Ein neues Simulationstool kann die Auswirkungen von Kühlmitteln auf Wasser-Glykolbasis auf Heizungs-, Sanitär- und Automobilkomponenten über deren gesamte Lebensdauer vorhersagen. Es bietet damit Möglichkeiten zur Bauteiloptimierung.
Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts mit Toyota (TME), Renault, Sogefi, Hexagon Manufacturing Intelligence und Arobas Technologies hat Domo Chemicals ein Workflow-Simulationstool für Polyamidteile in Kontakt mit Wasser und Kühlmitteln entwickelt. Dieser Thermofip-Workflow ermöglicht es, die Entwicklung der Bauteilbeständigkeit nach Alterung vorherzusagen und hilft Konstrukteuren, passende Geometrien für neue Teile zu entwerfen, ohne zahlreiche Tests durchführen zu müssen.
Neben Anwendungen in der Automobilindustrie bietet das Projekt auch Prognosemöglichkeiten für Heizungs- und Sanitäranwendungen, die ebenfalls regelmäßig mit Wasser und Kühlmitteln in Kontakt kommen.
Wichtige Anwendungsbeispiele für PA-66-Glasfaser-Compounds im Automobilbereich sind Teile unter der Motorhaube, die mit Kühlflüssigkeit in Berührung kommen. Dies gilt nicht nur für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, sondern auch für batterieelektrische, Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge.
Das neue Simulationstool bietet eine Vorhersage der Auswirkungen von Kühlmitteln auf Wasser- Glykolbasis auf Polyamid-Bauteile über deren gesamte Lebensdauer. (Foto: Domo)
Komplexe Wechselwirkungen besser simuliert
Die Wechselwirkungen zwischen den Hauptkomponenten des Compounds (Polyamid und Füllstoff) und den Hauptkomponenten des Kühlmittels (Wasser und Ethylenglykol) sind komplex. Dazu gehört zum einem die Plastifizierung, die die Glasübergangstemperatur des Compounds und damit die mechanischen Eigenschaften unter Standardbetriebsbedingungen herabsetzt. Zum anderen ist auch der chemische Abbau durch Hydrolyse der Polyamidketten und die Kühlmittelkonzentration zu berücksichtigen, die von einer Seite des Bauteils zur anderen variieren kann. Dies führt zu unterschiedlichen mechanischen Leistungsniveaus des Werkstoffs an verschiedenen Stellen der Bauteilgeometrie und im Zeitverlauf.
Darüber hinaus muss auch der Einfluss der Faserorientierung beachtet werden. Aufgrund all dieser Variablen war es bisher sehr schwierig, die lokale Leistungsfähigkeit solcher Bauteile durch Simulation vorherzusagen.
Durch die Verbesserung der Simulation und des Einsatzes von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, die Wasser und Kühlmitteln auf Glykolbasis ausgesetzt sind, unterstützt Thermofip Akteure im Bereich der Automobilkühlung und der Sanitärindustrie. Dies ist sowohl Materiallieferanten als auch für Unternehmen, die diese Teile entwickeln und verwenden, von Bedeutung. Das Tool ist nicht nur in der Lage, das Verhalten statischer Teile zu simulieren, sondern ermöglicht auch die Simulation aktiver Komponenten in ihren verschiedenen Positionen und den damit verbundenen lokalen Spannungseffekten.
„Bei der Berechnung der mechanischen Eigenschaften eines Bauteils aus glasfaserverstärktem Polyamid bietet die integrative Simulation den Vorteil, dass auch der Umformprozess berücksichtigt wird. Dies eröffnet neue Möglichkeiten der Bauteiloptimierung mit einer signifikanten Gewichtsreduktion von ca. 20 Prozent für die angestrebten Bauteile”, so Gilles Robert, Senior Materials Expert bei Domo. „Im Rahmen des Thermofip-Projekts haben wir ein kinetisches Modell zur Simulation des Einflusses von Kühlmitteln auf die fortschreitende Versprödung von Werkstoffen entwickelt, um neue Wege zur Herstellung noch leichterer Bauteile zu finden.“
Die neue Prototyp-Simulationskette, die in Zusammenarbeit mit Hexagon und Arobas Technologies entwickelt wurde, ermöglicht die Vorhersage der lokalen Schädigung von Bauteilen. Mehrere Modelle ermöglichen es nun, den Grad der Materialschädigung durch Alterung vorherzusagen, was wiederum dazu verwendet werden kann, die mechanische Leistung von Polymeren vorherzusagen, die Kühlmitteln ausgesetzt sind. Die Studie umfasst auch die Entwicklung des mechanischen Verhaltens des Materials mit der Alterung für verschiedene Faserorientierungen.
Die Simulationen wurden durch empirische Tests validiert. Ein Beispiel ist der Test mit dem Localized Strain Demonstrator, der von Domo Chemicals entwickelt und hergestellt wurde. Ziel war es, Versagen in der Nähe der Metalleinlagen auszuschließen. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation.
Thermofip ist die jüngste Ergänzung des etablierten MMI-Simulationsangebots von Domo, das bereits Mechanik- und Materialmodellierung sowie Spritzgießsimulation kombiniert.
Fallstudie zum Sogefi-Filtrationsmodul
Eine erste Fallstudie wurde an einem Sogefi-Ölfiltermodul durchgeführt, das aus glasfaserverstärktem Technyl besteht.
Die Simulationsergebnisse zeigen eine gute Korrelation zwischen Test und Simulation. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass das Versagen nicht am Ölmodul auftritt, wo die Hydrolyse am stärksten ist. Es tritt dort auf, wo eine ungünstige Kombination von lokalen Spannungskonzentrationen, Faserorientierung und Hydrolyse vorliegt. Dies verdeutlicht, warum ein komplexer Arbeitsablauf unter Berücksichtigung mehrerer Parameter erforderlich ist, um das Versagen solch komplexer Bauteile vorherzusagen.
Umfassende Erweiterungen geplant
Die Daten basieren auf Untersuchungen, die im Rahmen des Thermofip-Projekts in Zusammenarbeit mit allen Partnern durchgeführt wurden, und sind auf Anfrage erhältlich.
Die nächsten Schritte im Projekt sind die Erweiterung des Modells auf andere kommerzielle Kältemittel. Die Materialdatenbank wird um neue Werkstoffe erweitert, und es sollen weitere Fallstudien durchgeführt werden, um zu zeigen, dass diese neue Technologie die Art und Weise, wie Polyamid Bauteile in Kontakt mit Kühlmitteln konstruiert werden, verändern kann.
