Wissensbasierte Produktplanung und Konstruktion spritzgegossener Formteile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Köhler; Professor Dr.-Ing. Johannes Karl Wortberg
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284157356

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein ganzheitlicher Ansatz zur methodischen Unterstützung des Konstrukteurs bei der Gestaltung und Konstruktion spritzgegossener Formteile entwickelt. In einem ersten Schritt wurde ein Demonstrator für eine wissensbasierte Fertigungsverfahrensbeurteilung und -auswahl in Form eines Expertensystems umgesetzt. Durch Eingabe der Anforderung bzgl. der Geometrie des Formteils, der Produkt- und Prozesseigenschaften in Anforderungslisten und unter Angabe einer Gewichtung wird ein Erfüllungsgrad für die definierten Fertigungsverfahren berechnet. Basierend darauf kann der Konstrukteur ein geeignetes Fertigungsverfahren wählen. Darüber hinaus wurde ein weiteres Expertensystem entwickelt, dass der Unterstützung des Konstrukteurs bei der Auswahl eines geeigneten Werkstoffs dient. In insgesamt drei Schritten werden die relevanten Anforderungen mit zugehörigen Prüfverfahren und konkreten Werten definiert. Für alle Werkstoffe, die den definierten Anforderungen genügen, wird ein Ranking der am besten geeigneten Werkstoffe erstellt. Im nächsten Schritt galt es, Lösungsansätze zur Wissensformalisierung zu erarbeiten. Hierzu wurde das Gesamtsystem mittels SysML modelliert. Dieses besteht aus den drei Modulen: „Vorauslegung“, „Gestaltung“ und „Berechnung und Simulation“. Das Wissen aus der Fertigungsverfahrens- und Werkstoffauswahl wurde im Modul Vorauslegung abgelegt. Das zweite Modul beinhaltet das Wissen zur Einbindung der fertigungsgerechten Modellierungstechniken, wobei unterschiedliche Reifegrade der Produktmodelle abgebildet werden. Das Modul „Berechnung und Simulation“ enthält Methoden zur Simulationsvorbereitung und den Export von CAD-Daten in die Simulationsumgebung, wie auch den Import. In das CAD-System (Siemens NX 10) wird das formalisierte Wissen über Features eingebunden, die über eine API programmiert wurden. Dabei werden die durch den Auswahlprozess ermittelten Parameter in das CAD-System gespeichert. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen Verzug und Kanten- bzw. Eckengestaltung mittels einer Spritzgießprozesssimulation untersucht. Der minimale Verzug stellt sich bei einer Reduzierung der Wanddicke im Bereich der Kante um 30 bis 40% ein. Der geringste Winkelverzug bei der Gestaltung von Ecken konnte bei konstanten Wanddicken festgestellt werden. Abgebildet wurden die Erkenntnisse in einer Modellierungsmethodik im CAD-System. Für die Spritzgießsimulation werden alle relevanten Simulationsdaten exportiert. Besteht Optimierungsbedarf, wie bei einer ungleichmäßigen Füllung des Bauteils, kann das Bauteil inklusive relevanter Metadaten in das CAD-System zurückgeführt werden. Zur Optimierung der Formfüllung wurde hierzu ein Verfahren entwickelt, dass automatisiert die Wanddicke lokal in Form von Fließhilfen und -barrieren variiert. Das Ziel ist, dass die Schmelze bei einer Füllung von 90% gleichzeitig die Fließwegenden erreicht. Umgesetzt wurde das Verfahren für 2,5D-Formteile und basiert auf einer Kopplung von Matlab 2017, Siemens PLM NX 10 und SIGMASOFT 5.2x. Zur Optimierung der Zykluszeit wurde das Verfahren dahingehend erweitert, dass Hotspots bestimmt werden können. Für den Fall, dass die Erstarrungszeiten benachbarter Bereiche um 10% abweichen, wird das als Hotspot erkannt. Die Positionen der detektierten Hotspots können an das CAD-System übergeben und visualisiert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Knowledge based support for the designer at the interface of CAD/CAE. In Proceedings of the 21st International Conference on Engineering Design: Volume 6: Design Information and Knowledge. ICED 17 - 21st International Conference on Engineering Design, Vancouver, Kanada, 2017, S. 1 – 10. ISBN: 978-1-904670-94-0
  Andrae, R.; Köhler, P.
  
• Knowledge-Based Approach for an Automatic Cavity Balancing for Injection Molding. In ANTEC 2017: Proceedings of the Plastics Technology Conference, ANTEC 2017, The Plastics Technology Conference, Anaheim, USA, 2017
  Porsch, A.; Andrae, R.; Köhler, P.; Wortberg, J.
  
• Knowledge-Based Material Selection for injection-molded, thermoplastic Parts. In PPS 2017 Europe Africa Conference: AIP proceedings. Dresden, 2017
  Porsch, A.; Andrae, R.; Köhler, P.; Wortberg, J.
  
• Knowledge-Based Support for the Designer regarding Injection-molded Part Design. In ANTEC 2017: Proceedings of the Plastics Technology Conference, ANTEC 2017, The Plastics Technology Conference, Anaheim, USA, 2017
  Andrae, R.; Porsch, A.; Köhler, P.; Wortberg, J.
  
• Eine systemtechnische Methode zur Absicherung konstruktionsbegleitender Simulationen. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, Duisburg (2018)
  Andrae, R.
  
• Knowledge-based Product Planning and Designing of Injection-molded Parts. In ANTEC 2018: Proceedings of the Plastics Technology Conference, ANTEC 2018, The Plastics Technology Conference, Orlando, USA, 2018
  Andrae, R.; Porsch, A.; Loibl, A.; Köhler, P.; Wortberg, J.