DE60214696T2

DE60214696T2 - Simulation einer Flüssigkeitsströmung und Strukturanalyse in dünnwandigen Geometrien

Info

Publication number: DE60214696T2
Application number: DE60214696T
Authority: DE
Inventors: Paul F. Dr. Filz; Harold Kutschera; Helmut Stöckmann; Frank Welter; Karl Dr. Webelhaus
Original assignee: SIMCON KUNSTSTOFFTECHNISCHE SO; SIMCON KUNSTSTOFFTECHNISCHE SOFTWARE GmbH
Current assignee: SIMCON KUNSTSTOFFTECHNISCHE SO; SIMCON KUNSTSTOFFTECHNISCHE SOFTWARE GmbH
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: DE60214696D1; EP1385103B1; ATE339732T1; EP1385103A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Simulation der Strömung von Fluiden und der Strukturanalyse in dünnwandigen dreidimensionalen Geometrien, bei welchen die Eingabe für die Simulation eine äußere Haut oder eine volumetrische Geometriebeschreibung ist, und ein Finite Elemente Netz enthält oder in welcher ein Netz aus Finiten Elementen generiert wird.
Spritzgießteile sind sehr oft komplexe Objekte an die hohe Qualitätsansprüche gestellt werden. Es gibt verschiedene Verarbeitungsmethoden für die verschiedenen Arten von Kunststoffen und ein Reihe von speziellen Prozessen mit denen es möglich ist Eigenschaften der Teile für ihre Verwendung zu optimieren. Die Anwendungseigenschaften von Kunststoffteilen hängen außer von dem verwendeten Material besonders von der Verarbeitungsgeschichte im Spritzgießprozess ab. In den meisten Fällen ist es sogar mit sehr viel Erfahrung weder möglich ein optimales Teil, noch das entsprechende Spritzgießwerkzeug zu designen, noch die richtigen Prozessparameter zu benutzen. Sehr oft müssen Spritzgießwerkzeuge mehrere Male modifiziert werden, bevor das Kunststoffteil die gewünschte Qualität hat. Jeder Modifizierungsschritt bedeutet eine signifikante Investition, da die Werkzeugänderungen leicht mehr als 15% der eigentlichen Werkzeugkosten ausmachen. Ein noch größerer Effekt kann durch die Optimierung von Anspritzpunktlagen, Verteilerbalancierungen, Wanddicken des Teils, Werkzeugkühlung und Prozessparameter erreicht werden.
Aus diesem Grund sind schon in den 70'ern Verfahren entwickelt worden, mit denen es möglich war das Spritzgießwerkzeug zu simulieren und zu optimieren. Heute hat sich die Spritzgießsimulation zu einem industriell anwendbarem Standard Engineering Werkzeug entwickelt. Der Spritzgussprozess kann von der Füllphase über die Nachdruckphase bis zu Schwindung und Verzug eines auf Raumtemperatur abgekühlten Teils simuliert werden. Spezielle Prozesse, wie zum Beispiel „Sandwich Spritzgießen", Gasinjektionstechnik und Spritzpressen können simuliert werden. Auch das Spritzgießen von Elastomeren, Duromeren, LSR und RIM Materialien kann untersucht werden.
In diesem Rahmen werden Annahmen gemacht, dass die Bewegung eines Polymers durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben werden kann, wobei die Viskosität stark von Temperatur und Scherung abhängig ist. Das bedeutet, dass ein gekoppeltes System der Energiegleichung und Navier-Stokes-Gleichung gelöst werden muss. Für dünnwandige Teile können einige Vereinfachung vorgenommen werden, zum Beispiel die Vernachlässigung der Trägheitskräfte.
Zu Beginn jeder Simulation ist es notwendig die Geometrie des Teils so vorzubereiten, das die gewünschte Software damit umgehen kann. Dafür gibt es vier generelle Möglichkeiten.
Standard Methoden
1. Mittelflächenmodell
Die meisten Spritzgießteile sind dünn, das heißt ihre Dicke ist sehr gering im Vergleich mit den anderen Abmessungen. In diesem Modell wird das Teil dreidimensional durch so genannte „Thin shell Finite Elements" dargestellt, welche dreieckig oder viereckig sein können, und denen die lokale Dicke als eine physikalische Eigenschaft zugeordnet wird (1-2). Die ideale Position dieser Elemente ist die echte Mittelfläche mit gleichem Abstand zu den Oberflächen. Eine Beschreibung dieser Position ist von einem CAD System, als Nebenprodukt der Formteilkonstruktion, nicht verfügbar. Statt der korrekten Mittelfläche wird deshalb ein Einflächenmodell aus einer ausgewählten Oberfläche (von zwei gegenüberliegenden) generiert, da die Oberflächen ein reguläres Produkt des CADs sind. Das einfachste Modell ist die Füllbildmethode, die auf dem Huyghenschen Prinzip der Wellenausbreitung beruht. G. Menges: Eine Methode zur Besfimmung des Fließfrontverlaufs beim Spritzgießen von Thermoplasten. In Plastverarbeiter, 31 (11): 671-676, 1980.
Ein besseres Modell basiert auf der generalisierten Hele-Shaw-Näherung der Navier-Stokes-Gleichung. Vergleiche der Kräfte in der Schmelze zeigen, dass die Friktion in Dickenrichtung die dominierende ist. Das resultiert in einer parabolischen Gleichung für den Druck. Diese Gleichung hat „Dirichlet" Randbedingungen an der Fließfront und „Neuman" Randbedingungen an der Kavitätswand. Für die Energiegleichung werden nur die Wärmeleitung in Dickenrichtung, die Schererwärmung und die Konvektion berücksichtigt. Diese Gleichungen werden in jedem Zeitschritt gelöst und mit einer Aktualisierung der Fließfrontposition mittels einer Kontrollvolumen- oder „Level Set" Methode kombiniert. Vgl. P. Filz. Neue Entwicklungen für die Simulation des Spritzgießprozesses von Thermoplasten. Dissertation, RWTH Aachen, 1988, C. Hieber, H. Chiang and K. Wang. A unified simulation of the filling and postfilling stages in injection molding. Part I: Formulation. Poly. Eng. Sci., 31: 116-124, 1991, C. Tucker, editor. Computer Modeling for Polymer Processing. Carl Hanser Verlag, Munich, Vienna, New York, 1989 für weitere Informationen.
2. Volumetrisches Modell
Ein volumetrisches Modell beschreibt das gesamte Volumen der Geometrie in tetraedrischen, pentaedrischen oder hexaedrischen, volumetrischen Finiten Elementen. Eine weitere Art ein volumetrisches Netz zu beschreiben, besteht darin orthogonale dreidimensionale Elemente zu benutzen.
Die Simulation für beide Modelle kann durch den Gebrauch der Finite Elemente Methode FEM, der Finite Volumen Methode oder der Finite Differenzen Methode durchgeführt werden. D.M. Lipinski, W. Schaefer, and E. Flender. Numerical modelling of the filling sequence and solidification of castings Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes IV. The Minerals, Metals and Material Society, 1993; K. F. Webelhaus. Numerische Simulation des Spritzgießprozesses unter Berücksichtigung dreidimensionaler Strömungseffekte und der Materialkompressibilität, Dissertation RWTH Aachen 2000.
3. Boundary Element Methode
Für die Boundary Element Methode werden die bestimmenden Gleichungen so transformiert, dass nur eine Integralgleichung auf der Grenze (Oberfläche) gelöst werden muss. Das bedeutet, dass nur auf der Oberfläche ein Netz generiert werden muss. Spritzgießsimulationen, die eine Boundary Element Methode benutzen, werden beschrieben in: F. S. Costa, W. Thompson, and W. Friedl. An adaption of the boundary element method for the modeling gas injection molding. In Simulation of Material Processing: Theory, Methods and Applications (Numiform 95), pages 1113-1118. Balkena, Rotterdam, 1995, and in R. E. Khayat, A. Derdouri and L.P. Hebert. A three dimensional boundary-element approach to gas-assisted injection modling. J. Non-Newtonian Fluid Mech., 57:253-264, 1995.
Bewertung der Standard Methoden
Leider kann ein Mittelflächenmodell nicht automatisch mit irgendeinem verfügbaren Softwarewerkzeug erstellt werden, zumindest nicht für komplexere reale Formteile. Das bedeutet, dass für die Ausführung von Simulationen im Mittelflächenmodell beträchtliche interaktive Arbeit ausgeführt werden muss, um eine 3D CAD Information, die typischerweise in Standardformaten wie IGES oder VDAFS gegeben ist, für die Simulation vorzubereiten. Trotzdem ist das Mittelflächenmodell für die Prozesssimulation noch das am meisten angewendete, und es hat sich als ziemlich präzise erwiesen und wurde jahrelang erfolgreich benutzt.
Der Vorteil eines Mittelflächenmodells ist, dass der dreidimensionale Fluss eines Fluids in einer dünnwandigen dreidimensionalen Geometrie mit einem zweidimensionalen Hele-Shaw Typ der Fließbeschreibung simuliert werden kann.
Volumetrische Modelle können nur mit Tetraederelementen und orthogonalen dreidimensionalen Elementen automatisch modelliert werden, aber da in dünnwandigen Geometrien hohe Gradienten von z.B. der Temperatur und der Scherrate vorliegen, ist es notwendig in Dickenrichtung mehrfach zu diskretisieren. Dies führt zu einer sehr großen Anzahl von Elementen und so zu zu langen Berechnungszeiten für nicht wissenschaftliche Zwecke.
Die Boundary Element Methode = BEM kann nur ausschließlich auf der Oberfläche arbeiten, wenn der Kern der Differentialgleichung bekannt ist. Wegen der nicht konstanten Viskosität der Polymerschmelze beim Spritzgießen verbleibt ein weiteres Integral über das Innere des Teils in der Gleichung. Außerdem ist jedes Oberflächenelement mit jedem anderen verbunden, was eine lange Berechnungszeit bei einer hohen Anzahl an Elementen bedeutet.
4. Oberflächenmodell
Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist der Gebrauch des Oberflächenmodells oder der äußeren Haut von Volumenmodellen für Simulationen. Normalerweise können heutige CAD Systeme z.B. STL-Files oder andere Informationen der Teileoberfläche (äußere Haut) automatisch generieren. Im Allgemeinen kann z.B. ein STL-File dazu benutzt werden Simulationen auf dieselbe Weise auszuführen wie in einem Mittelflächenmodell (3).
Trotzdem können die Simulationsergebnisse einiger geometrischer Konfigurationen ohne die Anpassung des Modells und/oder des Simulationsverfahren an die Geometrie unrealistisch sein.
Das Füllbild in Bild 4 in dem die Platte in der Mitte der Oberseite angespritzt wird, ist offensichtlich falsch. Die Isochronen sollten in der Ober- und Unterseite mehr oder weniger gleich aussehen. Der Grund dafür ist, dass die Fließsimulation nur auf der Oberfläche des Formteils, mit einer zugeordneten Dicke und ohne eine innere Rahmenstruktur oder ein Verfahren den Fluss zu synchronisieren, ausgeführt wurde.
Ein Verfahren das Problem zu vermeiden ist in dem US Patent 6,096,088 beschrieben, indem jedes Element der ersten Oberfläche mit einem Element der zweiten Oberfläche abgestimmt wird zwischen denen eine sinnvolle Dicke definiert werden kann, worin die abgestimmten Elemente der ersten Oberfläche einen ersten Satz abgestimmter Elemente und abgestimmte Elemente der zweiten Oberfläche einen zweiten Satz abgestimmter Elemente bilden, spezifizieren eines Injektionspunkts und durchführen einer Fließanalyse, indem jeder Satz abgestimmter Elemente benutzt wird. Auf diese Weise ist der Injektionspunkt mit allen Orten der ersten und zweiten Oberflächen verbunden, aus denen Fluss ausströmen kann, so dass resultierende Fließfronten an den ersten und zweiten Oberflächen synchronisiert werden."
Der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung ist es ein neues Verfahren zu beschreiben, das ein Oberflächenmodell zur Simulation einer Fluidströmung in dünnwandigen dreidimensionalen Geometrien verwendet, und dabei die Generierung eines Mittelflächennetzes oder die Verwendung eines standard volumetrischen Netzes vermeidet.
Gemäß der Erfindung ist eine computerimplementiertes Verfahren zur Simulation eines Fluidflusses in Anspruch 1 und ein computerimplementiertes Verfahren zur Durchführung eine Strukturanalyse in Anspruch 23 definiert.
Weitere wichtige Gegenstände der Erfindung sind in den Merkmalen der Unteransprüche ausgeführt.
Die unten aufgelisteten Abbildungen dienen als nähere Erläuterung beim Lesen der Beschreibungen.
1 Vergleich eines Volumenmodells mit einem Mittelflächenmodell;
2 Finite Elemente Netz eines Lampensockels;
3 STL-File eines kastenartigen Formteils;
4 Füll-Isochronen Simulation durchgeführt in einem Oberflächennetz ohne innere Fachwerk Struktur, Ober- und Unteransicht;
5 Oberflächenmodell-Verfahren gemäß der Erfindung mit innerer Struktur -Schnitt durch das Formteil.
6 Füll-Isochronen Simulation ausgeführt im Oberflächennetz mit innerer Fachwerk Struktur gemäß der Erfindung, Ober- und Unteransicht;
7 Schwindungs- und Verzugssimulation (y-Richtung) eines anisotropen (fasergefüllten) Kunststoffteils gemäß der Erfindung, Vergleich Mittelflächen- und Oberflächenmodell;
8 Behandlung von Kräften mit und ohne Oberflächenmodell-Verfahren mit interner Struktur gemäß der Erfindung;
9 Füll-Isochronen Vergleich zwischen dem Gegenstand der Erfindung und US Patent 6,096,088;
10 Spritzpressen;
11 Sandwich Injection Moulding Vergleich Mittelflächen- und Oberflächenmodell-Verfahren gemäß der Erfindung.
Gemäß der Erfindung verläuft die Simulation wie folgt:

1. Lesen des Geometriebeschreibungs-Files (.stl, .vrml, IGES, STEP, VDA-FS, FEM-Volumenmodell, FEM-Oberflächenmodell)
2. Lesen der Materialparameter (Viskosität, thermische Parameter)
3. Lesen der Prozessparameter (Massetemperatur, Volumenrate, Nachdruck, Nachdruckdauer, Wandtemperatur, Injektionspunkt)
4. Reparieren der Geometriebeschreibung wenn nötig
5. Generierung des Oberflächennetzes
6. Messen der Dicke
7. Generieren der internen Struktur
8. Definieren des Anspritzpunktes und/oder des Angusssystems
9. Definieren der Randbedingungen der Simulation
10. Durchführen der Kalkulation
11. Speichern der Ergebnisse einige der oben genannten Schritte sind in manchen Fällen nicht unbedingt notwendig.

Lediglich die Punkte 4, 6, 7 and 11 unterscheiden sich von einer Berechnung im Mittelflächenmodell.
Punkt 4 unterscheidet sich, da die Geometriebeschreibung bei der Benutzung eines Mittelflächenmodells normalerweise so akzeptiert wird, wie sie ist. Für das Oberflächenmodell-Verfahren gemäß der Erfindung muss die Geometrie eine geschlossene Oberfläche sein.
Punkt 6 unterscheidet sich, weil die Dicke in einem Mittelflächenmodell bereits definiert ist.
Punkt 7 unterscheidet sich, weil ein Mittelflächenmodell keine interne Struktur benötigt.
Punkt 11 unterscheidet sich, weil einige Werte auf der internen Struktur vernachlässigt werden müssen.
Im Detail müssen die folgenden Schritte ausgeführt werden, um eine Simulation, die die beschriebene Erfindung benutzt, ablaufen zu lassen:

1. Eingabe für die Simulation ist eine äußere Haut oder volumetrische Geometriebeschreibung des Formteils. In Fällen von Einlegeteilen wird die Berührfläche des eingespritzten Materials mit dem Einlegeteil als Haut verstanden. Das kann ein CAD File sein, wie IGES, VDA-FS, STEP oder ein Finite Element File der Dreiecke, Vierecke, Hexader, Pentaeder oder ein anderes Format enthält, welches das Volumen oder die äußere Haut Geometrie des Teils beschreibt von dem oberflächenbeschreibende Einheiten, wie dünnschalige Dreiecke (.stl, .vrml) abgeleitet werden können. Ein allgemeines Format um Formteilgeometrien zu beschreiben, ursprünglich für Rapid Prototyping gemacht, ist ein so genannter STL-File. Im Falle, dass eine Oberflächenbeschreibung wie IGES, VDA-FS oder eine volumetrische Beschreibung wie STEP, die eine Oberflächenbeschreibung enthält oder von der eine Oberflächenbeschreibung abgeleitet werden kann, benutzt wird, muss die Oberfläche in Finite Elemente unterteilt werden. Das ist ein üblicher Arbeitsschritt bei der Berechnung mit Finiten Elementen.
2. Die Materialdaten können von der Materialdatenbank gelesen werden oder direkt vom Anwender eingegeben werden. Die notwenigen Daten sind dieselben, wie für die anderen Simulationsverfahren (Mittelfläche, 3D Volumen, BEM) also ist dies Standard. Das Simulationsprogramm benötigt Daten um die Viskosität, die Dichte und das thermische Verhalten zu beschreiben.
3. Die Prozessparameter geben die nötigen Randbedingungen für die Simulation. Das sind mindestens: die Temperatur des eingespritzten Materials, der Volumenstrom der Injektion, die Wandtemperaturen, das bedeutet die Temperatur an der Oberfläche der Kavität, die Anspritzpunkte, gemeint sind die Stellen an denen die Schmelze in die Kavität eingespritzt wird. Wenn eine Nachdruck Simulation gewünscht ist, braucht das Programm zusätzlich den Nachdruck und die Nachdruck Zeit.
4. Die Beschreibung des Teils für das Oberflächenmodell ist eine geschlossene Oberfläche. Manchmal entsprechen die gegebenen CAD-Daten nicht diesem Anspruch, das heißt, sie beschreiben keinen dreidimensionalen Körper. Wenn die Oberfläche z.B. Lücken aufweist, müssen diese geflickt werden. Wenn Teile der Oberflächen zweifach existieren, muss eine gelöscht werden. Die Algorithmen sind ausreichend robust, um einen bestimmten Anteil an Mängeln nach dem Reparieren auszugleichen ohne einen signifikanten Fehler in den Ergebnissen aufzuweisen. Zusätzlich zu den Netzregeln für Mittelflächenmodelle gibt es zwei weitere Gebote für Oberflächenmodelle. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Oberflächeninformation die gesamte berührende Oberfläche des Fluids mit ihrer Umgebung beschreibt, einschließlich möglicher Einlegeteile:
1. Lücken in der Oberfläche müssen als Fehler im Netz betrachtet werden.
2. Mehr als zwei Elemente die sich eine Kante (Abzweigung) teilen, können aus topologischen Gründen nicht korrekt sein.
5. Für die Finite Elemente Simulation muss ein Finite Elemente Netz generiert werden, welches die Oberfläche approximiert. Das ist Standard bei Finite Elemente Analysen. Die Elemente können im Prinzip Dreiecke oder Vierecke sein. Das Oberflächenverfahren benutzt Dreiecke. Das Finite Elemente Netz, das auf CAD Oberflächen generiert oder durch eines der Formate in 1. gegeben ist, erfüllt die Bedürfnisse eines Finite Elemente Netzes für die Fließsimulation eventuell nicht angemessen. Deshalb kann es für korrekte und schnelle Simulationen notwendig sein, das Finite Element Netz interaktiv oder automatisch zu modifizieren, zu „reparieren", zu verfeinern oder zu vergröbern.

Z.B. enthält ein STL-Eingabefile dreieckige Facetten. Diese wurden ursprünglich hergestellt, um die Oberfläche eines Teils innerhalb einer gegebenen Toleranz zu der wahren konstruierten Oberfläche mit einer Mindestanzahl an Facetten zu beschreiben. Das führt zu sehr verzerrten Dreiecken verglichen mit einem gleichseitigen Dreieck. Auch produzieren starke Krümmungen, wie sie bei Radien gefunden werden, eine hohe Anzahl an Facetten.
Dreiecke sind bei Simulationen eine bestimmte Art von „Elementen". Die Gesamtheit von Elementen, die das Teil beschreibt, wird Netz genannt, die Ecken der Elemente sind durch „Knoten" definiert. Die Mittelflächen Simulation erfordert eine befriedigend hohe Anzahl an Elementen, um die Veränderungen der physikalischen Eigenschaften aufzulösen. Zu viele Elemente können die Simulation verlangsamen und so die Effizienz reduzieren. Die Numerik benötigt Elemente mit geringer Verzerrung. Damit das Fließen von einem Element zum angrenzenden Element stattfinden kann, müssen sich diese Elemente eine Kante teilen, dies wird Verbundenheit genannt.
Für das Ziel eine Oberflächensimulation durchzuführen, sind die Anforderungen bezüglich der Anzahl der Elemente, Form und Verbundenheit dieselben, wie bei einem Mittelflächenmodell.
Deshalb ist der nächste wichtige Schritt die gegebene Facettenstruktur so vorzubereiten, dass sie zu diesen Regeln passt. Während des Vorbereitungslaufs wird die Facettenstruktur so neu vernetzt, dass sie zu einer vordefinierten Elementgröße (= Kantenlänge) passt. Verzerrungen werden so weit wie möglich aufgelöst. Durch die Vergrößerung der Toleranz zur original Oberfläche wird die Zahl der Anhäufungen von Elementen an Radien verringert. Es werden so viele Lücken wie möglich geschlossen. Isolierte Elemente oder Anhäufungen dieser Elemente werden auf Wunsch entfernt.
Bis dahin sind noch keine für die Simulation spezifischen Schritte gemacht worden. Gleiches könnte mit Software von Dritten z.B. DeskArtes durchgeführt werden.

6. Um eine Prozesssimulation durchzuführen, benötigt der Gleichungslöser eine numerische Information über die lokale Formteildicke. Das gilt sowohl für die Mittelfläche als auch für das Oberflächenmodell. Beim Oberflächenmodell ist es möglich die lokale Dicke durch die Messung der Länge eines Vektors zu bestimmen, der im Schwerpunkt eines jeden Dreiecks normal zur Elementebene in Richtung in das Innere des Teils verläuft, bis der Vektor das Formteil verlässt. Das ist die erste definierte Dicke. Wenn keine sinnvolle Vektorlänge gefunden werden kann, weil z.B. der STL-File beschädigt ist, wird eine sinnvolle Dicke automatisch definiert. Zusätzlich kann der Benutzer einen Bereich definieren, in der die Dicke liegen soll. Weiterhin sind diese Dicken durch das folgende Verfahren begrenzt: Für jedes andere Element wird seine Dicke und seine Entfernung zum Element, dessen Dicke begrenzt sein soll, aufsummiert. Die begrenzte Dicke ist das Minimum der besagten Summen und der ersten definierte Dicke. Statt aller anderen Elemente kann nur ein Teil der Elemente für die Begrenzung der Dicke verwendet werden.
7. Außer für triviale Formteile würde die Durchführung einer Simulation mit solch einem Netz wahrscheinlich sinnlose Ergebnisse ergeben. Da die Fließrichtung im Voraus nicht bekannt ist, wird das Oberflächennetz mit einem Fachwerk aus Stabelementen gefüllt, das sich innerhalb einer sinnvollen kurzen Distanz und einer sinnvollen geringen Abweichung von der normalen Richtung von Knoten zu Knoten durch das Innere des Teils erstreckt. Diese Stabelemente haben einen physikalischen Durchmesser um den Fließwiderstand darzustellen.

Das Simcon Oberflächenmodell-Verfahren bildet durch das Generieren zweiknötiger Elemente innerhalb des Formteilvolumens, wie in einem dreidimensionalen Fachwerk ein semi-volumetrisches Netz. (5). In dem dreidimensionalen Finite Elemente Fachwerk sind generell alle Knoten miteinander verbunden. Aber aus praktischen Gründen (Berechnungszeit und Speicher) werden die zweiknötigen Elemente nur zwischen Knoten, die nah bei einander liegen, deren Winkel zur Flächennormalen in einem bestimmten Bereich liegen und deren Verbindungslinien innerhalb des Formteils liegen, gebildet. Im Oberflächenmodell-Verfahren bedeutet nah beieinander, dass die Entfernung zwischen den Knoten kleiner als ein Vielfaches der durchschnittlichen Dicke der umgebenden Elemente der Knoten ist.
Die Länge der internen zweiknötigen Elemente ist proportional zu der bestimmten lokalen Formteildicke plus einer gegebenen Toleranz. Den internen zweiknötigen Elementen wird ein parametrischer Durchmesser gegeben, der mit der bestimmten lokalen Dicke in Verbindung steht. Das erlaubt der Schmelze nicht nur parallel zur Oberfläche zu fließen, sondern auch aus ihr heraus und an einem anderen Punkt in sie hinein.
Da eine der Annahmen der generalisierten Hele-Shaw Approximation ist, dass der Fluss eine lokale parallele Plattenströmung ist, bedeutet ein Fluss senkrecht zur Oberfläche einen Gegensatz zu dieser Annahme. Deshalb sollte dieser Teil des Verfahrens in der beschriebenen Erfindung als eine Verallgemeinerung der generalisierten Hele-Shaw-Approximation angesehen werden.
Alle Arbeiten für dieses Modell können in der Phase der Vorbereitung der Geometrie durchgeführt werden. Der Löser des Berechnungskerns bleibt immer noch der gleiche.

8. Im nächsten Schritt muss die Stelle des Einspritzpunktes bestimmt werden. Dies kann entweder durch die Wahl einer willkürlichen Stelle auf der Oberfläche des Formteils oder durch Eingabe der exakten Koordinaten dieses Punktes geschehen. Wenn der definierte Punkt nicht auf der Oberfläche liegt, wird der definierte Punkt in Richtung der augenblicklichen Betrachtungsrichtung auf die Oberfläche des Teils projiziert. Der Einspritzpunkt wird in das Netz integriert indem das Element, in dem er liegt, falls notwendig, geteilt wird. Falls definiert, werden Verteilersegmente als zweiknötige Stabelemente mit einem bestimmten Durchmesser vernetzt. Nicht kreisrunde Querschnitte werden in den äquivalenten hydraulischen Durchmesser, bekannt aus der allgemeinen Strömungslehre, umgewandelt. Sie können als Kalt- oder Heißkanalverteiler definiert werden.
9. In Abhängigkeit von der Materialauswahl müssen die Prozessparameter entweder festgelegt oder von den empfohlenen Daten angenommen werden. Des Weiteren muss das Injektionsprofil oder eine konstante Geschwindigkeit, basierend auf dem Volumen des Formteils, abgeleitet vom Eingabe Datensatz, definiert werden. Der einzige Unterschied zu der Mittelflächensimulation ist die Art wie das zu füllende Volumen definiert wird. Bei einer Mittelfläche kann dies nur auf den Elementflächen und den ihnen zugewiesene Dicken basieren. Dieses kann auf den Daten der Eingabegeometrie basieren. Das bedeutet, das Volumen, das durch die Oberfläche eingeschlossen wird, wird verwendet.
10. Die Simulation kann mit und auf dieselbe Art ausgeführt werden wie mit dem standard Mittelflächenlöser: Die Simulation beginnt damit die benachbarten Knoten jedes Knotens zu ermitteln und das Volumen jedes Kontrollvolumens zu bestimmen. Dafür wird das Volumen der Verbindungselemente auf Null gesetzt. Dann werden die Starwerte gesetzt. Das bedeutet, dass die Kontrollvolumen am Anspritzpunkt einen Füllfaktor von 1 erhalten, alle anderen einen von 0.

Die Temperatur und der Druck am Anspritzpunkt werden gesetzt.
Nach der Initialisierung wird für jeden Zeitschritt folgendes berechnet:

• Druck
• Fließraten zwischen Kontrollvolumen
• Füllfraktionen der Kontrollvolumen
• Temperaturen

Mittelfläche und Oberflächenmodelle können vermischt werden. Die lokalen Volumenströme des Oberflächenmodells werden an das reale Fließverhalten angepasst. Das bedeutet, dass sie durch das Verhältnis der Volumen, die durch die Summe der Kontrollvolumen generiert sind, und dem realen Formteilvolumen berechnet aus der Oberflächeninformation skaliert sind.

11. Während und am Ende der Berechnungen werden die Berechnungsergebnisse gespeichert. Diese sind z.B. die Druckverteilung, die Temperaturverteilung, das Füllbild, die Temperatur der Fließfront, die Fließfrontgeschwindigkeit und die Volumenschwindung (6).
12. Die Präsentation der Ergebnisse wird auf dem originalen oder dem modifizierten Eingabefile ausgeführt.

Die für das Oberflächenmodell-Verfahren generierte interne Struktur kann nicht nur für die Fließsimulation genutzt werden, sondern auch für Strukturanalysen. Solche ergeben sich z.B. bei der Vorhersage von Schwindung und Verzug spritzgegossener Teile mit isotropem und anisotropem Materialverhalten (7).
Wenn eine mechanische Analyse in einem Oberflächenmodell gemacht wird, und die Oberfläche nur als eine äußere Haut modelliert ist, werden einige innere Kräfte nicht richtig behandelt. Ein Beispiel hierfür ist eine T-Verzweigung. Wenn zum Beispiel die Rippe auf den Querbalken drückt, werden die Kräfte nur auf die obere Schale übertragen. Deshalb wird diese zu stark gekrümmt, die untere Schale auf der anderen Seite wird nicht gekrümmt. Um dies zu verhindern, wird die innere Struktur des Oberflächenmodell-Verfahren dazu benutzt, diese Kräfte zu übertragen. Die zweiknötigen Elemente sind in der Lage, Kräfte in Richtung der Linie zwischen ihren Knoten zu übertragen. Die mechanischen Werte dafür werden durch die durchschnittlichen Werte der Schalenelemente berechnet, die die Knoten eines zweiknotigen Elements umgeben (8).
Für die Bestimmung der Spannung, die aus der Schwindung resultiert und den Lastvektor festlegt, wird die durchschnittliche, relative Änderung der Länge der Schalenelemente, die die Knoten des Zylinders umgeben, berechnet. Aus diesen Werten und den mechanischen Daten wird die Spannung in herkömmlicher Weise für die Stabelemente berechnet. Das bedeutet, dass der Verzug mit der Elastizitätsmatrix multipliziert wird.
Das erfundene Verfahren berücksichtigt auch die Massenerhaltung, deshalb werden Unterbrechungen (Sprünge) in der Fließfront, wie sie in dem im US Patent 6,096,088 beschriebenen Verfahren auftreten, nicht auftauchen (9).
Mit dem erfundenen Verfahren ist es genauso einfach ein Verteilersystem anzupassen wie in einem Mittelflächenmodell, da die innere Struktur, in der alle Knoten miteinander verbunden sind, der Schmelze erlaubt, sich ohne zusätzlichen mathematischen Aufwand, wie Synchronisation, von jeder Stelle der Oberfläche in das Innere der Kavität zu verteilen.
Das erfundene Verfahren ermöglicht es Kaskadenspritzgießen zu simulieren indem der Schmelzfluss mehrere Male während der Füll- und Nachdruckphase an einer oder mehreren Stellen im Verteilersystem ein und ausgeschaltet wird.
Das erfundene Verfahren ermöglicht das Spritzpressen zu simulieren, wobei während oder nach dem Einspritzen des Kunststoffs eine Hälfte oder ein Teil des Werkzeugs bewegt wird, um eine Pressphase zur Füllung der Kavität und/oder das Aufbringen von Nachdruck durchzuführen (10).
Das erfundene Verfahren ermöglicht es spezielle Spritzgießprozesse wie das Sandwich Spritzgießen zu simulieren, bei dem zwei verschiedene Fluide in aufeinander folgenden Einspritzvorgängen in dieselbe Kavität eingespritzt werden. (11).
Das erfundene Verfahren ermöglicht es zusätzliche Software anderer Quellen genauso einfach wie bei einer Mittelflächensimulation anzupassen, weil die interne Struktur es ermöglicht, ein Finite Elemente Modell auf die gleiche Weise zu behandeln wie ein Mittelflächenmodell. Ein Beispiel hierfür ist die Adaption von Anspritzpunktoptimierungssoftware, die ursprünglich für die Mittelflächensimulation entwickelt wurde.
Das erfundene Verfahren ermöglicht es die innere Struktur für die Bestimmung und die Präsentation der Dickenschwindung zu benutzen, ein häufig auftretendes Oberflächenqualitätsproblem von Kunststoffteilen (8).

Claims

Computer-implementiertes Verfahren zur Simulation eines Strömungsflusses in dünnwandigen dreidimensionalen Geometrien, in welchen die Eingabe für die Simulation eine äußere Haut oder eine volumetrische Geometriebeschreibung ist, wobei ein Finite-Elemente-Netz auf der Oberfläche der äußeren Haut oder der volumetrischen Geometriebeschreibung generiert wird, zur Gewinnung einer numerischen Information der lokalen Formteildicke eine erste Dicke durch Messung der Länge des Vektors, ermittelt wird, der von dem Schwerpunkt jedes Polygons normal zur Elementebene in das Innere des Teils verläuft bis er dieses Teil verlässt, innerhalb des Oberflächennetzes ein Fachwerk von internen Stabelementen generiert wird, die von Knoten zu Knoten der Polygone durch das Innere des Teils innerhalb eines sinnvollen kleinen Abstandes von der Normalenrichtung verlaufen, nach der Festlegung der Injektionspunkte auf den Polygonen, der Materialparameter für ein Fluid und der Prozessbedingung eine Strömungssimulation durchgeführt wird, bei der das generierte Netz und die internen Stabelemente verwendet werden, und zumindest der Druck und die Fülllinien für das besagte Fluid abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Falle von Einlegeteilen die Oberfläche des eingespritzten Materials am Einlegeteil als Oberfläche in demselben Sinn verstanden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eingabe ein CAD File wie IGES, VDA-FS, STEP oder ein Finite Elemente Netz ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Eingabedateien Dreiecke, Tetraeder, Vierecke, Hexaeder, Pentaeder oder eine Geometrie der äußeren Haut des Teils enthalten, von der Oberflächen beschreibende Einheiten wie dünnschalige Dreiecke abgeleitet werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingabe Material- und/oder Prozessparameter enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Lücken und Verzweigungen automatisch erkannt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Finite-Elemente-Netz interaktiv oder automatisch modifiziert, repariert, verfeinert oder vergröbert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Definition der lokalen Dicke, falls keine sinnvolle Vektorlänge gefunden werden kann, eine sinnvolle Dicke automatisch definiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der lokalen Dicke von dem Benutzer ein Bereich angegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der lokalen Teildicke die zuerst definierte Dicke durch das Minimum der zuerst definierten Dicke und die individuellen Summen der Dicke und der Distanz zu jedem anderen Element beschränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei nur ein Teil von allen anderen Elementen zur Begrenzung der Dicke benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei den besagten internen Stabelementen ein parametrischer Durchmesser gegeben wird, welcher mit der bestimmten lokalen Dicke in Beziehung steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Injektionspunkt durch Aufteilen des Elements, in dem er liegt, in das Netz integriert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteilergeometrien mit Stabelementen des zugewiesenen Durchmessers vernetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei nicht kreisförmige Querschnitte in einen äquivalenten hydraulischen Durchmesser überführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Stabelemente als Kalt- oder Heißverteiler definiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lokale Volumenstrom für das Oberflächenmodell an das reale Verhalten adaptiert wird, das heißt, die Volumenströme werden durch das Verhältnis der Volumen gebildet durch die Summe der Kontrollvolumina und des Teilvolumens, welches durch die Oberfläche des Teils umfasst wird, skaliert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Massenerhaltung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere Struktur aus besagten internen Stabelementen dem Fluid erlaubt, sich von jeder Stelle der Oberfläche aus ohne mathematischen Aufwand, wie z. B. Synchronisation, auszubreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Kaskaden-Spritzgießen zugelassen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehendem Ansprüche, wobei die Simulation von Spritzprägen durch Modifikation der lokalen Dicke erlaubt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es möglich ist, besondere Spritzgießtechniken wie das Sandwichspritzgießen zu simulieren, wobei zwei verschiedene Fluide hintereinander in die gleiche Kavität eingespritzt werden.
Computer-implementiertes Verfahren zur Durchführung einer Strukturanalyse innerhalb dünnwandiger dreidimensionaler Geometrien, wobei die Eingabe für die Analyse eine äußere Haut oder eine volumetrische Geometriebeschreibung ist, wobei ein Finite-Elemente-Netz auf der Oberfläche generiert wird und um eine numerische Information der lokalen Formteildicke zu erhalten, eine erste Dicke durch Messung der Länge des Vektors, der vom Schwerpunkt jedes Polygons normal zur Elementenebene in das Innere des Teils verläuft bis er das Teil verlässt, erzielt wird, innerhalb des Oberflächennetzes ein Fachwerk aus internen Stabelementen generiert wird, die von Knoten zu Knoten der Polygone durch das Innere des Teils innerhalb eines sinnvollen Abstandes von der Normalenrichtung verlaufen, nach der Definition der Materialeigenschaften, der Randbedingungen und der Last, unter dem Gebrauch der generierten Struktur eine Strukturanalyse ausgeführt wird und als Ergebnis dieser Analyse zumindest die Knotenverschiebungen und die Restspannung abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Stabelemente der internen Struktur mit mechanischen Eigenschaften ausgestattet sind und somit Lasten übertragen können.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die innere Struktur benutzt wird, um die Dickenschwindung zu bestimmen und zu präsentieren.