KIMW: Maßgeschneiderte Simulationsmodelle

09.12.2020

Die gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH, Lüdenscheid, nutzt Simulationssoftware, um zeit- und kosteneffizient neue Werkzeugkonzepte sowie Reaktorgeometrien und Bauteilchargierungen in der CVD-Beschichtungstechnik aufzubauen und zu verbessern. Um dabei mehrere physikalische Problemstellungen, die sich auch gegenseitig beeinflussen, zu berücksichtigen, kommt die Software Comsol Multiphysics zum Einsatz.

Computersimulationen werden weltweit in der Industrie zur Unterstützung vielfältiger Forschungsaufgaben angewendet. Durch eine definierte Auswahl der Rahmenbedingungen können die simulierten Modelle der Realität entsprechend aufgebaut werden, so dass eine Übertragung der Simulationsergebnisse auf die realen Gegebenheiten gewährleistet ist. Simulationen helfen bei der Berechnung und Visualisierung komplexer Systeme und Sachverhalte und unterstützen bei der kostenreduzierenden Optimierung und Fehlerbeseitigung.

In einer virtuellen Umgebung ist es viel einfacher als unter realen Bedingungen, Parameter wie Kraft und Druck, aber auch Materialeigenschaften zu variieren. Mehrere Iterationsschritte können zeit- und kostensparend durchgeführt und ein System im virtuellen Raum optimiert werden, bevor erst im Anschluss dann die kostenintensiveren Realversuche starten. Comsol Multiphysics ist ein Simulationsprogramm zur Modellierung von Designs, Geräten und Prozessen in allen Bereichen der Entwicklungs- und Fertigungstechnik. Es bietet vielfältige Funktionen und Möglichkeiten, um mit virtueller Simulation die Realität abzubilden. Der Vorteil dieser Software besteht darin, mehrere Problembereiche gleichzeitig zu simulieren und zu berechnen. Mit diesem multi-physikalischen Ansatz können die Simulationen ganzheitlicher aufgebaut werden. Die gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH (KIMW-F) nutzt aktuell dafür die folgenden Comsol-Multiphysics-Module: Strukturmechanik (Linear FEM), CFD (Fluidströmung), AC/DC, Wärmeübertragung und Chemietechnik. Das Institut bietet diese multifunktionale Simulation für Unternehmen als Dienstleistung an.

Verbesserung von CVD-Beschichtungen

Durch die Erfahrung der Mitarbeiter des Forschungsinstitutes und deren Kenntnisse im Bereich Beschichtungstechnik und chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) können Beschichtungsaufgaben praxisrelevant abgebildet werden. Um die richtigen Prozessparameter abzustimmen, muss in der Praxis oft viel Zeit in die Versuche investiert werden. Mit Hilfe von Strömungssimulationen (CFD) können die Anzahl der kostenintensiven Versuche deutlich reduziert und die optimalen Prozessparameter im virtuellen Raum ermittelt werden.

Geschwindigkeit-Streamlines im Reaktor und durch den Demonstrator. Die erste Variante (links) zeigt die Simulation ohne Prallblech, die zweite (rechts) mit Prallblech. (Abb.: KIMW)

Geschwindigkeit-Streamlines im Reaktor und durch den Demonstrator. Die erste Variante (links) zeigt die Simulation ohne Prallblech, die zweite (rechts) mit Prallblech. (Abb.: KIMW)

Zur Optimierung von CVD-Beschichtungen simuliert die Software die unterschiedlichen Werkzeuge sowie die Gasströmung im Reaktor und durch das Werkzeug. Dadurch wird vorzeitig erkannt, ob die genutzten Prozessparameter tatsächlich gleichmäßige Gasgeschwindigkeiten liefern. Diese Geschwindigkeitswerte haben einen Einfluss auf die gewünschte Gleichmäßigkeit der Beschichtung auf den Werkzeugoberflächen. Das Bild zeigt die Geschwindigkeitsverteilung im Reaktor und durch den Demonstrator, der mittig im Reaktorraum angenommen wurde. Für die gleiche Gasmenge sieht man unterschiedliche Geschwindigkeiten für die Varianten ohne (links) und mit (rechts) Prallblech. Durch die Integration eines Prallbleches, welches den Demonstrator umschließt, strömt das Gas nur noch mittig durch den Demonstrator, so dass bei gleichbleibender Gasmenge, die Gasgeschwindigkeit an gleicher Stelle zunimmt. Um die gleichen Gasgeschwindigkeiten wie ohne Prallblech zu erzielen, wurde die zugeführte Gasmenge reduziert. Durch die Verwendung des Prallbleches konnte in diesem Fall, in dem es um die Beschichtung der inneren Wand des Demonstrators ging, Gas eingespart und gezielt die Wachstumsrate für die Beschichtung eingestellt werden.

Festigkeitsanalyse von Bauteilen und Werkzeugen

Durch FEM-Berechnungen lassen sich Spannungen (links) und die Verformung (rechts) des Werkzeugeinsatzes simulieren. (Abb.: KIMW)

Durch FEM-Berechnungen lassen sich Spannungen (links) und die Verformung (rechts) des Werkzeugeinsatzes simulieren. (Abb.: KIMW)

Mit Hilfe des Strukturmechanik-Moduls hat die KIMW-F die Möglichkeit linear elastische (FEM - Finite Elemente Methode) Berechnungen durchzuführen und damit die Festigkeit und Steifigkeit von Werkzeugen und Bauteilen im Betrieb zu analysieren. Die elastische Verformung von Bauteilen kann berechnet werden. Als Beispiel ist im Bild ein Werkzeugeinsatz dargestellt. Für die Berechnung ist die Unterseite der Platte fixiert und die Oberseite mit einem Druck beaufschlagt, um die Druckverhältnisse im Spritzgießprozess nachzustellen und die Verformung der Platte zu evaluieren. Das Bild zeigt die Spannungsverteilung (links) durch die Druckbeaufschlagung sowie die Verformung des Werkzeugeinsatzes (rechts). Ist die Streckgrenze des Materials bekannt, kann aufgrund der Spannungswerte der Verformung auf eine elastische oder – oberhalb der Streckgrenze – auf eine plastische Verformung geschlossen werden. Im Bereich der elastischen Verformung kann die KIWM-F gezielte Simulationen durchführen.

Simulation von Wärmeübertragung und -verteilung

Mit Hilfe des Heat-Transfer-Moduls (HT) kann auch die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung simuliert werden. Folgende Anwendungsbeispiele wurden - unter anderen - bereits an der KIMW-F simuliert: Aufheizung des CVD-Reaktorraums durch ein Heizelement, Temperaturverteilung auf Oberflächen im Kontakt sowie Simulation der Temperatur von Werkzeugen über die Zykluszeit. So kann die Temperaturverteilung im Werkzeug und dem Spritzgießbauteil ermittelt und analysiert werden. Durch eine angepasste und konturnahe Werkzeugtemperierung kann eine bessere Temperaturverteilung in der Kavität erreicht und Nachbearbeitung sowie Formteilfehler reduziert oder ganz vermieden werden. Durch den Einsatz der Simulation können zudem kostenaufwändige Korrekturschleifen am fertigen Werkzeug ebenfalls reduziert werden. Auch besteht im Vorfeld die Möglichkeit, das Werkzeug bautechnisch zu verbessern.

Temperaturverteilung im Werkzeug und einem eingebauten Keramikeinsatz sowie im Bereich der Kunststoffschmelze 20 Sekunden nach der Einspritzung in die Kavität. (Abb.: KIMW)

Temperaturverteilung im Werkzeug und einem eingebauten Keramikeinsatz sowie im Bereich der Kunststoffschmelze 20 Sekunden nach der Einspritzung in die Kavität. (Abb.: KIMW)

Das Bild zeigt beispielhaft die Temperaturverteilung im Werkzeug und einem eingebauten Keramikeinsatz sowie im Bereich der Kunststoffschmelze 20 Sekunden nach dessen Einspritzung in die Kavität. Keramik hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl, wodurch an der Grenzfläche zum Kunststoff eine höhere Kontakttemperatur erreicht wird. Durch die Erhöhung der Kontakttemperatur können Formteilfehler kaschiert bzw. vermieden werden.

Verbesserung der Temperaturverteilung in Heizleiterfolien. Schwachstellen werden detektiert und können im Vorfeld angepasst werden. (Abb.: KIMW)

Verbesserung der Temperaturverteilung in Heizleiterfolien. Schwachstellen werden detektiert und können im Vorfeld angepasst werden. (Abb.: KIMW)

Mit Comsol Multiphysics können alle zuvor erwähnten Physik-Kombinationen genutzt werden, um mit Hilfe der Simulationen die angestrebte Realität nachzubilden. Zum Beispiel wurden Heizleiterfolien mit einer Multiphysik-Kopplung zwischen Heat-Transfer und AC/DC-Modul simuliert. Durch die Verwendung einer Heizfolie im Spritzgießwerkzeug kann eine kurzfristig höhere Kontakttemperatur auf der Werkzeugoberfläche erreicht werden. Um auftretende Oberflächenfehler und Bindenähte optisch zu kaschieren oder gänzlich zu beseitigen, ist eine optimierte Temperaturverteilung im Werkzeug erforderlich. Mit Hilfe dieser Simulation konnten Wärme-Hotspots an der Heizleiterfolie – Schwachstellen im späteren Einsatz - erkannt und durch gezielte Designanpassungen vermieden werden.

Auch die Verformung von Werkzeugen und Bauteilen unter Wärmeeinfluss kann durch die Kopplung von Heat-Transfer und FEM einer detaillierten Analyse unterzogen werden.

Die Anwendungsmöglichkeiten für die Simulation sind so vielseitig wie die Realität. Mit Hilfe von Comsol Multiphysics konnte die KIMW-F gezielt neue Beschichtungsprozesse sowie Werkzeugkonzepte einer Erstbetrachtung und anschließender Optimierung unterziehen, bevor die Komponenten in der Realität gebaut und angepasst wurden. Im Rahmen von Forschungsprojekten hilft das Tool schneller zum gewünschten Ziel zu kommen und geplante Auf- und Umbauten in den Bereichen Beschichtungs-, Prozess- und Werkzeugtechnik effizient und kostenoptimiert umzusetzen. Das Know-how rund um die Simulationen bietet die Forschungsstelle Interessierten auch als Dienstleistung an. Die KIMW-F wird die Möglichkeiten der Simulation in den bereits vorhandenen Modulen weiter ausbauen, um die simulierten Prozesse noch realitätsnäher zu gestalten, sowie langfristig das Anwendungsportfolio durch Anschaffung neuer Module erweitern.

www.kunststoff-institut.de

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