Methodik einer automatisierten CAD-CAE-integrierten Verrippung von Kunststoffbauteilen


Studienarbeit, 2018
145 Seiten, Note: 1,0

Leseprobe

Inhalt

Vorwort mit Danksagung

Kurzfassung/Abstract

Inhalt

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Symbolverzeichnis

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

Quellenverzeichnis

Anhang

Vorwort mit Danksagung

Diese Studienarbeit entstand im Rahmen des dualen Bachelorstudiengangs Fahrzeugtechnik mit der Vertiefungsrichtung Aufbauentwicklung an der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften parallel zu meinem sechsten und siebten Fachsemester. Sie stellt einen weiteren Schritt zur Erlangung des Grades Bachelor of Engineering dar.

Ich möchte mich bei allen Personen bedanken, die mir während der Erstellung unterstützend, Rat gebend oder motivierend zur Seite standen und so ihren Teil zu dieser Arbeit beigetragen haben.

Speziell danke ich Prof. Dr.-Ing. Martin Müller für die Betreuung und Bewertung.

Des Weiteren gilt mein besonderer Dank Dipl.-Ing. Igor Sokrut, der mir durch seine Fachkenntnis einen einfachen Zugang zu der mir vorher fremden Thematik der Makroprogrammierung ermöglichte und auch während der Bearbeitung in gemeinsamen Diskussionen half, Lösungsansätze für Probleme zu finden.

Zuletzt danke ich meiner Familie und meinen Freunden die mich über den gesamten Zeitraum hinweg unterstützt haben und sich die Zeit zum Korrekturlesen nahmen.

Kurzfassung

Die vorliegende 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.

Abstract

The present paper deals with the development of a methodology for the automated ribbing of plastic injection molded components based on the acting loads. For this purpose, a macro with CATVBA is created that links the CAD program CATIA V5 with the CAE-related FEM solver Abaqus. The ribbing involves several cycles until the target criterion is met. In each cycle, a rib contour is first created, and then a rib is constructed as a surface model followed by the meshing of the entire component part. Finally the calculation is performed, which forms the base for the next cycle. Only after the model has reached its final state, the surface model is converted into a manufacturability volume model. The parametric-associative design method is used in order to be able to create as many rib shapes and rib constellations as possible. The aim of this paper should be a tool that connects the CAD and CAE disciplines in a parametric-associative way and can serve as base for further research in this field.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2─1: Erzeugung einer Rippe mittels Power Copy

Abbildung 3─1: Anwendung der Boolean Operation Remove

Abbildung 3─2: Erzeugung eines Loches mittels Split

Abbildung 2─2: Übersicht der E-Module verschiedener Werkstoffe ([16] S.320)

Abbildung 2─3: Vergleich der Steifigkeit einer gerippten und gesickten Fläche ([8]S.146)

Abbildung 2─4: Skizze des Plattenquerschnittes für Fall 2

Abbildung 2─5: Zusammenhang Rippendicke-Einfallstellen-Kerbwirkung ([13] S.169)

Abbildung 2─6: Vermeidung von Einfallstellen am Übergang zw. Rippen und Basis ([13] S.169)

Abbildung 2─7: Übergang zwischen Rippen und Grundstruktur ([13] S.169)

Abbildung 2─8: Notwendige Entformungsschrägen an einem Formteil

Abbildung 2─9: Geometrische Zusammenhänge der Rippenhöhe

Abbildung 2─10: Abhängigkeit der Rippenmaximalhöhe von Entformungswinkel und Wanddicke

Abbildung 2─11: Möglichkeiten der Rippenanordnungen ([8] S.148)

Abbildung 2─12: Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines metallischen Werkstoffes [19]

Abbildung 2─13: Spannungs-Dehnungs-Diagramm verschiedener Kunststoffgruppen ([8] S.7)

Abbildung 2─14: Schalenelemente TR3S, TR6S und QD4 ([15] S. 172ff.)

Abbildung 2─15: Volumenelemente TE4 und TE10 ([15] S. 188f.)

Abbildung 2─16: Prinzip der Pixel-Methode ([22] S.213)

Abbildung 2─17: Schritte der Topologieoptimierung [29]

Abbildung 3─3: Mögliche Lagen der Vorgabeflächen

Abbildung 3─4: Aufbaustruktur der Rippen zur Berechnung

Abbildung 3─5: Teilflächen einer Rippe

Abbildung 3─6: Konstruktionsfeatures Wand 1/2

Abbildung 3─7: Konstruktionsfeatures Rand 1/2

Abbildung 3─8: Aufbaustruktur der Volumenkonstruktion der Rippe

Abbildung 3─9: Aufbaustruktur des Dom des Flächenmodells

Abbildung 3─10: Aufbaustruktur des Grundkörpers

Abbildung 3─11: Aufbaustruktur des Abzugskörpers

Abbildung 3─12: Rippenstruktur des Berechnungsmodells vor und nach dem Beschnitt

Abbildung 3─13: Aufteilung einer Rippe in mehrere Segmente

Abbildung 3─14: Rechteckiges Knotenelement für zwei verschiedene Schnittwinkel

Abbildung 3─15: Durch Knotenelemente vereinfachtes Flächenmodell

Abbildung 3─16: Zusammenfügen der Bodies des Volumenmodells

Abbildung 3─17: Netzstruktur ohne (links) und mit (rechts) ausgerichteten Einzelnetzen

Abbildung 3─18: Zusammengefügte, vernetzte Gesamtstruktur

Abbildung 4─1: Bestandteile einer Optimierungsschleife ([22] S.2)

Abbildung 4─2: PAP Modul Ablaufsteuerung

Abbildung 4─3: PAP Modul Berechnung

Abbildung 4─4: Fehlerhafte Materialmodelle

Abbildung 4─5: Quellcode zu Bestimmung des Berechnungsendes

Abbildung 4─6: PAP Modul Konturerzeugung

Abbildung 4─7: Rotation der Konturen

Abbildung 4─8: PAP Modul Flächenerzeugung

Abbildung 4─9: Fälle bei der Nummerierung einer komplexen Rippenkontur

Abbildung 4─10: Quellcode zur Erstellung zusammenhängender Konturen

Abbildung 5─1: 4-zyklischer Optimierungsprozess

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2─1: Vergleich V5 Automation API und CAAV5 API ([5] S.6)

Tabelle 3─1: Zuordnung der Dome zu den Rippen

Tabelle 5─1: Maximale Verformungen der einzelnen Zyklen

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Motivation

Im Kontext der ständigen Gewichtoptimierung des Gesamtfahrzeuges in der Automobilindustrie, die bspw. aufgrund immer strengerer Abgasnormen stattfindet, wird heutzutage versucht, die Einzelteile hinsichtlich ihrer Struktur zu optimieren. Dafür finden nach der Konstruktion sowohl Simulationen als auch Erprobungen statt. Da alle drei Gebiete in der Regel durch eigene Abteilungen durchgeführt werden, entstehen mehrere Schnittstellen, an denen mangelnder Informationsverlust ein zentrales Problem ist. Des Weiteren ist der Durchlauf dieser Kette sehr zeitintensiv, da es bei der Datenübergabe immer wieder zu Verzögerungen kommt.

Wenn diese Schnittstellen entfallen und der Konstrukteur direkt die Möglichkeit hat, sein Bauteil mithilfe der Finiten-Elemente-Methode zu analysieren, besteht hinsichtlich der Bauteilqualität und der Entwicklungszeit enormes Verbesserungspotential. Durch den ihm vollständig zur Verfügung stehenden Informationsumfang wird eine zielgerichtete Optimierung vereinfacht. Zwar kommt bereits heute teilweise der CATIA-integrierte Elfini-Solver zur Vorauslegung zum Einsatz, jedoch bietet dieser nur begrenzte Möglichkeiten. Des Weiteren muss der Konstrukteur speziell für diese Anwendung geschult werden, wenn er belastbare Ergebnisse erhalten möchte, da die Ergebnisse, bspw. abhängig von der Qualität des Netzes, signifikant variieren können.

Um diesen Punkt zu umgehen erscheint es sinnvoll, den Prozess zu automatisieren. Kombiniert mit einer selbstständigen Auswertung der Ergebnisse kann zudem weiter Zeit gespart werden, indem ebenso die Konstruktion bzw. Optimierung durch einen autonomen Prozess übernommen wird. Dadurch liegen bereits in einem frühen Entwicklungsstadium Komponenten vor, die an die realen Belastungen angepasst sind, was eine bessere Kalkulation der Bauteilkosten ermöglicht.

1.2 Aufgabenstellung

In dieser Studienarbeit soll eine Methodik erarbeitet werden die es ermöglicht, die Struktur von Spritzgussteilen automatisch zu optimieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Erstellung einer Umgebung, die sowohl das Computer Aided Design (CAD)-System CATIA V5, als auch die Schnittstelle zum Computer Aided Engineering (CAE) integriert. Die Möglichkeiten zur Bauteiloptimierung sollen anhand eines Beispiels aufgezeigt werden, jedoch ist es nicht primär das Ziel, den effektivsten Algorithmus zu ermitteln, da dies den Umfang dieser Arbeit übersteigen würde. Somit wird lediglich die Grundlage für spätere detailliertere Analysen geschaffen. Das Ergebnis der Optimierung soll eine Struktur sein, die durch Anwendung des Kunststoffspritzgussverfahrens hergestellt werden kann. Im Gegensatz zu anderen strukturoptimierten Teilen, die sich oftmals nur mit generativen Verfahren herstellen lassen, zeichnen sich spritzgegossene Bauteile besonders durch ihre kostengünstige und schnelle Produktion in großen Stückzahlen aus.

Während die Automatisierung von Konstruktionsprozessen mit verschiedenen Methoden auch für komplexere Anwendungen geeignet ist, liegt die besondere Herausforderung in der Generierung der CAE-Assoziation, da auf diesem Gebiet generell nur wenig Erfahrung besteht.

Der Prozess soll sich anschließend mit möglichst wenig Aufwand durch den Nutzer starten lassen. Zudem muss die Möglichkeit bestehen, bauteilspezifische Einstellungen vorzunehmen, ohne dass dieser Vorgang zu komplex wird.

1.3 Vorgehensweise

Zur Lösung der Aufgabenstellung wird zunächst mit einem Überblick über die Möglichkeiten der Automatisierung in CATIA V5 begonnen. Anschließend werden die Strukturen erörtert, die sich zur Optimierung von Kunststoffbauteilen eignen. Des Weiteren werden Regeln erarbeitet, die bei der Konstruktion mit Kunststoffen berücksichtigt werden müssen. Weiterhin wird sich mit den Varianten der Finite-Elemente-Methode (FEM)-Simulation auseinandergesetzt. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf dem Vorhandensein von Nichtlinearitäten, sowie den für die Vernetzung zur Verfügung stehenden Elementen. Es werden die Vorteile beleuchtet, die die Verknüpfung von CAD und CAE in einer Umgebung mit sich bringen. Die Vorbetrachtung schließt mit der grundlegenden Charakteristik einer Topologieoptimierung.

Anschließend muss zunächst für jedes Teilelement eine Methodik gefunden werden die es ermöglicht, die Konstruktion unabhängig von der tatsächlichen Geometrie prozesssicher durchzuführen. Des Weiteren muss sich die generierte Struktur zur Berechnung eignen, aber auch die Anforderungen der fertigungsgerechten Gestaltung einhalten.

Danach folgt die Umsetzung der einzelnen Schritte innerhalb des Automatisierungs-prozesses. Dafür wird der gesamte Ablauf in Arbeitspakete zerlegt, die zunächst einzeln erstellt und anschließend zusammengefügt werden. Besonders problematisch ist die Umsetzung der CAE-Automatisierung, da dazu keine Literatur existiert die eine Einarbeitung ermöglicht. Ebenso ist die Dokumentation von CATIA V5 zu diesem Thema lückenhaft und daher nur bedingt geeignet. Aus diesem Grund wird während der Erstellung auf Beiträge in fachspezifischen Foren, wie CAD.de oder COE.com, zurückgegriffen, in denen sich oftmals Ansätze zur Lösung finden lassen. Die weitere Bearbeitung erfolgt zudem oftmals nach dem Trial-and-Error-Prinzip.

Abschließend wird die Leistungsfähigkeit des Tools anhand eines Beispiels dargestellt und aufgezeigt, was mögliche Ansätze zur Verbesserung sind.

1.4 Hinweise zur Nomenklatur

Eigennamen aus der CAD oder Visual Basic (VB) Umgebung werden aus Gründen des besseren Verständnisses und deren besserer Ersichtlichkeit in den folgenden Kapiteln kursiv dargestellt. Dabei muss zwischen dem Einsatz des Begriffes im Kontext der Funktion oder im Kontext des allgemeinen Sprachgebrauchs unterschieden werden. Im ersten Fall findet die kursive Schreibweise Anwendung, im zweiten Fall nicht.

Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass zwar eine deutschsprachige Version von CATIA V5 existiert, in der Industrie aber fast ausschließlich die englischsprachige Version verwendet wird. Daher wird für alle genutzten Funktionen die englische Bezeichnung verwendet.

2 Grundlagen

2.1 Automatisierungstechniken in CATIA V5

2.1.1 Duplicated Geometrical Feature Set

CATIA V5 stellt verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, um Arbeitsabläufe zu automatisieren bzw. oft ausgeführte Aktionen zu vereinfachen. Die einfachste Möglichkeit mit der die Konstruktion einer Geometrie automatisiert werden kann, bildet die Funktion Duplicated Geometrical Feature Set. Dabei wird ein bestehendes Geometrical Set (GS) vervielfältigt, ohne das Beziehungen zwischen dem bestehenden GS und dem erzeugten GS entstehen. Daher können nachträglich alle Parameter individuell angepasst und verändert werden. Um die einwandfreie Funktion zu gewährleisten, sollte das duplizierte GS nach den Regeln des parametrisch-assoziativen Konstruierens aufgebaut sein. Des Weiteren müssen sich die Elternelemente, also die Elemente, auf die sich das bestehende GS bezieht, in einem eigenen GS befinden. Die Funktion ist schnell und einfach anwendbar und eignet sich daher gut zur Vervielfältigung von Elementen wie Clips, Rippen, usw. ohne größeren Aufwand. Nachteilig an der Verwendung dieser Funktion ist, dass sie nur innerhalb eines Parts verwendet werden kann, weshalb die Ausgangsbasis selbstständig in jedem Part neu erzeugt werden muss. ([26] S. 8/9)

2.1.2 Power Copy

Die Funktion Power Copy läuft ähnlich der Duplicated Geometrical Feature Funktion ab, besitzt darüber hinaus jedoch einen größeren Funktionsumfang. Sie bietet ebenso die Möglichkeit, die Konstruktion von häufig verwendeten Geometrien zu automatisieren. Dafür muss sie zunächst einmal definiert werden, bevor sie beliebig oft, auch in verschiedenen Parts, wiederverwendet werden kann. Zur Definition sind ein oder mehrere Basiselemente notwendig, auf die die gesamte Konstruktion zurückgeführt werden kann. Wird die Power Copy angewandt, müssen die Basiselemente neu angewählt werden. Anschließend wird das Konstruktionselement automatisch an die gegebene Situation, entsprechend der Basiselemente, angepasst. ([9] S. 36)

Eine Situation, in der der Einsatz einer Power Copy zweckmäßig wäre, könnte die Konstruktion einer Rippe sein. Bei der Erstellung der Rippe wird sie dafür auf eine Bauteilfläche, die Entformungsrichtung, das Koordinatensystem und eine Mittellinie zurückgeführt. Anschließend können durch Einfügen der Power Copy und Anwahl der Features beliebig viele Rippen erzeugt werden. Die Anwendung ist in Abbildung 2‑1 gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Erzeugung einer Rippe mittels Power Copy

Besonders vorteilhaft bei der Verwendung von Power Copys ist die einheitliche, parametrisch-assoziative Konstruktionsweise, mit der die Erzeugung aller Elemente erfolgt, wodurch auch Konstruktionsfehler ausgeschlossen werden können. Des Weiteren bleiben die einzelnen Konstruktionsfeatures beim Einfügen der Power Copy erhalten, weshalb es möglich ist sie im Nachhinein zu verändern. ([9] S. 36)

2.1.3 Makros

Im Gegensatz zu den beiden bereits vorgestellten Automatisierungsfunktionen basieren Makros auf einem Quellcode. Abhängig von der gewählten Programmiersprache ist es daher möglich, deutlich komplexere Prozesse und Konstruktionen abzubilden. Die Basis zur Programmierung von Makros für CATIA V5 bildet das V5 Automation Application Programming Interface (V5 Automation API). Es ist im Produktkern integriert und kann daher bei Besitz einer gültigen CATIA-Lizenz kostenfrei benutzt werden. Es ermöglicht die Verwendung der Programmiersprachen CATScript, CATVBS und CATVBA. Für alle drei Sprachen ist eine Objekthierarchie vorgegeben, die den Zugriff auf die aktuelle CATIA-Sitzung ermöglicht. ([5] S. 2)

Die einfachste der zur Verfügung stehenden Sprachen ist CATScript. Sie bietet sowohl einen Teil der Funktionen von Visual Basic Script (VBScript) als auch spezifische Objekte und Methoden für CATIA V5. CATVBS ist als Erweiterung dazu zu verstehen, da es den ganzen Funktionsumfang von VBScript bietet. ([28] S. 19)

Es handelt sich um objektorientierte Sprachen, was bedeutet, dass die Struktur aus Objekten besteht, die in Beziehung zueinander gesetzt werden und durch Methoden erzeugt, verändert oder ausgelesen werden können. Ein Objekt ist definiert als „ein Behälter, der Information speichert. Diese Information kann ein CATPart, aber auch eine Linie oder Fläche sein“ ([28] S. 19). Die Erstellung und Bearbeitung erfolgt standardmäßig im CATIA-internen Makroeditor. Mit beiden Sprachen ist es nicht möglich, graphische Benutzeroberflächen zu erzeugen. ([28] S. 19)

CATVBA als dritte zur Verfügung stehende Sprache basiert auf Visual Basic for Applications (VBA) und arbeitet ebenso objektorientiert. Gegenüber den beiden zuvor vorgestellten Programmiersprachen bietet sie weitere Möglichkeiten. So erfolgt die Erzeugung über einen eigenen VBA-Editor, dessen Oberfläche deutlich benutzerfreundlicher gestaltet ist als die des internen Makroeditors. Des Weiteren ist die Erstellung von Makros mit einer graphischen Benutzeroberfläche möglich. Auch ein schrittweiser Ablauf (Debuggen) und das Auslesen von Variablen während der Laufzeit sind durchführbar. Zusätzlich wird der Anwender durch die sogenannte „IntelliSense“-Funktion unterstützt, indem Vorschläge für Methoden und Attribute angezeigt werden. Durch die Gliederung der Makros in Projekte und Module ist auch die strukturierte Bearbeitung von komplexen Aufgabenstellungen möglich. ([5] S. 3/4)

Die V5 Automation API verfügt weiterhin über ein Hilfsmittel zur Erstellung von Makros, den sogenannten Makrorekorder. Nach Aufzeichnungsstart zeichnet dieser alle in der graphischen Benutzeroberfläche durchgeführten Aktionen auf und schreibt sie als Quelltext in der ausgewählten Programmiersprache nieder. Da die damit aufgezeichneten Makros oftmals fehler- bzw. lückenbehaftet sind, sollten die gewonnen Erkenntnisse nur als Anregungen verstanden werden. ([28] S. 47)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die V5 Automation API durch ihre Nähe zu Microsoft Visual Basic besonders für Anwender eignet, die bereits Vorkenntnisse diesbezüglich besitzen. Die bei der Entwicklung entstehenden Kosten können im mittleren Segment eingeordnet werden, da keine extra Lizenzen benötigt werden. Es sollte aber auch beachtet werden, dass nicht alle in CATIA V5 zur Verfügung stehenden Funktionen mit der V5 Automation API automatisiert werden können. Daher ist die Komplexität der Aufgabenstellungen, die bearbeitet werden könnten, begrenzt. Weiterhin benötigt der Anwender grundlegende Kenntnisse im Umgang mit CATIA V5. ([5] S. 4)

2.1.4 Applikationen

Sollen in CATIA V5 hochkomplexe Probleme bearbeitet werden, dann ist dies über das Component Application Architecture V5 (CAAV5) API möglich. Zusammen mit der Rapid Application Development Enviroment (RADE) kann CATIA V5 um eigene Applikationen erweitert werden. Dies können beispielsweise unternehmensspezifische Toolbars, Benutzeroberflächen oder Kopplungen zu externen Programmen sein. Als Programmiersprache kommt C++ zum Einsatz. ([5] S. 2ff.)

Um die CAAV5 API nutzen zu können, muss eine zusätzliche Lizenz erworben werden. Da die Kosten dafür sehr hoch sind, wird sie oftmals nur von Dassault Systemes Premium Partnern und den Systemhäusern verwendet. Weitere Gründe sind die einschränkenden Lizenzbedingungen sowie die Komplexität der Programmiersprache. ([11] S. 8)

Zur besseren Übersicht der vorgestellten Methoden ist in Tabelle 2‑1 ein Vergleich beider zur Verfügung stehender APIs aufgeführt.

Tabelle 2-1: Vergleich V5 Automation API und CAAV5 API ([5] S.6)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.5 Reactions

Reactions sind eine weitere Möglichkeit zur Automatisierung. Es handelt sich dabei um eine Funktion, die auf das Eintreten eines zuvor festgelegten Events wartet, um in Folge dessen eine Aktion auszuführen. Die Quelle des Events kann ein Feature oder ein Parameter sein. Als Reaktionen können Konstruktionsfolgen, Umstrukturierungen, Wertänderungen und andere Aktionen ausgeführt werden. Die Ablage der Reaction erfolgt im geöffneten Part. Daher muss sie für jedes Bauteil neu erzeugt werden. [7]

Reactions können jedoch nicht unabhängig von den vorgestellten Makros betrachtet werden, da die effizienteste Weise zur Definition einer Reaction über die V5 Automation API erfolgt. Daher könnte eine Reaction auch als eine in einem Part ausgegliederte if-Verzweigung bezeichnet werden. [7]

Da eine Reaction nicht in den Updatemechanismus integriert ist, eignet sie sich besonders um andere Funktionen während der Aktualisierung zu optimieren. [7]

2.2 Parametrisch-assoziative Konstruktionsmethode

Damit Konstruktionsprozesse in CATIA V5 unabhängig von der Bauteilgeometrie automatisiert werden können, muss die durch das Skript vorgegebene Reihenfolge der Features zuverlässig funktionieren und updatestabil sein. Dafür wird die parametrisch-assoziative Konstruktionsmethode verwendet. Bei dieser merken sich die durch Features erzeugten Geometrieelemente ihre Vorgabeelemente bzw. –parameter und ihre Erzeugungsfunktion. Anschließend können diese Geometrieelemente wiederrum als Vorgabeelement für eine neue Funktion dienen. Auf diesem Weg entsteht im Verlauf der Konstruktion eine zusammenhängende Struktur, in der jedes Element einen oder mehrere Vorgänger bzw. Nachfolger besitzt. Wird nach Abschluss der Konstruktion bspw. der Parameter geändert, der die Wandstärke vorgibt, oder die Kontur einer Rippe ausgetauscht, werden alle folgenden Elemente neu berechnet und entsprechend der Nutzervorgaben angepasst. ([4] S. 16)

Für den vorliegenden Fall liegt der Schwerpunkt jedoch nicht auf der automatischen Anpassung der Geometrieelemente an geänderte Bedingungen, sondern auf der Fähigkeit, sich bei der Ersterzeugung den gegebenen Bedingungen anpassen zu können. Dafür müssen bei der Konstruktion weitere Punkte berücksichtigt werden. So sollte der Zugriff auf Elemente der Boundary Representation (B-Rep) gänzlich vermieden werden. Dabei handelt es sich um eine Darstellungsart für Flächen- oder Volumenmodelle, die Objekte durch ihre formgebenden Randflächen beschreibt ([25] S. 17). Dazu werden die Objekte in Faces, Edges und Vertices zerlegt. Diese können wie Geometrieelemente in Features zum Einsatz kommen. Durch eine Änderung kann es jedoch passieren, dass bspw. eine Edge entfällt, die als Vorgabe für ein anderes Element diente. In diesem Fall ist eine Aktualisierung der folgenden Features nicht mehr möglich. Der Nutzer muss dann aktiv eingreifen und eine neue Zuweisung treffen. In einem automatisierten Prozess sollte das dringlichst vermieden werden. Verstärkend kommt hinzu, dass die gezielte Anwahl von B-Reps mit Makros schlichtweg nicht möglich ist, da die Nummerierung der Elemente keinen erkennbaren Regeln folgt.

Weiterhin muss eine Unterscheidung bezüglich der verwendeten Workbench getroffen werden. Zur Erzeugung von Flächen wird in CATIA V5 das Generative Shape Design (GSD) verwendet. Dieses basiert auf der Elementlogik. Charakteristisch dafür ist, dass alle Elemente als gleichwertig und eigenständig gelten. Dadurch können Elemente die Vorgabe für mehrere Features bilden. Wird ein bestehendes Element durch eine Funktion modifiziert, besteht dieses unverändert und wird lediglich ausgeblendet. Die Umsetzung der Modifikation erfolgt in einem neuen Geometrieelement. Alle Elemente werden in GS s angeordnet. Diese können wie eine Ordnerstruktur betrachtet werden, in der alles beliebig dargestellt und verschoben werden kann, ohne das es von Bedeutung ist. Somit dienen sie lediglich der Übersichtlichkeit. ([4] S. 16)

Sollen Volumenkörper erzeugt werden, kommt das Part Design (PD) zum Einsatz. Anders als das GSD basiert das PD auf der Featurelogik. Grundlegend dafür ist die Anordnung aller Features in Bodies. Das erste Feature wird als Creation Feature bezeichnet. Alle weiteren angewandten Funktionen dienen anschließend der Modifikation und werden deshalb Modification Features genannt. Diese sind nicht als eigenständige Elemente existent, sondern können nur im Kontext ihres Vorgängers bzw. Nachfolgers verwendet werden. Die Reihenfolge der Features im Body gibt Aufschluss darüber, wie diese Verkettung erfolgt ist. Daher kann sie auch nicht geändert werden. Ein weiterer Unterschied zu den GS s des GSD ist, dass mit Bodies einfache Aktionen ausgeführt werden können. Diese werden als Boolean Operations bezeichnet. Dabei wird ein Body als Feature zu einem anderen Body hinzugefügt. Der Vorteil daran ist, dass diese Aktionen immer nur ein Ergebnis hervorrufen können. Daher sind sie sehr gut kalkulierbar und eignen sich besonders zur updatestabilen Konstruktion. Anhand von Abbildung 2‑2 wird dies zum besseren Verständnis an einem Beispiel erläutert. ([4] S. 17)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─2: Anwendung der Boolean Operation Remove

Die verwendete Funktion ist die Boolean Operation Remove, die einen Body von einem anderen subtrahiert. Dazu werden zunächst beide Bodies erstellt. In dem Body „Würfel“ wird ein Würfel erzeugt, analog dazu im Body „Kegelstumpf“ ein Kegelstumpf. Wie in Abbildung 2‑2 zu sehen, durchdringen sich beide Körper. Kommt nun die Funktion Remove zur Anwendung, wird der Kegelstumpf vom Würfel abgezogen. Dementsprechend ergibt sich im Würfel ein Loch in Form eines Kegelstumpfs. Unabhängig von der Geometrie, die sich im Body „Kegelstumpf“ befindet, entsteht also im Würfel des Bodys „Würfel“ immer ein Loch, dass die Geometrie des Bodys Kegelstumpf abbildet. Soll das gleiche Loch mithilfe einer Fläche über die Funktion Split erzeugen werden, ergäben sich zwei mögliche Lösungen, nämlich das Volumenelement in Richtung der Flächennormale und das Volumenelement entgegengesetzt der Flächennormalen (Abbildung 2─3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─3: Erzeugung eines Loches mittels Split

Die Entscheidung, welches dieser beiden Volumenelemente das Richtige ist, kann von einem Konstrukteur mittels des optischen Feedbacks getroffen werden. Im Gegensatz dazu muss das Makro entweder die Kenntnis über die Flächennormale besitzen oder durch Anwendung weiterer Funktionen ermitteln, welches Volumenelement gewünscht ist.

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:

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─4: Übersicht der E-Module verschiedener Werkstoffe ([16] S.320)

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:

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. ([8] S.145f)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─5: Vergleich der Steifigkeit einer gerippten und gesickten Fläche ([8]S.146)

Wird die Steifigkeit einer gesickten Fläche mit der einer gerippten Fläche gleicher Wanddicke bzw. Abmessungen verglichen, so ist festzustellen, dass Sicken die steifere Variante darstellen (Abbildung 2─5). Da viele der im Fahrzeugbau verwendeten Kunststoffteile jedoch im Sichtbereich des Kunden liegen und es sich somit um Strak- bzw. Class-A-Flächen handeln muss, ist eine Versickung in den meisten Fällen nicht möglich. Deshalb muss auf eine Verrippung zurückgegriffen werden. Die Steifigkeit des verrippten Bauteils ist dann abhängig von der Anzahl und Höhe bzw. Breite der Rippen. ([8] S.145f)

Die Effizienz einer Verrippung soll nachfolgend an einem Beispiel gezeigt werden. Dazu wird eine 40mm breite Platte herangezogen. Im Fall 1 besitzt sie eine fertigungsbedingte, maximal realisierbare Wandstärke von 8 mm ([8] S.144). Das Flächenträgheitsmoment ergibt sich dann mit der zuvor gezeigten Formel zu:

Im Fall 2 wird die Wandstärke auf 2 mm reduziert und als Ausgleich mittig zwei Rippen mit einer Stärke von 1 mm aufgebracht. Die Gesamthöhe der verrippten Platte beträgt dann 16 mm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─6: Skizze des Plattenquerschnittes für Fall 2

Da es sich bei dem Querschnitt nun nicht mehr um eine einfache geometrische Form handelt, muss das Flächenträgheitsmoment aus den einzelnen Bestandteilen berechnet werden. Dafür ist die Berücksichtigung des steiner´schen Anteils notwendig. Zunächst muss dafür der Gesamtschwerpunkt des Profils bestimmt werden.

Damit ergibt sich das Flächenträgheitsmoment zu:

Das Verhältnis der Flächenträgheitsmomente beträgt dann:

Daraus folgt, dass das Flächenträgheitsmoment der verrippten Platte 6,13 % größer ist, als das der dicken, flachen Platte. Wird darüber hinaus noch die Menge des eingesetzten Materials betrachtet, können weitere Schlussfolgerungen gezogen werden:

Trotz leicht erhöhter Steifigkeit aufgrund der Rippen, kann durch die Verminderung der Wanddicke der Basisfläche das benötigte Material und somit auch das Gewicht des betrachteten Ausschnitts auf 33,75 % reduziert werden.

Daraus ergeben sich 2 allgemeine Möglichkeiten für die Bauteilkonstruktion:

1. Durch die weitere Erhöhung der Anzahl der Rippen oder der Rippenhöhe kann die Steifigkeit weiter gesteigert werden, so dass eine Auslegung auf maximale Steifigkeit erfolgt. Die Gewichtsersparnis gegenüber der dicken, flachen Basisfläche wird für diese Variante geringer.
2. Wie im gezeigten Fall kann durch Beibehalten der Steifigkeit das Bauteilgewicht deutlich reduziert werden. Es wird dann von einer Auslegung auf Minimalgewicht gesprochen.

In beiden Fällen ist jedoch erhöhter Raumbedarf zwingend notwendig, da die Gesamthöhe von 8 mm auf 16 mm gesteigert wird. Unabhängig vom zur Verfügung stehenden Bauraum ist die Maximalhöhe der Rippen durch die aus der Biegebeanspruchung resultierenden Druckspannungen und der damit verbundenen Möglichkeit des Ausbeulens begrenzt. ([8] S.147)

2.4 Gestaltungsregeln zur Konstruktion von Spritzgussbauteilen

Um am Ende des Konstruktionsprozesses ein optimales Bauteil hinsichtlich Gewicht, Kosten, Optik und Erfüllung mechanischer Anforderungen zu erhalten, müssen bei der Konstruktion mit Kunststoffen verschiedene Grundregeln beachtet werden. Da die Aufgabe voraussetzt, dass die versteifende Struktur fertigungsgerecht ist, wird auf wichtige Grundsätze zur Gestaltung genauer eingegangen.

Die Kosten für ein spritzgegossenes Bauteil setzen sich aus den Investitionskosten und den Kosten für die Betreibung des Werkzeuges bzw. den Materialkosten zusammen. Da sich sowohl die Investitions- als auch die Betreibungskosten auf die Anzahl der produzierten Teile aufteilen, sollte die Zykluszeit möglichst klein sein, damit möglichst viele Teile in kurzer Zeit hergestellt werden können. Daraus folgt, dass die hergestellten Bauteile eine möglichst geringe Wandstärke haben sollten, da Komponenten mit größeren Wandstärken längere Zeit zum Abkühlen benötigen. Diese als „Restkühlzeit“ bezeichnete Phase des Zyklus hat den größten Anteil an der Prozessdauer ([17] S. 102). Weitere Vorteile dünnerer Wandstärken liegen in der Reduzierung der Gefahr von Einfallstellen sowie Lunkern, als auch darin, dass die Toleranzbereiche leichter eingehalten werden können. Dies ist ein weiterer Grund, weshalb die Verwendung von Rippen sinnvoller als die Erhöhung der Wandstärke ist. Allerdings muss bei der Reduzierung von Wandstärken auch beachtet werden, dass diese nicht zu klein werden, da die Kavität sonst aufgrund der Viskosität des Kunststoffes nicht mehr vollständig gefüllt werden kann. Als Richtwert für die minimale Wandstärke werden in der Regel 0,5 mm angegeben. [21]

Eine weitere Regel sagt aus, dass die Wandstärken des Bauteils möglichst konstant gehalten werden sollten. Dies leitet sich aus dem Abkühlprozess ab, bei dem es zur Volumenkontraktion kommt. Dickwandige Bereiche kühlen langsamer ab und ziehen sich dabei stärker zusammen als dünnwandige. Aufgrund der entstehenden Eigenspannungen verzieht sich das Bauteil. Im Extremfall setzt dabei eine Faltenbildung ein. [21]

Deshalb sollten bei der Versteifung eines Bauteils möglichst nur Rippen gleicher Stärke verwendet werden. Um trotzdem eine Anpassung an die Belastung zu ermöglichen, kann die Rippenhöhe bzw. die Anzahl und der Abstand der Rippen variiert werden. ([13] S.166)

Bezüglich der Anbindung der Rippen an die Grundstruktur existiert ein Zielkonflikt. Zwar profitiert die Kraftübertragung zwischen den Rippen und der Grundstruktur von der konstanten Wandstärke, jedoch entstehen dabei Materialanhäufungen im Rippengrund. Diese werden weiter vergrößert, wenn der Rippengrund ausgerundet wird, um die Spannungsspitzen zu reduzieren, die sonst zur Überlastung der Struktur führen könnten. Zum anderen gibt es hohe Erwartungen an die Oberflächenqualität von Sichtflächen. Handelt es sich bei der Grundstruktur also um eine sichtbare Fläche, sind die aufgrund der Materialanhäufungen entstehenden Einfallstellen unerwünscht und werden vom Kunden nicht akzeptiert. Der Zusammenhang ist in Abbildung 2─7 dargestellt. ([13] S.168f.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─7: Zusammenhang Rippendicke-Einfallstellen-Kerbwirkung ([13] S.169)

Um eine anspruchsgerechte Sichtfläche zu erhalten ist es daher notwendig, die Wandstärke der Rippen gegenüber der Basisfläche zu reduzieren. Dazu kann entweder die Materialdicke über die gesamte Rippenhöhe oder nur im Anbindungsbereich verringert ausgeführt sein. Letztere Variante hat in jedem Fall eine komplexe Werkzeugkonstruktion mit Schiebern zur Folge. Teilweise kann auch nur eine Zwangsentformung der Bereiche möglich sein. In der Literatur werden oftmals 50 % bis 70 % der Grundwandstärke empfohlen ([8] S. 152). ([13] S. 169f.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─8: Vermeidung von Einfallstellen am Übergang zw. Rippen und Basis ([13] S.169)

Alternativ zur Vermeidung von Einfallstellen ist auch eine Kaschierung möglich. Diese muss jedoch zum Bauteildesign passen und in dieses integriert werden. Beispiele dafür sind Ziersicken in der Oberfläche oder Oberflächenstrukturierungen wie eine Narbung. Letzteres kommt oftmals im Interieurbereich zur Anwendung. ([13] S.169f.)

Eine Minderung der Kerbwirkung im Rippengrund mit verkleinerter Materialanhäufung kann erzielt werden, indem die Radien nur angedeutet werden. Als Empfehlung ist dabei ein Tangentenwinkel von 45° zu wählen, weil so die gleiche Reduzierung wie mit einem voll ausgeführten Radius erreicht wird. Der Sachverhalt ist noch einmal in Abbildung 2─9 zusammengefasst. ([13] S.169f.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─9: Übergang zwischen Rippen und Grundstruktur ([13] S.169)

Für eine lange Haltbarkeit des Werkzeuges ist es wichtig, dass die benötigten Kräfte zum Auswerfen des Formteils möglichst klein gehalten werden. Dies kann erreicht werden, indem an allen senkrecht zur Trennebene stehenden Flächen eine Entformungsschräge aufgebracht wird (siehe Abbildung 2─10). Der notwendige Entformungswinkel variiert je nach Werkstoff. Generell sollte er aber nie kleiner als 0,5° sein. Durch eine Oberflächenstrukturierung wird der Winkel in Abhängigkeit von der Strukturierungstiefe weiter erhöht. [21]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─10: Notwendige Entformungsschrägen an einem Formteil

Bauteilverrippungen werden normalerweise in Entformungsrichtung aufgebaut. Durch die Entformungsschräge wird daher die die maximale Rippenhöhe limitiert. Abhängig von der Basiswandstärke des Bauteils kann unter der Annahme, dass die Rippenstärke im Grund 50% der Basiswandstärke entspricht, für die Maximalhöhe eine Funktion aufgestellt werden. Dazu sind in Abbildung 2─11 zunächst die erforderlichen geometrischen Zusammenhänge dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─11: Geometrische Zusammenhänge der Rippenhöhe

Damit ergibt sich für die Rippenhöhe folgende Funktion:

Die Funktion ist für typische Werte in Abbildung 2─12 graphisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─12: Abhängigkeit der Rippenmaximalhöhe von Entformungswinkel und Wanddicke

So kann sichergestellt werden, dass alle konstruierten Rippen vollständig gefüllt werden können.

Die Anordnung der Rippen am Bauteil kann in eine beanspruchungsgerechte und eine fertigungsgerechte Gliederung unterteilt werden. Als beanspruchungsgerecht werden Konfigurationen bezeichnet, die so gestaltet sind, dass ein ununterbrochener Kraftfluss erreicht wird. Dies ist beispielsweise bei der kastenförmigen Anordnung der Fall. Allerdings kommt es an den Rippenkreuzungen zu Materialanhäufungen, was sich negativ auf die Kühlzeit auswirkt. Abhängig vom Winkel, unter dem sich die Rippen schneiden, wird die Ansammlung größer bzw. kleiner. Bei der fertigungsgerechten Anordnung fällt die Kühlzeit geringer aus, da sich beispielsweise durch ein Versetzen der Reihen zueinander die Materialanhäufung verkleinert. Gleichzeitig wird der Kraftfluss aber dadurch umgelenkt, was dazu führt, dass ein Teil der Rippen in Quer- statt in Längsrichtung belastet wird. Um sowohl die Materialanhäufungen gering halten zu können, als auch den Kraftfluss nur möglichst wenig umzulenken, wird häufig ein Kompromiss aus beiden Varianten gebildet. Dafür werden die Kreuzungspunkte durch Dome ersetzt, in die die Rippen dann einlaufen. ([8] S.148f.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─13: Möglichkeiten der Rippenanordnungen ([8] S.148)

Weitere Lösungen stellen Waben- oder Dreiecksmuster dar. In beiden Fällen kommt es zur vektoriellen Aufteilung der Kraft in Längs- und Querrichtung. ([13] S.165)

2.5 CAx-integrierte FEM-Simulation

2.5.1 Notwendigkeit der Lösung von nichtlinearen Systemen

Wie in Kapitel 2.2 bereits angeschnitten, reagiert ein Bauteil auf Belastung mit einer entsprechenden Verformung. Handelt es sich um eine reine Zug- bzw. Druckbelastung, ist die Verformung im elastischen Bereich allein abhängig vom E-Modul des Werkstoffes. Dieser kann im Zugversuch ermittelt werden. Für einen metallischen Werkstoff ist der dabei entstehende Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung in Abbildung 2─14 aufgetragen. ([16] S. 3ff.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─14: Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines metallischen Werkstoffes [19]

Es ist deutlich zu erkennen, dass der Zusammenhang im elastischen Bereich linear ist. Bei größerer Dehnung kommt es werkstoffabhängig zum Fließen und anschließend zur Materialverfestigung bzw. zum Einschnüren bis zum Bruch. Diese Bereiche weisen einen klar erkennbaren nichtlinearen Zusammenhang auf.

Wird der Zugversuch mit Kunststoffproben durchgeführt, entsteht eine größere Variation an Diagrammen. Es wird zwischen spröden Werkstoffen (A), zähen Werkstoffen mit Streckgrenze (B) und zähen Werkstoffen ohne Streckgrenze (C) unterschieden. Die jeweiligen Verläufe sind in Abbildung 2─15 dargestellt. ([8] S. 7)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─15: Spannungs-Dehnungs-Diagramm verschiedener Kunststoffgruppen ([8] S.7)

Auch wenn die Verläufe der unterschiedlichen Kunststoffgruppen sich stark unterscheiden, ist trotzdem eine Gemeinsamkeit auffällig: Der Bereich der linearen Dehnung ist bei den Kunststoffen nicht vorhanden. Stattdessen liegt über den gesamten Verlauf ein nichtlinearer Zusammenhang vor. ([8] S. 4ff.)

Weiterhin zeigen die Spannungs-Dehnungs-Verläufe der Kunststoffe eine Abhängigkeit von der Temperatur, der relativen Feuchte sowie der Belastungsgeschwindigkeit. Dies sollte bei den verwendeten Materialmodellen berücksichtigt werden. ([8] S. 12f.)

Aus den beschriebenen Zusammenhängen lassen sich drei Fälle ableiten, in den es zwangsläufig notwendig ist, einen Solver zu verwenden, der nichtlineare Zusammenhänge darstellen kann:

- Berechnungen bei denen große Dehnungen auftreten
- Verwendung von Werkstoffen mit nichtlinearem Verhalten
- Verwendung von Werkstoffen mit temperaturabhängigem Verhalten

Weitere Situationen, die dies erfordern sind: ([15] S.344)

- Reibungsbehaftete Vorgänge
- Nichtlineare statische Analysen
- Mehrstufige Analysen mit wechselnden Randbedingungen

2.5.2 Vorteile der CAx-integrierten Simulation

Durch die Einbindung eines FEM-Systems in CATIA V5 können einfache Vordimensionierungen direkt durch den Konstrukteur vorgenommen werden, ohne dass dafür ein zusätzliches Programm notwendig ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Benutzeroberfläche bereits bekannt und intuitiv steuerbar ist. Die eingesetzten Solver können dabei identisch mit denen der Berechnungsabteilungen sein. Des Weiteren können, abgesehen von geometrischen Vereinfachungen, direkt die Konstruktionsmodelle zur Berechnung verwendet werden. Daher entfällt die sonst übliche Schnittstellenproblematik zwischen dem CAD- und dem FEM-Programm. Gleichzeitig wird der parametrisch-assoziative Aufbau in das FEM-Modell übernommen, so dass Änderungen einfach und schnell umgesetzt werden können. In Summe wird somit der gesamte Entwicklungsprozess beschleunigt, da kürzere Prozessketten entstehen und sich der Optimierungsaufwand der Berechnungsabteilung verringert. Darüber hinaus wird es durch die integrierte Simulation im CAx-System möglich, Konstruktionen optimierungsgesteuert zu automatisieren. [10]

2.5.3 Simulationsumgebungen in CATIA V5

Grundlegend kann ein FEM-Programm in die 3 Module Preprocessing, Analyse und Postprocessing aufgeteilt werden. Der Preprocessor führt alle Arbeiten aus, die zum Aufbau des Berechnungsmodells bzw. vor der Berechnung notwendig sind. Die Berechnung erfolgt, indem ein Matrixgleichungssystem der Steifigkeiten aufgestellt und gelöst wird. Dafür ist der Solver zuständig, der zur Analyse gehört. Anschließend erfolgt die Auswertung und Aufbereitung der Ergebnisse mithilfe des Postprocessors. ([27] S.13)

In CATIA V5 sind alle drei Module in einer Benutzeroberfläche zusammengefasst, weshalb der Nutzer diese Trennung nicht wahrnimmt. Standardmäßig werden die Arbeitsumgebungen Generative Part Structural Analysis (GPS) und Generative Assembly Structural Analysis (GAS) bereitgestellt. Wie sich aus dem Namen ableitet, können mit der GPS -Umgebung FEM-Simulationen mit einem Part durchgeführt werden, während die GAS -Umgebung Möglichkeiten zur Simulation von Produktstrukturen zur Verfügung stellt. Beide nutzen den CATIA ELFINI Solver. Dieser setzt ein linear-elastisches Verhalten voraus. Somit ist eine Berechnung der in Kapitel 2.5.1 genannten Fälle nicht bzw. nur näherungsweise möglich. Die bei der Simulation ermittelten Spannungen sollten stets mit der Streckgrenze des Werkstoffes verglichen werden, um auszuschließen, dass der elastische Bereich bereits überschritten wurde. ([15] S.1, S.37)

Neben den beiden genannten Umgebungen existiert auch noch Abaqus for CATIA (AFC). Abaqus ist eines der weitverbreitetsten FEM-Programme, dessen Solver auch die Lösung von nichtlinearen Gleichungen unterstützt. Durch die Einbindung in die CATIA-Oberfläche können dementsprechend alle in Kapitel 2.5.1 genannten Probleme gelöst werden. ([15] S.39)

2.5.4 Vernetzungsmethoden

Die FEM erfordert eine Aufteilung des Bauteils in einzelne Elemente, die über Knotenpunkte miteinander verbunden sind. Die Zusammenfassung aller Elemente bildet das Netz. Dieses soll das Bauteil möglichst gut abbilden und bildet die Berechnungsgrundlage. ([15] S. 5f.)

Zur Erstellung des Bauteilnetzes kann in CATIA V5 die Advanced Meshing Tool (AMT) Umgebung verwendet werden. Dazu stehen Balken- (1D), Schalen- (2D) und Volumenelemente (3D) zur Verfügung. Da Balkenelemente sich nur zur Vernetzung von Strukturen wie Trägern und Fachwerken eignen, soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden. ([27] S. 197ff.)

Schalenelemente eignen sich besonders zur Vernetzung dünnwandiger Bauteile, wie z.B. Blech- aber auch Spritzgussteilen. Es wird zwischen dem dreieckigen „Triaelement“ und dem viereckigen „Quadelement“ unterschieden. Beide Elemente kommen in linearer und parabolischer Form vor. Mit der parabolischen Form lassen sich sowohl Verformungen als auch Spannungen präziser darstellen, gleichzeitig erhöht sich aber auch die Komplexität bzw. der Aufwand der Rechnung. Die Elemente sind in Abbildung 2─16 zu sehen. ([15] S. 171ff.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─16: Schalenelemente TR3S, TR6S und QD4 ([15] S. 172ff.)

Mit allen Schalenelementen ist eine automatische Vernetzung möglich. Allerdings muss beachtet werden, dass abhängig von der Bauteilgeometrie keine reinen Netze aus Quadelementen erzeugt werden können. ([15] S. 171ff.)

Volumenelemente sind am besten zur Netzerzeugung von dickwandigen bzw. Volumenkörpern geeignet. Es stehen Tetraederelemente und Hexaederelemente zur Verfügung, die, wie bei den Schalenelementen, in linear und parabolisch unterschieden werden können (Abbildung 2─17). ([15] S. 188ff.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─17: Volumenelemente TE4 und TE10 ([15] S. 188f.)

Die Vernetzung mit Tetraderelementen erfolgt ebenfalls automatisch, mit Hexaederelementen ist dies nicht möglich. Netze aus Hexaederelementen müssen stattdessen per Hand bzw. halbautomatisch erzeugt werden, was einen deutlich größeren Aufwand verursacht. Dafür sind die erzielten Ergebnisse nahezu realitätsgetreu, vor allem wenn die parabolischen Hexaederelemente zum Einsatz kommen. ([15] S. 188ff.)

Trotzdem werden die parabolischen Tetraederelemente aufgrund der einfachen Vernetzbarkeit am häufigsten verwendet. Zudem ist es mit ihnen möglich, auch komplexe Geometrien abzubilden. Die Grenzen dieser Elemente werden jedoch bei Bauteilen mit dünnen Wandstärken erreicht, da Tetraedernetze mindestens drei Elemente über die Bauteildicke aufweisen sollten. Bei dünnwandigen Bauteilen führt das dazu, dass die Tetraederelemente stark verzerrt werden, woraus eine übermäßige Versteifung und somit ein ungenaues Rechenergebnis resultiert. ([15] S. 189ff.)

2.6 Topologieoptimierung

Topologieoptimierungen als Disziplin der Strukturoptimierungen verfolgen das Ziel, das Material in einem zuvor festgelegtem Bauraum so zu verteilen, dass eine Zielgröße mini- bzw. maximiert wird. Dabei sind Restriktionen zu beachten. Klassische Aufgabenstellungen, die so entstehen, sind beispielsweise die Minimierung des Gewichtes bei vorgegebener Steifigkeit bzw. die Maximierung der Steifigkeit bei vorgegebenem Gewicht. ([18] S. 35ff.)

Ein typisches Verfahren zur Topologieoptimierung ist die Pixel-Methode. Dabei wird der zur Verfügung stehende Bauraum in viele kleine Teile (Pixel) unterteilt. Durch Variation des Materialverhaltens in diesen Bereichen wird versucht, die optimale Anordnung zu finden. Die Materialdichte in einem Pixel bildet das Kriterium, anhand dessen entschieden wird, ob der Bereich aus der Struktur entfernt oder beibehalten wird. Bei Materialdichten nahe „0“ kann der Pixel entfallen, nahe „1“ sollte er beibehalten werden. Da diese Entscheidung nur in den Randbereichen des Intervalls klar getroffen werden kann, wird versucht, bei der Optimierung Materialdichten in ebendiesen Größenordnungen zu generieren. ([22] S. 214ff.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─18: Prinzip der Pixel-Methode ([22] S.213)

Der Ablauf einer Topologieoptimierung lässt sich in die Schritte Definition der Randbedingungen, Berechnung des Lastfalls, Entfernung überflüssiger Strukturen und Glätten des Ergebnisses unterteilen. [29]

Alle vier Schritte sind in Abbildung 2─19 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2─19: Schritte der Topologieoptimierung [29]

Die bei der Topologieoptimierung entstehenden, kraftflussoptimierten Strukturen sind oftmals sehr komplex und erwecken einen organischen Eindruck. Problematisch ist allerdings, dass diese Formen mit herkömmlichen Verfahren nicht oder nur unter großem Aufwand herstellbar sind, da sie beispielsweise Hinterschnitte aufweisen. Daher werden für solche Strukturen in den meisten Fällen additive Fertigungsverfahren gewählt. Diese ermöglichen durch den schichtweisen Aufbau eine hohe Gestaltungsfreiheit. Für die Anwendung im Automobilbau eignen sich die Verfahren momentan aber eher nur bedingt, da aufgrund langer Fertigungszeiten Massenproduktionen nur schwer realisiert werden können. [2]

Optimal wäre daher ein Prozess, der Bauteile möglichst kraftflussgerecht gestaltet, dabei jedoch gewisse Fertigungsregeln beachtet, so dass konventionelle Herstellungsverfahren wie das Spritzgießen Anwendung finden können.

3 Methodisches Vorgehen

3.1 Anforderungen an den Prozess

Nachdem zuvor Varianten zur Automatisierung, Vernetzung und zur Rippengestaltung vorgestellt wurden, müssen nun Anforderungen definiert werden, anhand derer eine Entscheidung für bzw. gegen eine Methode getroffen werden kann. Die Anforderungen sind im Folgenden aufgeführt:

- Nach dem Start läuft der Prozess möglichst ohne Benutzereingabe durch, bis das Ergebnis vorliegt. Dies geht einher mit einer einfachen Bedienung, die möglichst wenig potenzielle Fehlerquellen aufweist.
- Die Ausführung soll für jedes Bauteil möglich sein, das den Regeln des Konstruierens mit Kunststoffen entspricht. Von besonderer Wichtigkeit ist die Entformbarkeit.
- Die Integration in ein bestehendes Anwendersystem, sprich die Zurverfügungstellung des Prozesses für den Endbenutzer, sollte einfach sein.
- Das Ergebnis muss fertigungsgerecht sein.
- Die ermittelten Größen der Berechnung sollen qualitativ und quantitativ bewertbar sein.
- Es sollen keine Schnittstellen bestehen, an denen ein Datenverlust auftreten kann.
- Der Benutzer soll durch Eingaben die Möglichkeit haben, auf das Ergebnis Einfluss zu nehmen.
- Der Prozess sollte so aufgebaut werden, dass er später erweitert oder verändert werden kann.

Auf Basis dieser Anforderungen wird zunächst die Automatisierungsmethode betrachtet. Sowohl das Duplicated Geometrical Feature Set als auch das die Power Copy eignen sich aufgrund ihres begrenzten Funktionsumfangs nicht zur Automatisierung einer Prozesskette, bestehend aus Berechnung und Konstruktion. Die Anwendung wäre nur im Rahmen einer Verbindung mit einem Makro/einer Applikation möglich, bei der die Konstruktion von Rippen durch die Power Copy übernommen wird. Gegenüber der makrogesteuerten Konstruktion hätte diese aber den Nachteil, dass sie in ihrem Ablauf relativ fest bzw. starr ist und sich daher nicht so einfach unterschiedlichen Ausgangslagen anpassen könnte. Darüber hinaus müsste die Power Copy bei jeder Anwendung durch den Anwender eingefügt werden, was in Konflikt mit den Anforderungen steht.

Das beste Ergebnis könnte voraussichtlich mit einer CAA-basierten Applikation erzielt werden, da damit jede manuell durchführbare Aktion umsetzbar ist. Aufgrund des komplexen Aufbaus der Sprache muss von einer langen Einarbeitungszeit ausgegangen werden. Ein absolutes Ausschlusskriterium bilden die hohen Lizenzkosten.

Somit bleibt als letzte Möglichkeit nur ein Makro übrig. Die vorliegende Aufgabe wird im Bereich der mittleren Komplexität eingeordnet. Da sich ein Makro laut Tabelle 2‑1 für geringe bis mittlere Komplexität eignet, wird die Umsetzung zunächst als möglich beurteilt. Allerdings sollte damit gerechnet werden, dass bestimmte Schritte nicht wie gewünscht durchgeführt werden können. Zudem wird die Erstellung des Makros länger dauern, als die Erstellung einer Power Copy, da diese eine graphische Oberfläche besitzt. Dafür ist die Implementierung in ein System sehr einfach, da lediglich einmalig der Speicherort festgelegt werden muss. Anschließend kann die Ausführung bspw. durch Anwahl eines Buttons erfolgen. Als Programmiersprache wird sich für CATVBA entschieden, da dort eine Unterteilung in Module möglich ist und der Quellcode somit übersichtlich bleibt und einfach erweitert werden kann. Des Weiteren bietet der VBA-Editor die schon in Kapitel 2.1.3 genannten Vorzüge.

Eine Erweiterung des Makros durch den Einsatz einer Reaction erscheint in diesem Kontext nicht sinnvoll, da diese zunächst in jedem Part erstellt werden müsste. Des Weiteren könnte der Einsatz einer Reaction dazu führen, dass eine Reaktion auf ein Ereignis erfolgt, obwohl der Anwender das zu diesem Zeitpunkt nicht beabsichtigte, da er bspw. noch nicht alle Einstellungen getroffen hatte.

Die Belastbarkeit der mit der FEM-Analyse erzielten Ergebnisse ist im Allgemeinen abhängig vom verwendeten Solver, von der Vernetzung, vom Materialmodell und von den gewählten Randbedingungen. Da sowohl das Materialmodell als auch die Randbedingungen Vorgaben sind, die der Nutzer treffen muss, kann darauf kein Einfluss genommen werden. Um der Anforderung nach einer CAx-integrierten Simulation gerecht zu werden, stehen der CATIA-interne ELFINI Solver und der Abaqus-Solver zur Verfügung. Aufgrund der Berechnung mit Kunststoffbauteilen und dem damit verbundenen Vorhandensein von Nichtlinearitäten, was hinreichend in Kapitel 2.5.1 erläutert wurde, können nur mit dem Abaqus-Solver präzise Ergebnisse erzielt werden. Bezüglich der Vernetzung kommen die vorgestellten 2D- und 3D Elemente in Frage. Da die Wandstärke der Rippen aufgrund der für die Herstellung notwendigen Auszugsschrägen in einem gewissen Bereich schwankt, erscheinen 3D-Elemente zunächst sinnvoller, da damit diese Geometrie abgebildet werden kann. Mit 2D Elementen ist dies nicht möglich, da dem flächigen Netz nur eine konstante Wandstärke zugewiesen werden kann. Weil aus den linearen bzw. parabolischen Hexaederelementen nur mittels manueller Methoden Bauteilnetze erstellt werden können, entfallen sie aus dem Fokus, obwohl sie die genauesten Ergebnisse liefern. Im Gegensatz dazu ist die automatische Vernetzung mit Tetraederelemeten möglich. Da Kunststoffspritzgussbauteile aber zumeist dünne Wandstärken aufweisen, kommt die in Kapitel 2.5.4 angesprochene Problematik zum Tragen, dass die Elemente, aufgrund der Forderung nach 3 Elementen über die Wandstärke, stark verzerrt werden. Somit basieren die ermittelten Werte auf einer übermäßigen Versteifung und es können keine quantitativen Aussagen getroffen werden. Daher entfallen auch die Tetraederelemente aus der Betrachtung.

Die Anwendung der beiden Schalenelementtypen unterscheidet sich grundsätzlich nicht. Mit beiden ist eine automatische Vernetzung möglich. Dafür ist allerdings eine flächenbasierte Struktur notwendig, die neben der Volumenstruktur extra erzeugt werden muss. Dies macht sich im erhöhten Programmieraufwand bemerkbar. Wenn die Quadelemente zum Einsatz kommen, besteht zudem nicht die Gefahr der übermäßigen Versteifung, was sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Belastung der Ergebnisse ermöglicht. Ungenauigkeiten könnten nur auftreten, wenn die Wandstärke des Kunststoffbauteils zu dick wird. Da die Reduzierung der Wandstärke ein Grund für die Verwendung von Rippen ist (vgl. Kapitel 2.2), wird davon ausgegangen, dass keine zu dicken Wandstärken auftreten. Daher werden die parabolischen Quadelemente verwendet.

Als Letztes muss entschieden werden, welche Form die erzeugten Rippen besitzen sollen. In Kapitel 2.2 wurde diesbezüglich eine Variante vorgestellt, die am Rippengrund partiell verjüngt ist. Diese Konstruktionsweise entspricht der belastungsgerechten Konstruktion, da in der Umgebung der neutralen Faser, wo die Spannung null ist, der Materialeinsatz reduziert wird. Gleichzeitig werden Einfallstellen vermieden. Die damit entstehenden Entformungsprobleme können zwar oft durch den Einsatz von Schiebern gelöst werden, da es sich dabei aber um bauteilspezifische, individuelle Entscheidungen handelt, ist diese Variante nicht für eine automatische Konstruktion geeignet. Dementsprechend fällt die Wahl auf die zweite vorgestellte Variante, bei der die Rippe über den gesamten Querschnitt eine verjüngte Stärke aufweist. Zwar entspricht sie daher nicht mehr der belastungsgerechten Konstruktion, dafür gestaltet sich die Entformung in Hauptentformungsrichtung unproblematisch.

Zur Reduzierung der Kerbwirkung im Rippengrund würde die Wahl auf die Variante mit den angedeuteten Radien fallen, da so die Materialanhäufung geringer ausfällt. Im automobilen Umfeld ist es bei der Konstruktion von Kunststoffspritzgussbauteilen jedoch üblich, die Rippen unverrundet zu belassen. Eine Ursache hierfür liegt in der Werkzeugherstellung. Die dabei verwendeten Fräser sind nicht in der Lage, eine exakte Kante herzustellen, so dass „automatisch“ eine Verrundung aller Kanten erfolgt. Des Weiteren liegt die Entscheidung, welche Kante mit welchem Radius versehen wird, beim Werkzeughersteller. Somit würde sich in Summe nur unnötiger Aufwand ergeben, wenn eine Verrundung der Rippen durch den Konstrukteur erfolgt. Daher wird im weiteren Verlauf der Arbeit nicht weiter auf die Rippenverrundung eingegangen.

Da die Anordnung der Rippen zueinander auf den Ergebnissen der Berechnung basieren soll, ist es am sinnvollsten, eine beanspruchungsgerechte Anordnung zu wählen. Zur Reduzierung der Materialanhäufung kann durch Einführung von Kreuzungsdomen auch ein Kompromiss aus beanspruchungsgerecht und fertigungsgerecht erzielt werden. Welche der beiden Varianten letztendlich zum Einsatz kommt, soll dem Nutzer überlassen werden.

Aufgrund der hier dargelegten Argumentation muss also ein Makro erstellt werden, dass sowohl ein Volumenmodell als auch ein Flächenmodell der Rippen erzeugt. Letzteres wird mit parabolischen, quadratischen Schalenelementen vernetzt. Die Berechnung erfolgt durch den Abaqus-Solver.

3.2 Umsetzung der Rippenkonstruktion

Da, wie in Kapitel 3.1 festgelegt, das fertigungsgerechte Modell nicht dem Berechnungs-modell entsprechen kann, müssen zwei verschiedene Vorgehensweisen zur Konstruktion aufgestellt werden.

In beiden Fällen sind bestimmte Angaben notwendig, ohne die die Konstruktion einer Rippe nicht möglich ist. Um den Aufwand für den Nutzer gering zu halten und Fehlerquellen zu minimieren, sollten aber nur so wenig wie möglich Angaben gemacht werden müssen. Zur Anpassung der Rippen an das vorhandene Modell ist die Vorgabe der Oberflächengeometrie unumgänglich. Darüber hinausgehend muss auch eine Begrenzungsfläche gestellt werden, die die Höhe der Rippen einschränkt bzw. Bauräume frei hält. Damit die Entformbarkeit des Volumenmodells gewähreistet werden kann, ist zudem die Angabe der Hauptentformungs-richtung nötig. Abschließend wird eine Linie gebraucht, die den Verlauf der Rippe darstellt. Die Angabe der Linie soll allerdings nicht durch den Nutzer, sondern durch das Skript erfolgen. Zusätzlich zu den geometrischen Vorgaben werden Informationen wie die Basiswandstärke, der Entformungswinkel der Rippen usw. benötigt. Diese werden über Parameter eingelesen. Die gesamte Vorgabestruktur ist in Anhang A 1 abgebildet.

Aufgrund der einfacheren Geometrie wird zuerst auf die Rippenerzeugung für das Berechnungsmodell eingegangen. Für die Berechnung bzw. Vernetzung muss als Ergebnis eine Struktur vorliegen, die anstatt der Rippen nur die Mittelfläche jeder Rippe darstellt. Diese können dann mit den Schalenelementen vernetzt werden. Die einfachste Möglichkeit, aus der Rippenkontur eine Fläche zu erzeugen, ist ein Extrude. Dafür muss die Kurve planar sein. Zusätzlich wird die Ziehrichtung benötigt, die durch die Entformungsrichtung gestellt wird. Anschließend kann die extrudierte Fläche mithilfe des Befehls Split an der Begrenzungsfläche beschnitten werden. Das gleiche wird mit der formgebenden Fläche wiederholt. Durch die Beschnitte hat die Rippenfläche damit ihre endgültige Form. Um den Strukturbaum übersichtlicher zu gestalten und einen einheitlichen Featuretyp zu erzeugen, wird die Fläche zum Schluss durch die Funktion Join abgelegt. Mit dieser einfachen Konstruktionsweise lässt sich schnell und sicher jede beliebige Rippenform darstellen. Problematisch ist nur die fehlende Begrenzung an den Enden. Für den Fall, dass die Oberfläche und die Begrenzungsfläche zusammen eine geschlossene Form bilden, macht sich das nicht bemerkbar, da die Rippe bei Überlänge entsprechend gekürzt wird. Wenn die beiden Vorgabeflächen sich aber nicht durchschneiden, würde eine überlange Konturlinie dazu führen, dass auch die Rippe über das eigentliche Bauteil hinausgeht. Dieser Sachverhalt ist nochmal in Abbildung 3─1 veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3─1: Mögliche Lagen der Vorgabeflächen

Um Überlänge zu vermeiden, muss entweder die extrudierte Fläche weiter beschnitten oder eine Kürzung der Konturlinie durchgeführt werden. Da für einen Split weitere Schnittflächen benötigt werden würden, wird die zweite Variante gewählt. Die Kürzung erfolgt dabei über die Funktion Project. Dazu wird die Konturlinie in die Richtung der Entformung auf die Oberflächengeometrie projiziert und damit alle überstehenden Teile „abgeschnitten“. Um anschließend wieder eine planare Kurve zu erhalten, wird die projizierte Linie wieder auf die Skizzenreferenzebene projiziert. Anschließend kann wie zuvor beschrieben verfahren werden. Eine Übersicht der verwendeten Features in Form des bei der Konstruktion entstehenden Strukturbaums ist in Abbildung 3─2 abgebildet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3─2: Aufbaustruktur der Rippen zur Berechnung

Die Konstruktion des Volumenmodells der Rippen gestaltet sich im Vergleich zum Berechnungsmodell deutlich komplexer. Grund dafür sind die in Kapitel 2.2 vorgestellten Anforderungen zum spritzgussgerechten Gestalten. Am einfachsten durchführbar wäre eine Konstruktion mithilfe des PartDesigns. Die Funktion Draft Angle bietet nach Auswahl der Entformungsrichtung eine einfache Möglichkeit die geforderten Konizitäten vorzusehen. Dafür ist jedoch der direkte Zugriff auf die Faces notwendig. Da dieser B-Rep Zugriff nicht prozesssicher automatisiert durchführbar ist, entfällt diese Variante der Konstruktion. Stattdessen muss zunächst ebenfalls mit dem GSD gearbeitet werden. Als Ergebnis muss ein geschlossenes Flächenmodell vorliegen, das mit dem Feature Close Surface in ein Volumen umgewandelt und in einem Body abgelegt werden kann.

Jedes Flächenmodell einer Rippe besteht aus 2 Wandflächen, 2 Randflächen sowie der Grund- und der Deckfläche. (Abbildung 3─3)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3─3: Teilflächen einer Rippe

Die Konstruktion jeder Teilfläche wird im Folgenden einzeln betrachtet. Nach Erzeugung der Flächen können diese nacheinander mit dem Befehl Trim zu einem Modell vereinigt werden. Es wird mit den Wandflächen begonnen. Als Basis dient erneut eine aus der Rippenkontur extrudierte Fläche. Über den Abstand der beiden Wandflächen wird die Rippendicke definiert, was vor allem im Rippengrund und am oberen Ende von Bedeutung ist. Zur Vermeidung von Einfallstellen wird die maximal erlaubte Breite (Kapitel 2.4) über ein Offset erzeugt. Da der Aufbau von der Rippenmittelebene in beide Richtungen erfolgt, muss darauf geachtet werden, jeweils nur die halbe Stärke zu wählen. Durch Schneiden der Abstandsfläche mit der Oberflächengeometrie entsteht die Basiskurve der Wand. Gleichzeitig wird dadurch das Problem von überlangen Rippen gelöst, was schon bei der Konstruktion der Berechnungsrippen beschrieben wurde. Nach Anwahl der Entformungsrichtung kann aus der Basislinie mithilfe des Features Sweep with draft direction eine Fläche erzeugt werden, die in einem gewünschten Winkel zu einer Richtung steht. Damit kann die Entformbarkeit gewährleistet werden. Abschließend wird die entstandene Fläche erneut in einem Join abgelegt. Die zweite Wandfläche wird analog zur ersten Fläche erzeugt, allerdings erfolgt das Offset in die entgegengesetzte Richtung und der Winkel der mit dem Sweep erzeugten Fläche muss umgekehrt werden. Die Schritte zur Erzeugung sind in Abbildung 3‑4 nochmals aufgeführt.

[...]

Ende der Leseprobe aus 145 Seiten

Details

Titel
Methodik einer automatisierten CAD-CAE-integrierten Verrippung von Kunststoffbauteilen
Hochschule
Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel  (Institut für Fahrzeugbau Wolfsburg)
Note
1,0
Autor
Jahr
2018
Seiten
145
Katalognummer
V421315
ISBN (eBook)
9783668689381
ISBN (Buch)
9783668689398
Dateigröße
5277 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
CATIA, CAD, CAE, Makro, Optimierung, Automatisierung, Rippen, Steifigkeit, Spritzguss, Kunststoff, Bauteil, CATVBA, FEM, Konstruktion, parametrisch-assoziativ, Abaqus for CATIA
Arbeit zitieren
Tim Winter (Autor), 2018, Methodik einer automatisierten CAD-CAE-integrierten Verrippung von Kunststoffbauteilen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/421315

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