Diese Studienarbeit befasst sich mit der Erstellung einer Methodik zur automatisierten Verrippung von Kunststoffspritzgussbauteilen auf Basis der wirkenden Belastungen. Dazu wird ein Makro mit CATVBA erstellt, welches das CAD-Programm CATIA V5 mit dem zum Bereich CAE gehörenden FEM-Solver Abaqus verknüpft. Die Verrippung erfolgt in mehreren Zyklen, bis das Zielkriterium erfüllt wird. In jedem Zyklus wird dazu zunächst eine Rippenkontur erstellt, eine Rippe als Flächenmodell daraus aufgebaut und anschließend das gesamte Bauteil vernetzt. Zuletzt folgt die Berechnung, die dann die Grundlage für den nächsten Zyklus bildet. Erst nach Erreichen des Endzustandes wird das Flächenmodell in ein fertigungsgerechtes Volumenmodell umgewandelt. Um möglichst viele Rippenformen und Rippenkonstellationen erzeugen zu können, wird die parametrisch-assoziative Konstruktionsmethode verwendet. Als Ziel dieser Arbeit soll somit ein Tool vorliegen, das die Disziplinen CAD und CAE parametrisch-assoziativ miteinander koppelt und als Grundlage für weitere Forschungen auf diesem Gebiet dienen kann.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Aufgabenstellung
1.3 Vorgehensweise
1.4 Hinweise zur Nomenklatur
2 Grundlagen
2.1 Automatisierungstechniken in CATIA V5
2.1.1 Duplicated Geometrical Feature Set
2.1.2 Power Copy
2.1.3 Makros
2.1.4 Applikationen
2.1.5 Reactions
2.2 Parametrisch-assoziative Konstruktionsmethode
2.3 Strukturmechanik von Spritzgussbauteilen
2.4 Gestaltungsregeln zur Konstruktion von Spritzgussbauteilen
2.5 CAx-integrierte FEM-Simulation
2.5.1 Notwendigkeit der Lösung von nichtlinearen Systemen
2.5.2 Vorteile der CAx-integrierten Simulation
2.5.3 Simulationsumgebungen in CATIA V5
2.5.4 Vernetzungsmethoden
2.6 Topologieoptimierung
3 Methodisches Vorgehen
3.1 Anforderungen an den Prozess
3.2 Umsetzung der Rippenkonstruktion
3.3 Umsetzung der Domkonstruktion
3.4 Erstellung der Rippenstruktur
3.5 Modellerstellung zur Anwendung der FEM
4 CATVBA Module
4.1 Voraussetzungen zum Start der Module
4.2 Ablaufsteuerung
4.3 Berechnung
4.4 Konturerzeugung mit Setzalgorithmus
4.5 Flächenerzeugung
4.6 Volumenerzeugung
4.7 Funktionen und Unterprogramme
5 Anwendung des Optimierungstools
5.1 Nutzungsanleitung
5.2 Beispieloptimierung eines Bauteils
6 Zusammenfassung
7 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Studienarbeit ist die Erarbeitung einer Methodik zur automatisierten Struktur- und Bauteiloptimierung von Kunststoffspritzgussteilen. Durch die Integration von CAD (CATIA V5) und CAE (Abaqus) in einen prozesssicheren, parametrisch-assoziativen Workflow soll eine effiziente Verrippungsstrategie entwickelt werden, die den Anforderungen an eine fertigungsgerechte Konstruktion bei gleichzeitig optimaler Ausnutzung der mechanischen Belastbarkeit entspricht.
- Automatisierung des Konstruktions- und Optimierungsprozesses mittels CATVBA-Makros.
- Entwicklung einer CAD-CAE-Schnittstelle zur direkten FEM-Simulation ohne Datenverluste.
- Anwendung von Gestaltungsregeln für Spritzgussbauteile unter Berücksichtigung von Entformbarkeit und Materialanhäufungen.
- Implementierung eines Setzalgorithmus zur positionsgenauen Optimierung der Rippenstruktur.
- Validierung der Methodik anhand einer exemplarischen Bauteiloptimierung.
Auszug aus dem Buch
2.3 Strukturmechanik von Spritzgussbauteilen
Beim Einwirken einer Kraft auf ein Bauteil ist die dabei erzielte Verformung eine wichtige Kenngröße. Aus dem Verhältnis von Kraft zu Verformung wird die Steifigkeit bestimmt. Die Biegesteifigkeit ist dabei proportional zum Elastizitätsmodul des Werkstoffes und dem Flächenträgheitsmoment des beanspruchten Querschnittes:
K ~ E · I
Wie in Abbildung 2-4 ersichtlich, besitzen Kunststoffe im Vergleich zu Metallen einen deutlich geringeren Elastizitätsmodul. Auch der E-Modul, der durch den Zusatz von Kurzfasern entstehenden faserverstärkten Kunststoffe (FVK), liegt nur geringfügig höher. Für eine ausreichende Biege- und Torsionssteifigkeit müssen deshalb konstruktive, formgebende Maßnahmen ergriffen werden. Als besonders effektiv haben sich dabei die Verwendung von Sicken und Rippen herausgestellt. Beides kann im Spritzgussprozess, unter Beachtung der Gestaltungsregeln für Kunststoffbauteile, relativ einfach realisiert werden.
Das Flächenträgheitsmoment eines Bauteils ist abhängig vom Querschnitt. Wird als Basis eines auf Biegung belasteten Bauteils ein rechteckiger Querschnitt herangezogen, berechnet sich das Flächenträgheitsmoment mithilfe folgender Formel:
I = (B · H³) / 12
Daraus wird deutlich, dass die Höhe des betrachteten Querschnittes in dreifacher Potenz in das Flächenträgheitsmoment und damit auch in die Steifigkeit eingeht. Somit ist die Erhöhung der Wanddicke deutlich effektiver als die Beeinflussung des E-Moduls, der nur einen linearen Einfluss auf die Steifigkeit besitzt. Eine vergrößerte Wanddicke wirkt sich allerdings negativ auf die Abkühlzeiten und damit auf die Fertigungszeiten aus. Aus diesem Grund wird die Steifigkeitserhöhung durch Rippen bzw. Sicken der Wanddickenvergrößerung vorgezogen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Gewichtsoptimierung von Bauteilen in der Automobilindustrie und definiert die Aufgabenstellung der Arbeit zur Entwicklung eines automatisierten CAD-CAE-Workflows.
2 Grundlagen: Erläutert Automatisierungsmöglichkeiten in CATIA V5, die parametrisch-assoziative Konstruktionsweise, strukturelle Mechanik von Kunststoffen sowie theoretische Hintergründe zur FEM-Simulation und Topologieoptimierung.
3 Methodisches Vorgehen: Definiert die Anforderungen an den Prozess und beschreibt die methodische Umsetzung der Rippen- und Domkonstruktion sowie die Vorbereitung des FEM-Modells.
4 CATVBA Module: Detailliert die Programmstruktur und Funktionsweise der einzelnen Makro-Module wie Ablaufsteuerung, Berechnung, Konturerzeugung und Flächenerzeugung.
5 Anwendung des Optimierungstools: Bietet eine praktische Anleitung zur Nutzung des entwickelten Tools und dokumentiert eine Beispieloptimierung eines Bauteils.
6 Zusammenfassung: Fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und bewertet die entwickelte Methodik hinsichtlich der erreichten CAD-CAE-Integration.
7 Ausblick: Skizziert potenzielle Erweiterungsmöglichkeiten der Methodik, wie die Einbeziehung weiterer Konstruktionsfälle oder eine verbesserte graphische Benutzerführung.
Schlüsselwörter
CAD, CAE, CATIA V5, Abaqus, FEM-Simulation, Spritzguss, Rippenkonstruktion, Automatisierung, CATVBA, Strukturmechanik, Parametrisch-assoziative Konstruktion, Topologieoptimierung, Bauteiloptimierung, Kunststoffbauteile, Fertigungsgerechte Gestaltung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Methodik zur automatisierten strukturellen Optimierung von Kunststoffspritzgussteilen durch eine enge Kopplung von CAD- und CAE-Systemen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Felder umfassen die Automatisierung in CATIA V5, die strukturmechanische Auslegung von Kunststoffteilen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) sowie die fertigungsgerechte Gestaltung von Rippenstrukturen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist die Erstellung einer Umgebung, die es ermöglicht, Rippenkonfigurationen basierend auf wirkenden Belastungen automatisiert zu optimieren, um so eine zeitsparende und prozesssichere Entwicklung zu gewährleisten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommt ein iterativer Optimierungsprozess zum Einsatz, der durch ein CATVBA-Makro gesteuert wird, welches CATIA V5 mit dem FEM-Solver Abaqus zur Berechnung nichtlinearer Systeme verknüpft.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der Automatisierung und Strukturmechanik, das methodische Vorgehen bei der Konstruktion und Vernetzung sowie die detaillierte Programmierung der einzelnen CATVBA-Module.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind CAD-CAE-Integration, Automatisierung, Rippenkonstruktion, Spritzguss, CATVBA, FEM-Simulation und Strukturoptimierung.
Warum wird für die Automatisierung gerade CATVBA verwendet?
CATVBA wurde gewählt, da es eine strukturierte Unterteilung in Module erlaubt, benutzerfreundlicher als der interne Makro-Editor ist und die Erstellung eigener graphischer Oberflächen sowie das Debugging komplexer Prozesse ermöglicht.
Wie werden die bei der Topologieoptimierung typischen Hinterschneidungen gelöst?
Die Arbeit umgeht die Problematik komplexer organischer Strukturen durch eine regelbasierte Rippenkonstruktion, die eine Entformung in der Hauptentformungsrichtung ermöglicht, anstatt additive Fertigungsverfahren zu erzwingen.
- Quote paper
- Tim Winter (Author), 2018, Methodik einer automatisierten CAD-CAE-integrierten Verrippung von Kunststoffbauteilen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/421315
