Best Practice – 4+1 Fehler bei der Materialmodellierung für FEM-Struktursimulationen und wie sie zu verhindern sind  

Struktursimulationen sind auch in der Entwicklung für Spitzgussformteile ein wichtiges Werkzeug zur Auslegung. Ohne diese könnten konstruktive Schwachstellen, welche zum Versagen des Bauteils führen, vermutlich erst im Test oder sogar Einsatz des realen Bauteils entdeckt werden. 

Diese Simulationsmethode trägt wie auch die Spritzgusssimulation zur beschleunigten Produktentwicklung, Minimierung der Projekt- und Bauteilkosten und Erhöhung der Produktsicherheit bei. Allerdings sollten insbesondere im Bereich der Materialmodellierung von Kunststoffen für die Struktursimulation folgende Fehler vermieden werden: 

1. Steifigkeitsüberschätzung

• Problem: Materialmodell mit Faserverstärkung wird mit Hilfe des offiziellen technischen Datenblattes (TDS) und der darin enthaltenen Aussage über den E-Modul erstellt oder bestenfalls global mit einem Faktor abgemindert.
• Erklärung und Folge: Der E-Modul wird an einem spritzgegossenen Schulterzugstab ermittelt, welcher i.d.R. eine Faserausrichtung von ~80% aufweist. Die angenommene Steifigkeit, d.h. von 80% Faserausrichtung (oder mit Faktor abgemindert) werden global auf das Modell übertragen. Die Verformungsergebnisse sind nicht repräsentativ (Steifigkeitsüber- oder -unterschätzung.)
• Lösung: Simulation mit einem anisotropen Materialmodell. Mit Hilfe einer integrativen Simulation werden die Faserorientierungstensoren aus der Spritzgusssimulation exportiert und auf das Bauteil gemappt.

2. Keine Berücksichtigung von Temperaturabhängigkeit 

• Problem: Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen sind stark temperaturabhängig und folgen keiner Linearität.
• Erklärung und Folge: Fehlende Modellierung der genauen Temperaturabhängigkeit führt zu fehlerhaften Ergebnissen in der Simulationsauswertung im Gegensatz zu den später real vorherrschenden thermischen Randbedingungen der Baugruppe.
• Lösung: Das für das Projekt angelegte Lastenheft sollte genaue Daten und Angaben (z.B. Temperaturkollektive und Worstcase Lastfälle) bereithalten, um Temperatureinflüsse schon in den ersten Simulationsschleifen mitberücksichtigen zu können.

3. Unbedachte Interpolation von Messdaten 

• Problem: Wie in Punkt zwei bereits erwähnt, ist der Temperatureinfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen nicht einfach abzuschätzen und führt bei falscher Betrachtung oder unbedachter Interpolation zw. Temperaturen zu Fehlern.
• Erklärung und Folge: Während sich z.B. Spannungs-Dehnungskurven bei Temperaturen weit unterhalb des Glasübergangspunkts Tg vorhersehbar verhalten, ändert sich dieses Verhalten sprunghaft um Tg.
• Lösung: Die Glasübergangstemperatur muss kritisch in der Auslegung beachtet werden. Bei klaren Randbedingungen sollten Zugversuche bei entsprechender Temperatur experimentell durchgeführt werden.

4. Umrechnung wahre / technische Dehnung aus Versuchsdaten

• Problem: Da die Messung wahrer Spannungs-Dehnungswerte sehr aufwändig wäre, werden meist nur technische Spannungs-Dehnungswerte erhoben. Diese technischen Spannungs-Dehnungskurven sind allerdings aufgrund des starken Einschnürens bei Kunststoffen nur für die Auswertung bei geringen Dehnungen geeignet. Zudem werden Ergebnisse aus FEM-Simulationen in der Regel als wahre Größen betrachtet.
• Erklärung & Folge: Bei Nichtbeachtung können Spannungen falsch eingeschätzt und das Bauteil dementsprechend falsch ausgelegt werden.
• Lösung: Zur Beachtung von technischer sowie wahrer Spannung / Dehnung und entsprechende Umrechnung für Erstellung von Materialmodellen und Auswertungen, eignen sich Skripte.

Bonus: Fehler in der Auswertung

Versagenskriterium und Festigkeitskennwerte

• Problem: Während für metallische Werkstoffe die Vergleichsspannungshypothese zur Auswertung und Erfahrungswerte für Festigkeiten seit ~100 Jahren verwendet werden können, liegt dies nicht für Kunststoffe vor. Zusätzlich sind prozessbedingte lokale inhomogene Materialstrukturen deutlicher zu betrachten, welche Schwachstellen im Werkstück erzeugen.
• Erklärung & Folge: Bei falscher Verwendung von Bewertungskriterien oder Nicht-Beachtung von Binde- und Fließnähten, werden Belastungen im Material falsch eingeschätzt und kann es zum Bauteilversagen kommen.
• Lösung: Einen sehr guten Überblick über die Herangehensweise zur Festigkeitsbewertung von Kunststoffbauteilen gibt die neue VDI 2016 (Status Gründruck). Zusätzlich sollten Festigkeitskennwerte immer anwendungsbezogen (z.B. Bindenahtfestigkeiten unter Temperatur) ermittelt werden.

Fazit

Struktursimulationen sind somit ein essenzielles Werkzeug zur Auslegung von Spritzgussteilen und leisten einen bedeutenden Beitrag zur Effizienz, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit in der Produktentwicklung. Doch gerade bei der Materialmodellierung von Kunststoffen können typische Fehler die Aussagekraft der Simulation erheblich beeinträchtigen. Zu den häufigsten Stolpersteinen zählen die Überschätzung der Steifigkeit durch unzureichend angepasste E-Module, die Vernachlässigung der stark temperaturabhängigen Materialeigenschaften sowie die unbedachte Interpolation von Messdaten. Auch die falsche Interpretation technischer vs. wahrer Dehnungsdaten und unpassende Festigkeitskriterien können zu Fehleinschätzungen führen. Die Lösung liegt in präziser Datenbasis, realistischer Modellierung (z. B. anisotrope Materialmodelle, temperaturabhängige Kennwerte) und praxisnaher Validierung. Wer diese Aspekte beachtet, schafft die Grundlage für belastbare Simulationsergebnisse und damit für zuverlässige, kosteneffiziente Kunststoffbauteile. Gerne unterstützen wir Sie durch unsere Expertise bei Ihrem Projekt sowohl in der Modellbildung und Simulation als auch mit Materialdaten aus unserem Labor.

Vorteile der Zusammenarbeit mit BARLOG Plastics

1. Beschleunigte Produktentwicklung: Eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit der benötigten Abteilungen sorgt für zielgerichtete und belastbare Ergebnisse.
2. Umfangreiches Material- und Prozess-Know-how: Jahrelange Expertise ermöglicht eine effiziente Bauteilentwicklung und das frühzeitige Validieren technischer Lösungen.
3. Projektkosten minimieren: Die Wahl geeigneter Simulationsverfahren reduziert Entwicklungs-risiken und hilft so, Projektkosten durch eine zu späte Fehlererkennung zu vermeiden.