Veryst kombiniert Materialtests und Simulationen für zuverlässige Ergebnisse

Um auf dem heutigen Markt erfolgreich zu sein, müssen zuverlässige Produkte entwickelt werden, die wie vorgesehen funktionieren und zum richtigen Zeitpunkt auf den Markt gebracht werden. Wie viele andere Unternehmen hat auch Veryst Engineering festgestellt, dass die Simulation ein effektives Werkzeug ist, um in ein Produkt hineinzuschauen und zu überprüfen, dass das Design den Spezifikationen entspricht, bevor Prototypen oder Produkte gefertigt werden. Dazu müssen Simulationen mit den Antworten aus der realen Welt übereinstimmen, wobei das Verständnis des Materialverhaltens entscheidend ist. Allerdings verhalten sich nicht alle Materialien vorhersehbar.

Polymere bieten Schutz, wenn andere Materialien versagen

Polymermaterialien werden häufig in Komponenten verwendet, die Stoßbelastungen sicher standhalten müssen oder andere Geräte schützen, indem sie Energie absorbieren und Belastungen mindern. Laut dem Paper „High Strain Rate Characterization of Polymers“ von C. R. Siviour werden Polymere entweder bei einmaligen Ereignissen verwendet, bei denen eine plastische Verformung akzeptabel ist, oder bei wiederholten Belastungen, bei denen das Polymer zu seinen ursprünglichen Dimensionen und Eigenschaften zurückkehren muss.

Die Peristaltikpumpe ist ein Bauteil, das sich die Fähigkeit von Polymermaterial zunutze macht, nach wiederholter Belastung wieder in den Normalzustand zurückkehren zu können. Solche Pumpen haben häufig risikoreiche Anwendungen, bei denen Sicherheit und Langlebigkeit im Vordergrund stehen und sterile, saubere oder aggressive Flüssigkeiten durch ein System gepumpt werden müssen. Peristaltische Pumpen sind so konzipiert, dass das Fluid und die Pumpenteile nicht miteinander in Kontakt kommen: Das Fluid wird über eine Reihe von Rollen durch einen Polymerschlauch gedrückt und kommt nie mit etwas anderem als dem Schlauch in Berührung.

Eine Schlauchpumpe, die ein klares Fluid im Schlauch enthält. Das äußere Gehäuse wurde entfernt, um die Pumpenkomponenten zu zeigen.

In einem Krankenhaus etwa ist es von entscheidender Bedeutung, dass intravenöse Flüssigkeiten steril bleiben, wenn sie durch Infusionsgeräte gepumpt werden, und dass das Blut, das während einer Bypass-Operation durch eine Herz-Lungen-Maschine zirkuliert, nicht verunreinigt wird. In Getränke- und Seifenspendern sind Schlauchpumpen ein wichtiger Faktor für den Schutz der Verbrauchergesundheit. In manchen Fällen ist es sogar wahrscheinlicher, dass das Fluid der Pumpe schadet als umgekehrt. So würden aggressive Chemikalien oder Bergbauschlämme Metallteile schnell korrodieren lassen, wenn sie nicht sicher in einem Polymerschlauch eingeschlossen wären.

Polymermaterialien eignen sich bekanntermaßen für den Einsatz in Schläuchen für Peristaltikpumpen, aber das garantiert nicht, dass ein bestimmtes Design zum Erfolg führt. Wie immer ist es empfehlenswert, die Leistung des Endprodukts oder -systems auf lange Sicht zu testen und vorherzusagen, bevor die Entwicklung und die Produktion beginnen. Je risikoreicher der Anwendungsfall ist, desto wichtiger sind Tests während der Designphase.

Wir haben einen Tag im Büro von Veryst verbracht, um zu erfahren, wie sie Materialtests und Simulationen kombinieren – und ein Video produziert, damit Sie auch direkt von ihnen hören können.

Nichtlinearität ist Segen und Fluch zugleich

Beim Design von Peristaltikpumpen müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Die Wechselwirkung zwischen den Rollen und dem Schlauch
• Das Ausmaß der Verformung und ihre Auswirkungen auf das Schlauchmaterial

Wie die Ingenieure des Consulting-Unternehmens Veryst Engineering wissen, kommt es beim Zusammendrücken des Schlauchs, um das Fluid durch das System zu drücken, zu starken Verformungen, was aufgrund der ständigen Pumpvorgänge zu Materialermüdung führen kann. Um seinen Kunden dabei zu helfen, dieses Problem bereits in der Designphase zu vermeiden, setzt Veryst auf Simulationen.

Sie schätzen die Simulation unter anderem wegen der Möglichkeit, die Leistung eines Produkts über einen längeren Zeitraum zu untersuchen und so zu überprüfen, ob das Design den Spezifikationen entspricht. Im Fall der Schlauchpumpe wollte Veryst die Beanspruchung des Schlauchs untersuchen, um sicherzustellen, dass er eine Million Zyklen übersteht, sowie die Scherspannung im Durchfluss, da einige Fluide einer hohen Scherspannung standhalten können (z. B. Wasser) und andere nicht (z. B. Blut). Sie versuchten außerdem, Schwankungen im Durchfluss zu reduzieren.

Die Geometrie einer Peristaltikpumpe.

Bei jeder Simulation ist es wichtig, die Geometrie, die Ränder und das Netz richtig zu erstellen. Ein erfahrener Simulationsingenieur kann all das. Um jedoch genaue und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, muss man auch das Verhalten des verwendeten Materials verstehen. Hier hat Veryst noch ein Ass im Ärmel: Sie haben ein Materialprüflabor vor Ort. Da läuft doch alles glatt, oder? Nicht so schnell.

Polymere sind nützlich, weil sie aufgrund ihrer nichtlinearen Materialeigenschaften nach wiederholter Belastung wieder in den Normalzustand zurückkehren können, aber aus diesem Grund sind sie auch schwer zu testen. Gemäß dem Paper von C. R. Siviour kann die Durchführung von Messungen des Polymerverhaltens bei hohen Raten eine Herausforderung darstellen, und diese eigentlich nützlichen Eigenschaften tragen dazu bei. In dem Paper wird auch darauf hingewiesen, dass Tests eine ausreichend hohe Erfassungsgeschwindigkeit erfordern, um die strukturelle Antwort eines Prüflings auf eine Verformung mit hoher Rate zu charakterisieren. Hochgeschwindigkeitsfotografie und Röntgendiffraktometrie sind dabei relevante Methoden, während die Wärmebildtechnik weniger geeignet ist. Man könnte sagen, dass Nichtlinearität sowohl ein Segen als auch ein Fluch ist.

Nun ist es an der Zeit, dass der Simulationsingenieur mit dem Testingenieur zusammenarbeitet.

Fall- und Zugversuche zur Erstellung eines Materialmodells

Bei Veryst führt der Testingenieur Zug- und Fallversuche durch, um Erkenntnisse über das Materialverhalten des Polymerschlauchs zu erhalten, und stellt dem Simulationsingenieur schließlich ein Materialmodell zur Verwendung in den Simulationen zur Verfügung. Sean Teller, ein auf Materialverhalten spezialisierter leitender Ingenieur bei Veryst, führt uns durch die Tests.

Der Zugversuch

Der Zugversuch ist ein zyklischer Test, der für die langsame Spannungsprüfung des Materials (in diesem Fall eines Pumpenschlauchs) verwendet wird. Er zeigt, wie sich das Material bei geringer und hoher Dehnung und Spannung verhält.

Um das Material für den Zugversuch vorzubereiten, nimmt Veryst den Schlauch heraus, schneidet ihn in der Mitte durch, stanzt eine Probe in Form eines Hundeknochens aus und versieht diese mit einem schwarz-weißen Sprenkelmuster, das für das digitale Bildkorrelationssystem (Digital Image Correlation, DIC) zur Messung der Dehnung verwendet wird.

Hier erklärt Teller den Zugversuch:

Der Fallversuch

Der Fallversuch wird bei Hochgeschwindigkeits-Zug- und Drucktests von Polymermaterialien eingesetzt. Polymermaterialien reagieren dehnratenabhängig, daher sind Versuche mit hohen Raten erforderlich, um diese Materialien vollständig zu charakterisieren. In der Theorie ist dies einfach, in der Praxis jedoch kompliziert und schwer zu analysieren.

Der Aufbau von Veryst umfasst ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem, das aufschlussreiche Daten zur Untersuchung der Antwort von Materialien auf hohe Geschwindigkeiten liefert, um diese Materialien in den Modellen zu kalibrieren und zu simulieren. Hier erklärt Teller den Fallversuch:

Auf die Plätze, fertig, Simulation

Anhand der Tests wird die Spannungs-Dehnungs-Antwort des Materials ermittelt. Aus diesen Daten erstellt Veryst ein Materialmodell zur Verwendung in der Simulation. Durch die Kombination von Simulationserfahrung und einem genauen Materialmodell kann Veryst dann den Kontakt, das Fluid und alle Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Materialien in der Peristaltikpumpe modellieren.

An dieser Stelle sollte daran erinnert werden, dass das Verhalten von Schlauchpumpen komplex ist. Das Fluid kann den Feststoff stark beeinträchtigen und umgekehrt – es handelt sich um eine ausgeprägte Fluid-Struktur-Interaktion (FSI). Sowohl das Fluid als auch der Feststoff müssen berücksichtigt werden. Darüber hinaus wird das Gebiet des Fluids so stark zusammengedrückt, dass es fast verschwindet, was bedeutet, dass das Netz leicht zu stark verzerrt werden kann.

Nach Erhalt des Materialmodells wendet sich der Simulationsingenieur der Software COMSOL Multiphysics® zu, um einen Einblick in das Verhalten der Schlauchpumpe zu erhalten. Nagi Elabbasi, leitender Ingenieur und Simulationsexperte bei Veryst, sagt: „COMSOL ist einzigartig, da es den monolithischen oder vollständig gekoppelten Löser bietet“, um stark gekoppelte FSI-Probleme zu lösen. Die integrierten Features zur Steuerung der Netzbewegung sind ebenfalls nützlich und verhindern eine zu starke Verzerrung des Netzes.

Eine mit COMSOL Multiphysics erstellte Animation des vernetzten Peristaltikpumpenmodells.

Eine FSI-Simulation der Schlauchpumpe, erstellt mit COMSOL Multiphysics.

Letztendlich ist Veryst in der Lage, genaue und zuverlässige Simulationsergebnisse zu generieren und das Design der Peristaltikpumpe gemäß den Spezifikationen des Kunden zu optimieren.