Modellentwicklung am Beispiel mechanischer Prüfverfahren zum Einsatz numerischer Simulation in der Schuhindustrie

Im Rahmen des AiF-Forschungsprojekts 19657 BG «Modellentwicklung am Beispiel mechanischer Prüfverfahren zum Einsatz numerischer Simulation in der Schuhindustrie», haben das PFI und ITM Prüfungsaufgaben aus der Schuhindustrie mithilfe von Simulationsmodellen entwickelt, Simulationsrechnungen durchgeführt und mit Prüfergebnissen aus Prüfungen realer Bauteile, Schuhe und Belastungen optimiert.

In vielen Bereichen ist heutzutage bei der Entwicklung von neuen Produkten der Einsatz von Computern und deren Software unentbehrlich. Auch in der Schuhindustrie sind CAD-Verfahren zur Modellentwicklung nicht mehr wegzudenken. Simulationstechniken bieten darüber hinaus die Möglichkeit, bestehende Produkte zu optimieren und neue Produkte effizienter und kostengünstiger als bisher zu entwickeln. Mittels moderner Simulationssoftware kann durch den Schuhentwickler nahezu unabhängig von Material und Geometrie ein realitätsnahes Modell zur Simulation eines Produktes erstellt werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung, Erprobung und Validierung von Modellen basierend auf der Finite-Element-Methode (FEM) zur realitätsnahen Abbildung wichtiger Schuhprüfungen in Simulationen. Zur Umsetzung der Projektziele wurden verschiedene Prüfungen ausgewählt, daraus CAD-Modelle erstellt, in FEM-Modelle übertragen und Simulationen durchgeführt. Als Referenz wurden die Prüfungen in den PFI-Laboren nachgestellt, was der wissenschaftlichen Grundlage für die Bestimmung der Modellqualität diente.

Als Grundlage für die im Projektverlauf durchgeführten Simulationen von Prüfungen am Schuh wurden entsprechend benötigte CAD-Modelle der relevanten Prüfeinrichtungen erstellt. Folgende Prüfungen wurden hierbei berücksichtigt:

  • Energieaufnahme im Fersenbereich (DIN EN 20344),
  • Durchtrittsicherheit (DIN EN 20344),
  • Nahtfestigkeit (DIN EN 13572 und PFI-Standard) sowie
  • Biegefestigkeit von durchtrittsicheren Einlagen (DIN EN 12568)

Die maschinenrelevanten Bauteile, sowie die benötigten Prüflinge wurden in ein CAD-Modell überführt. Neben z. B. den einfacheren Geometrien eines Prüfnagels wurden auch komplexe Abbildungen einer Schuhsohle eines Sicherheitsschuhs erstellt. Für die jeweiligen CAD-Modelle wurden, mithilfe der FEM, Vernetzungen vorgenommen und entsprechende Randbedingungen festgelegt. Kontaktmodelle wurden in LS-Dyna und Z88 (Freeware) erstellt. Weiterhin wurden benötigte, physikalische Materialdaten von 15 schuhspezifischen Materialien ermittelt. Hierbei wurden z. B. E-Module bzw. Bruchkräfte in jeweils a- und b-Richtung, mithilfe von Zugversuchen experimentell konstatiert.

Zum Vergleich der realen Versuchsergebnisse mit den simulierten Versuchen, wurden die bestehenden Prüfungsmethoden durch geeignete Messmethoden erweitert. So konnte z.B. durch den Einsatz verschiedener Druckmessfolien die Druckverteilung auf den Prüfling während der Messung aufgezeichnet werden (siehe Abbildung 1).

Es wurden Realversuche der vier Schuhprüfungen durchgeführt, die als Vergleichsmessungen für die analog durchgeführten Simulationen dienten. Zudem wurden Versuche an einer dynamischen Gehsimulatorprüfung durchgeführt. Im Projektverlauf wurden erfolgreich entsprechende FEM-Modelle entwickelt und Randbedingungen festgelegt, welche eine Abbildung der Simulationsergebnisse auf das reale Prüfgeschehen ermöglichten.

Durch den erfolgreichen Abschluss des Forschungsprojekts wurde ein Folgeprojekt mit dem Titel „Verfahrungsentwicklung zur Auslegung und Fertigung von Arbeits- und Sicherheitsschuhen durch numerische Simulation dynamischer Prüfbelastungen“ beantragt. Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung, Erprobung und Validierung von Simulationsmodellen zur realitätsnahen Abbildung von Schuhkomponenten und kompletten Schuhen aus dem technischen Bereich (Arbeits- und Sicherheitsschuhe) in ihrem statischen und dynamischen Verhalten. Den KMU der deutschen Schuhbranche wird damit ein Simulationsbaukasten bereitgestellt, mit dem sie in die Lage versetzt werden, neue Materialkombinationen und Konstruktionsbauweisen virtuell zu testen und innovative und individualisierte Schuhe zu entwickeln. Das PFI wird sich gemeinsam mit der Technischen Universität Dresden diesen Aufgaben stellen, mit der Zielsetzung, die Einführung dynamischer Simulationsprozesse in der Schuhindustrie, vor allem bei den KMU´s, weiter voranzutreiben.

Dankssagnung:

Das AiF-Vorhaben 19657 BG der Forschungsvereinigung Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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