Kleine Schritte führen zu großem Erfolg – Smartphoneständer mit Fokus auf DoE

Durch den gezielten Einsatz von Simulationen und statistischer Versuchsplanung (DoE) wurde der BARLOG-Plastics-Smartphoneständer bereits in der virtuellen Entwicklungsphase hinsichtlich Verzugsverhalten und mechanischer Festigkeit optimiert. Kritische Schwachstellen wie Bindenähte und Auflageverzug konnten identifiziert, durch minimalinvasive Geometrieanpassungen beseitigt und das finale Werkzeugkonzept frühzeitig definiert werden. So wurde eine qualitativ hochwertige, funktionale Produktlösung mit minimalem Aufwand und großem Showeffekt realisiert.

Projektbeschreibung: Bauteil und Anforderungen

Die Entwicklungsabteilung von BARLOG Plastics entwickelte den Smartphoneständer als Aufsteller für das Mobiltelefon mit funktionalem Mehrwert (Lautsprecherverstärker) von der Idee bis zur Serie. Im Rahmen dieser Entwicklung wurden Design und herstellungsspezifische Details mit der Hilfe von Simulationen optimiert. Der Simulationsumfang wurde mittels statistischer Versuchsplanung / Design of Experiments (DoE) automatisiert.

Herausforderungen:

• Abhängigkeiten: Um vorbereitend auf den Herstellungsprozess im Kunststoff-Spritzguss und in der Anwendung alle möglichen Fehlerquellen zu verhüten, durchlief der Artikel iterativ den Entwicklungsprozess in der CAE-Abteilung bei BARLOG Plastics. Herausfordernd dabei waren, die Abhängigkeiten unter den einzelnen Disziplinen zu berücksichtigen und in einer möglichst automatisierten Simulationsabfolge zu optimieren.
• Mechanische Belastung: Es zeigte sich sehr schnell, dass bei einer mechanischen Belastung auf den vorderen Bügel des Smartphoneständers, das Bauteil am Fließwegende versagen würde. Begründet wird diese Schwachstelle im Materialgefüge durch eine Bindenaht, die genau in einem hoch belasteten Bereich liegt. Da sich diese Bindenaht geometriebedingt nicht vermeiden lässt, muss diese über Geometrieoptimierungen am Artikel selbst aus dem kritischen Bereich verschoben werden.

• Verzugsverhalten: Auch gaben die ersten Spritzgusssimulationen Erkenntnisse zum Verzugsverhalten, welches ebenfalls optimiert werden musste, da der Ständer sonst auf dem Schreibtisch kippeln könnte. Hier zeigte sich ein hoher Einfluss der Anbindungsposition auf das Verzugsverhalten. Mit den Ergebnissen der Spritzgusssimulation in Verbindung mit den kritischen Stellen der Struktursimulationen konnten also wertvolle Erkenntnisse im Hinblick auf Festigkeit und Verzugsverhalten gewonnen werden.

Lösungsansätze und Prozessgestaltung

Für die simulative Überprüfung und Optimierung der markanten Stellen, wurden verschiedene Ansätze in einer vollfaktoriellen DoE (Design of Experiments) verfolgt.

1. Identifikation der Anbindungsposition:

Zur Identifikation der Anbindungsposition mit der geringsten Verzugsneigung erfolgte in Anlehnung an das Werkzeugkonzept eine Variation der Anbindung über die Bauteilseite. Dafür wurden 20 verschiedene Anspritzpunkte und deren Auswirkungen mit in den Versuchsplan aufgenommen.

Abb. 2: Der Anspritzpunkt wurde in Abständen von 2,5 mm entlang der Werkzeugtrennebene variiert.

2. Lage der Bindenaht

Um die Lage der Bindenaht zu beeinflussen, verfolgten die Entwicklungsingenieure zwei Ansätze parallel: Zum einen durch Erhöhung der Wandstärke in dem Bogen schrittweise um 1 mm, um neben einer Steigerung der Steifigkeit, den Materialfluss in diesem Bereich zu begünstigen (Fließhilfe). Zum anderen verzögert eine Tasche, die auf der Bauteilunterseite in unterschiedlichen Tiefen mit 0,2 mm Schritten eingelassen wird, den Materialfluss (Fließbremse).

3. Umgestaltung

Um die Abhängigkeiten und Einflüsse der einzelnen Änderungen untereinander zu bewerten, erfolgten die Umgestaltungen in einem detaillierten Versuchsplan. In dieser vollfaktoriellen DoE konnten alle Varianten simulativ berechnet, gegenübergestellt und nach den gesetzten Zielgrößen bewertet werden. Die Lage der Bindenaht und die Ebenheit aller Auflagepunkte, sprich der Verzug des Bauteils, stellen dabei die Zielgrößen dar.

Mehrere Messpunkte auf der Unterseite des Bauteils, die idealerweise auf einer Ebene liegen sollten, definieren diesen Verzug. Durch einen möglichst geringen Bauteilverzug lässt sich eine gute Standfestigkeit sicherstellen.

Zur Bewertung der zweiten Zielgröße, der „Lage der Bindenaht“, werden im kritischen Bereich der Festigkeitsberechnung die Anzahl aufeinandertreffender Partikel gezählt. Der geringste Wert lässt dabei auf die Vermeidung einer Bindenaht in dem definierten Bereich schließen.

Damit sind Eingangsgrößen aufgrund der unterschiedlichen Geometrievarianten sowie die Zielgrößen bezogen auf die Bauteilqualität in den Versuchsplan aufgenommen.

Ergebnisse und Erkenntnisse

Mit den gegebenen Eingangsgrößen, den verschiedenen Anspritzpunkten, der Fließhilfe im Bogen und der Fließbremse im Boden ergibt sich ein vollfaktorieller Versuchsplan mit 180 verschiedenen Kombinationen für die Simulation. Alle Kombinationen werden mit den resultierenden Ergebnissen der Zielgrößen, d.h. dem Verzug und der Lage der Bindenaht, ausgegeben.

Um die Abhängigkeiten der einzelnen Eingangsgrößen untereinander zu visualisieren und zu bewerten, wird der gesamte Versuchsplan in einem Parallel-Koordinaten-Diagramm dargestellt. Diese Visualisierung verdeutlicht die Streubreite aus der Kombination der Eingangsgrößen. In einer herkömmlichen Entwicklungsphase würde man zeit- und kostenintensiv eine Vielzahl an unübersichtlichen Kombinationen durchspielen, bis sich ein gewünschtes Ergebnis erreicht ist.

Abb. 5: Volle Darstellung der Berechnungsergebnisse im Parallel-Koordinaten-Diagramm.

Mit einfachem Eingrenzen aller Messergebnisse auf einen Zielbereich, lassen sich in den Berechnungsergebnissen  die Kombinationen mit den vielversprechendsten Ergebnissen identifizieren.

Abb. 6: Reduzierte Parallelkoordinaten

Aus allen 180 möglichen Kombinationen konnte so die beste Kombination aus geringster Verzugsneigung und der Vermeidung der Bindenaht im kritischen Bereich schnell gefunden werden. Mit der Lage der Anbindung und der ermittelten Wandstärken aus mechanischer und spritzgusstechnischer Simulation ergibt sich der finale Artikel und damit auch das finale Werkzeugkonzept.

Mit dem iterativen Vorgehen und der ganzheitlichen Betrachtung des Artikels in seiner Verwendung, konnte mit kleinen Änderungen eine optimale Artikelqualität bereits in der virtuellen Entwicklungsphase erreicht werden. In kürzester Zeit und mit geringem finanziellen Aufwand konnten aufwändige Werkzeugänderungen im Nachgang vermieden werden.

Für die volle Ausnutzung der Materialeigenschaften in den hoch belasteten Bereichen konnte die Schwachstelle durch eine Bindenaht aus dem kritischen Bereich verschoben werden. Somit erreicht der Artikel die an ihn gestellte mechanische Anforderung.

Damit die Verwendung des aufrechtstehenden Mobiltelefons ohne Wackeln oder Umkippen möglich ist, konnte die Auflage des Ständers über die Reduzierung des Bauteilverzugs sichergestellt werden.

Vorteile der Zusammenarbeit mit BARLOG Plastics

Der Entstehungsprozess des Smartphoneständers veranschaulicht auf einfache Art und Weise, wie kleine Optimierungsmaßnahmen nicht nur einen großen Einfluss auf die Qualität und Funktionalität eines Produktes haben können, sondern auch, wie sich potenzielle Fehlerquellen im Vorfeld identifizieren und vermeiden lassen. Vermeintlich unscheinbare Einflussfaktoren und deren Einfluss auf die Zielgrößen können mit dem Hilfsmittel der DoE aufgedeckt werden.

Fazit

Das gezeigte Beispiel lässt sich gut auf die Entwicklung herkömmlicher Kunststoffartikel duplizieren. Grade im Hinblick auf hohe Anforderungen technischer Produkte, dem Zusammenspiel innerhalb einer Baugruppe und Kostenbewusstsein, ist die ganzheitliche Betrachtung von großer Bedeutung. Besonders unter dem letzten Punkt ist das frühzeitige Erkennen und Vermeiden potenzieller Fehler essentiell wichtig. Das lässt sich am besten anhand der Zehnerregel der Fehlerkostenentwicklung veranschaulichen.