Simulation-driven development and optimisation approach for polymer injection moulded components with non-linear contact and material behaviour

Abstract

The early phase of product development significantly influences the time-to-market and cost of a product. Engineers seek ways to expedite this process while enhancing quality, leading to the widespread adoption of computer simulations. In this work the use of structural mechanics simulations to support design decisions in development and production of injection moulded lighting components is highlighted and evaluated. These components must undergo rigorous testing according to international standards, and any failure necessitates costly adjustments to injection moulding tools and a repetition of the test routine. The Method of Dimensionality Reduction is applied to mathematically translate the 3D problem, facilitating numerical optimisation. Specifically, a tangible and tractable way of optimising a LED strain relief component is illustrated, addressing necessary accompanying tasks such as material model calibration and the determination of the coefficient of friction. The results enable a qualitative evaluation, showing a slight improvement in the initial design, enhancing its ability to withstand cable pull-out forces while reducing component stresses. These findings provide a foundation for further, more in-depth research and offer insights into the potential for fully simulating standardized test routines. The implications of this work extend to potential cost savings and efficiency gains in product development processes.

Die frühe Phase der Produktentwicklung hat erheblichen Einfluss auf die Markteinführungszeit und die Kosten eines Produkts. Ingenieure suchen nach Möglichkeiten, diesen Prozess zu beschleunigen und gleichzeitig die Qualität zu verbessern, was zur weit verbreiteten Anwendung von Computersimulationen geführt hat. In dieser Arbeit wird der Einsatz von strukturmechanischen Simulationen zur Unterstützung von Designentscheidungen bei der Entwicklung und Produktion von spritzgegossenen Beleuchtungskomponenten aufgezeigt und bewertet. Diese Bauteile müssen strenge Prüfungen gemäß internationaler Normen bestehen, wobei ein Versagen kostspielige Anpassungen an den Spritzgusswerkzeugen sowie die Wiederholung des Testablaufs erfordert. Die Methode der Dimensionsreduktion wird angewandt, um das 3D-Problem mathematisch zu übersetzen und die numerische Optimierung zu erleichtern. Konkret wird eine greifbare und handhabbare Methode zur Optimierung einer Zugentlastungskomponente eines LED-Treibergehäuses aufgezeigt, wobei notwendige begleitende Aufgaben wie die Kalibrierung des Materialmodells und die Bestimmung des Reibungskoeffizienten behandelt werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine qualitative Bewertung und zeigen eine leichte Verbesserung des ursprünglichen Designs, indem die Widerstandsfähigkeit gegen Kabelauszugskräfte verbessert wird, während gleichzeitig die Belastungen der Komponenten reduziert werden. Diese Erkenntnisse bilden eine Grundlage für weitere, vertiefte Forschung und bieten Einblicke in das Potenzial für die vollständige Simulation standardisierter Prüfroutinen. Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich auf potenzielle Kosteneinsparungen und Effizienzsteigerungen in den Produktentwicklungsprozessen.