-sintered and injection-molded PA 12 GB, proves, that the rigidity and the strength of injection-molded components made out of glass bubble filled PA 12 are significantly greater than the respective characteristic values of laser-sintered components. Component tests prove that the fracture torque of an injection-molded part can be calculated by a constant conversion factor with a very good accordance by means of the torque load ability of a laser-sintered prototype, which has the same geometry as the future injection-molded component. The required conversion factor can be determined with the aid of the tensile strength of the respective materials. The validity of the ascertained relationship is proved for two injection molding materials in the presented PhD thesis. The scientific study of the quantitative relationship between the mechanical properties of laser-sintered and injection-molded PA 12 GB demonstrates, that the mechanical strength and the force-deformation behavior of an injection-molded component can already be predicted very well in the concept phase by using a skillful combination of structural simulations and component tests on laser-sintered prototypes. Through the safeguarding of the mechanical load capacity of part drafts of injection-molded components during the concept phase, even before the injection molding tool has been produced, a considerable increase of the safety can be achieved. Whereby important decisions in the development process of a injection- molded part can be made early, and also definitively.

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Horn, Sebastian: Beitrag zur systematischen Auslegung von thermoplastischen Spritzgießbauteilen aus glaskugelgefülltem Polyamid mithilfe von lasergesinterten Prototypen. 2017.

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