Verfahrungsentwicklung zur Auslegung von Arbeits- und Sicherheitsschuhen durch numerische Simulation unter Berücksichtigung dynamischer Belastungen
In der heutigen Zeit sind Computer und Software in vielen Branchen unverzichtbar, um neue Produkte zu entwickeln. Auch in der Schuhindustrie werden CAD-Verfahren verwendet, um Modelle zu erstellen. Simulationsmethoden bieten zusätzliche die Möglichkeit, vorhandene Produkte zu optimieren und neue Produkte effizienter und kostengünstiger zu entwickeln. FEM-Systeme ermöglichen eine effiziente und zeitsparende Durchführung von Simulationen, im Gegensatz zu konventionellen Prüfmethoden, die oft aufwendige und zeitintensive physische Tests erfordern. Des Weiteren werden durch den Einsatz von FEM-Systemen die Kosten für die Materialbeschaffung und den Prototypenbau reduziert. Virtuelle Tests ermöglichen es, verschiedene Szenarien und Designänderungen kostengünstig zu analysieren, bevor physische Prototypen hergestellt werden. Darüber hinaus bieten FEM-Systeme eine hohe Flexibilität bei der Modellierung und Analyse. Sie ermöglichen es, verschiedene Materialien, Geometrien und Belastungsszenarien zu simulieren und so eine detaillierte Bewertung des Verhaltens des Schuhs unter unterschiedlichen Bedingungen vorzunehmen. Es ist jedoch wichtig, ihre Grenzen zu berücksichtigen und die Ergebnisse sorgfältig zu validieren.
Um die Einstiegshürde für die KMU zu reduzieren, wurden im Projektverlauf entsprechende Arbeiten geleistet. Zu Projektbeginn wurden die benötigten Materialien sowie die zu prüfenden Demonstrationsschuhe festgelegt. Hierbei wurden die Fallhammerprüfung, die Überrollprüfung und die Flexibilitätsprüfung als dynamische Prüfungen ausgewählt, um mit den entsprechenden Simulationsergebnissen validiert zu werden (siehe Abbildung).
Neben der Erstellung benötigter CAD-Modelle der Prüfvorrichtungen wurde ein Sicherheitsschuh, sowie ein Gummistiefel in ein CAD-Modell überführt. Zur Erstellung der Schuhmodelle wurde ein 3D-Scanner verwendet, welcher die Schuhdemonstratoren in ein CAD-Modell überführt. Um die Materialeigenschaften der verwendeten Schuhmaterialien zu bestimmen, wurden Versuche in den Laboren durchgeführt. Durch die Auswertung der Versuchsdaten konnten spezifische, physikalisch Materialdaten ermittelt werden, welche bei der FEM-Simulation verwendet wurden. Um eine bessere Validierung der Simulationsergebnisse zu gewährleisten, wurden die ausgewählten Normprüfungen mit Sensoren zur erweiterten Messwertaufnahme ausgestattet. Die FEM-Modelle wurden erfolgreich, mithilfe der realen Versuche validiert. Auf Basis von nummerischen Parameterstudien wurden Verfahrensanweisungen für die KMU erstellt und die Wirtschaftlichkeit der entwickelten FEM-basierten Prozesskette analysiert.
Insgesamt eröffnen die Forschungsergebnisse den schuhherstellenden KMU neue Möglichkeiten, ihre Wettbewerbsfähigkeit zu stärken und ihre Position auf dem Markt zu verbessern. Sie bieten eine solide Grundlage für die Entwicklung innovativer Produkte und die Gewährleistung einer hohen Qualität und Kundenzufriedenheit. Die Forschungsergebnisse tragen dazu bei, dass die Unternehmen den Herausforderungen der Branche besser gewachsen sind und ihre Produkte den ständig wachsenden Anforderungen gerecht werden.
Dankssagnung:
Das IGF-Vorhaben 21374 BG der Forschungsvereinigung Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e.V., Marie-Curie-Straße 19, D-66953 Pirmasens, wurde über das AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Ferner danken wir den zahlreichen Unternehmen für die Bereitstellung von Versuchsmaterialien sowie für die Begleitung der Arbeiten mit Beratung und Unterstützung.
Projektpartner
TU Dresden
Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik
George-Bähr-Straße 3c
01062 Dresden
Eine Kurzfassung des Berichts können Sie hier einsehen.