Stabilitätsversagen von Spritzgussteilen und wie man es simuliert

Die allermeisten Spritzgussbauteile sind komplett oder in großen Teilen annährend flächenartig (zweidimensional) oder stabartig (eindimensional). Mit anderen Worten, die Wanddicken sind gering im Vergleich zu anderen Dimensionen (flächenartig) bzw. Querschnittdimensionen sind gering im Vergleich zu der Länge (stabartig). Strukturen dieser Art, nicht nur aus Kunststoff, sind grundsätzlich anfällig für Stabilitätsversagen. Aus diesem Grund ist die Vorhersage von Stabilitätsversagen von großem Interesse.

Stabilitätsversagen kann man als eine plötzliche Änderung der Verformung beim Überschreiten einer kritischen Last beschreiben. Das heißt, in der Nähe des kritischen Lastniveaus führt eine kleine Lasterhöhung zu großen Verformungen. Neben den zuvor erwähnten, geometrischen Voraussetzungen, ist eine zwingende Voraussetzung für ein Stabilitätsversagen, das Vohandensein von Druckspannungen - eine Struktur, die rein auf Zug belastet ist, wird nie ein Stabilitätsversagen erleiden.

Stabilitätsprobleme in der Strukturmechanik lassen sich je nach Gesichtspunkt auf verschiedene Weise unterscheiden:
_ Typ des Stabilitätsproblems (hier nur einige wichtige gelistet).
      _ Knicken (Ausweichen einer stabartigen Struktur unter axialer Drucklast zur Seite).
     _  Drillknicken und Biegedrillknicken (Verdrehen einer stabartigen Struktur unter einer Querlast meist verbunden mit Ausweichen senkrecht zu Lastrichtung).
     _ Beulen (Ausbeulen von flächenartigen Strukturen).
_ Ausmaß des Stabilitätsproblems
     _ Global (das ganze Bauteil ist betroffen)
     _ Lokal (nur ein Teilbereich ist betroffen, z.B. Beulen einer Verstärkungsrippe oder Beulen eines Hautfeldes, welches von Rippen umgeben ist.
_ Nachbeulverhalten
     _ „gutartige“ Szenarien (die Struktur ist in der Lage die Lasten nach dem Stabilitätsversagen weiter zu tragen, teilweise auch ohne bleibende Schäden).
     _ „bösartige“ Szenarien (ein Stabilitätsversagen führt zum Kollabieren des Bauteils mit Verlust der Funktionalität und bleibenden Schäden).

Speziell für Spritzgussbauteile ist außerdem zu beachten, dass es, allein durch den Herstellungsprozess, zu Stabilitätsproblemen kommen kann. In diesem Fall führen die prozessbedingten inneren Druckspannungen nach dem Auswerfen (und Abkühlen) des Bauteils zum Stabilitätsversagen, was wiederum zum Abweichen von der gewünschten Bauteilgeometrie führt, die die üblichen Verzugsverformungen bei weitem überschreiten können. Moldex3D bietet seit der Version 2021, die Möglichkeit, zusätzlich zu der Verzugsberechnung, eine lineare Stabilitätsanalyse durchzuführen um die Gefahr eines prozessbedingten Stabilitätsversagens beurteilen zu können.

Die lineare Stabilitätsanalyse ist die am meisten verbreitete Simulationsmethode für Stabilitätsprobleme in der Strukturmechanik. Praktisch alle gängigen Strukturlöser haben diese Analysemethode implementiert. Jeder dieser Strukturlöser kann benutzt werden um Stabilitätsversagen unter externen Lasten vorherzusagen, die während des Einsatzes eines Bauteils zu erwarten sind. Der größte Vorteil einer linearen Stabilitätsanalyse, ist die relativ hohe Analysegeschwindigkeit. Das kommt besonders zum Tragen, wenn man eine Mehrzahl von Lastfällen abdecken möchte, da die Steifigkeiten unabhängig von den Lasten sind und die Struktursteifigkeitsmatrix eines Bauteils nur einmal aufgestellt werden muss, unabhängig von der Anzahl der Lastfälle. Man muss sich als Benutzer aber auch der Nachteile bewusst sein:

_ Nur ein linearelastisches Materialmodell kann benutzt werden, d.h. alle materialbezogenen Nichtlinearitäten werden vernachlässigt.
_ Es werden nur zwei Arten von Ergebnissen produziert:
     _ Der kritische Lastfaktor und abgeleitet das kritische Lastniveau (was ein Produkt aus dem kritischen Lastfaktor und allen aufgebrachten Lasten ist).
     _ Die Beulform. Hier ist zu beachten, dass die berechnete Verformung nur qualitativ korrekt ist. Das heißt die Form ist berechnet im Rahmen der Analysegenauigkeit, die absoluten Verformungswerte sind aber zu einer unbekannten Basis normiert, so dass auch keine Aussage über abgeleitete Größen (Spannungen, Dehnungen, Versagenskennwerte) getroffen werden kann.

Zusammengefasst, gibt die lineare Stabilitätsanalyse nur Aussagen über den kritischen Stabilitätspunkt aus. Man kann damit keine Aussagen über das Verhalten vor dem Stabilitätsversagen treffen und nichts über das Nachbeulverhalten sagen. Man kann auch auf diese Weise nicht vorhersagen, ob das Nachbeulverhalten „gut- oder „bösartig“ ist. Das ist ein besonders wichtiger Punkt, weil im Falle von „bösartigen“ Nachbeulverhalten die lineare Stabilitätsanalyse eine deutlich zu hohe kritische Last berechnen kann.

Möchte man die Unsicherheiten einer linearen Stabilitätsanalyse überwinden, muss man eine nichtlineare Statik Analyse durchführen mit einem FEM-Strukturlöser, welcher dazu in der Lage ist (z.B. mit MSC Marc). Damit lässt sich bei Szenarien mit „bösartigen“ Nachbeulverhalten das kritische Lastniveau genauer bestimmen und bei Szenarien mit „gutartigen“ Nachbeulverhalten eine Aussage über Tragfähigkeit und das kritische Lastniveau treffen sowie auch Schäden in der Struktur. Außerdem kann man die für Kunststoffe besonders wichtige Materialnichtlinearitäten berücksichtigen. Wie bei allen nichtlinearen Verfahren „erkauft“ man sich die Vorteile durch deutlich längere Analysezeiten und höheren Aufwand beim aufsetzten der Analysen.

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