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Hannover Messe 2017 Simulation macht fit für den Alltag

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Christof Gebhardt / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Cadfem präsentiert auf der diesjährigen Hannover Messe „Das Haus der Simulation“ und will damit zeigen, dass viele Gegenstände aus dem Alltag erst durch Simulationen zu dem wurden, was sie sind – nützliche Innovationen.

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Mit dem Haus der Simulation zeigt Cadfem in Hannover, wie ganz alltägliche Dinge mithilfe von Simulation optimiert werden.
Mit dem Haus der Simulation zeigt Cadfem in Hannover, wie ganz alltägliche Dinge mithilfe von Simulation optimiert werden.
(Bild: Cadfem)

Das Haus der Simulation beherbergt verschiedenste Exponate des tagtäglichen Gebrauchs. Interessierte Messebesucher können sich dort an interaktiven Displays über die jeweilige Simulationsgeschichte informieren und weitere Details von den anwesenden Simulationsspezialisten von Cadfem erfahren.

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Zu den Unternehmen, die sich mit Exponaten am Messestand beteiligen, gehören Biffar (Haustür), BSH Hausgeräte (Backofen), Deckerform (Stühle), Hansgrohe (Duschkopf, Thermostat), Head (Tennisschläger), Hewi (Duschsitz, Stützgriff), KTM-Technologies (Motorrad), Miele (Wäschetrockner) und Vorwerk (Thermomix). Zusätzlich werden Berechnungen von Lautsprechern und Autofelgen gezeigt. Zum jeweiligen Exponat stehen vielfältige Informationen bereit – warum in der Produktentwicklung Simulation eingesetzt wurde, welche Erkenntnisse die Berechnungen für die Auslegung des Produktes oder die Gestaltung des Fertigungsprozesses geliefert haben und welcher Nutzen mit der Simulation erzielt werden konnte.

Hier folgt als ein kleiner Vorgeschmack auf das Messeerlebnis die Beschreibung der Simulationserfahrungen der Unternehmen Hewi und Biffar sowie die Darstellung eines Simulationsprojektes zur Auslegung von Lautsprechern.

Abstrahlverhalten von Lautsprechern

Ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Lautsprechern ist das räumliche Abstrahlverhalten. Dieses wird als besonders gut empfunden, wenn die Lautsprecher eine möglichst gleichmäßige Charakteristik haben, und zwar über den gesamten Frequenzbereich, der abgedeckt werden soll. Um dieses zu erreichen, muss neben der akustischen Ausbreitung in der Luft auch die Interaktion zwischen den Schalldruckwellen, den Membranen und dem Lautsprechergehäuse beachtet werden. Ziel der Simulation war es, den Einfluss verschiedener Faktoren wie der (nachgiebigen) Gehäusewände oder Toleranzen auf das Abstrahlverhalten der Lautsprecher sowie die Verzerrung des abgestrahlten Signals zu ermitteln.

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Webinar: Intuitiv vom Bauraum zur idealen CAD-Geomterie

In Verbindung mit additiven Fertigungsverfahren ergeben sich für Konstrukteure und Produktentwickler neue Herausforderungen, wie z.B. die Ermittlung der optimalen Bauteiltopologie. Wie die Simulationssoftware Ansys und der Experte Cadfem Sie dabei unterstützt, erfahren Sie am 16.05. um 10:00 Uhr am Beispiel von Livedemonstrationen. Jetzt kostenlos anmelden unter: www.konstruktionspraxis.vogel.de/webinare

Fluid-Struktur-Interaktion zwischen Gehäuse und Luft

Die Analyse der Abstrahlcharakteristik des Lautsprechers erfolgte mit Ansys Mechanical. Dazu wurde zwischen Gehäuse und umgebender Luft eine Fluid-Struktur-Interaktion definiert, mit der die gegenseitige Beeinflussung realitätsnah abbildbar ist. Damit die Modellgröße in gut handhabbaren Dimensionen verbleibt, wurde lediglich der maßgebliche Bereich der umgebenden Luft bei der Simulation berücksichtigt. Trotzdem konnte sich der Schall auf Grund der verwendeten Fernfeld-Randbedingungen ungehindert ausbreiten. Basierend auf dem Prinzip der äquivalenten Schallquellen ließen sich auch außerhalb des simulierten Modells die erforderlichen Auswertungen vornehmen.

Besseres Verständnis der Interaktionen

Die frequenzbezogene Parametrisierung des Netzes sowie der umgebenden Luft reduzierten die Rechenzeiten. Eine weitere Beschleunigung ließ sich durch die gute Parallelisierbarkeit für den HPC-Einsatz (High Performance Computing) erreichen.

Die Simulationen führten zu einem besseren Verständnis der Interaktionen zwischen Gehäusekomponenten und umgebender Luft. Auf dieser Grundlage war eine effiziente Optimierung des Abstrahlverhaltens des Lautsprechers möglich, ohne Prototypen fertigen zu müssen.

Außerdem wurde gegenüber den bisherigen Messungen mit Prototypen ein höherer Informationsgehalt erzielt, da eine „raumumfassende“ Analyse der Schallausbreitung möglich war und nicht nur an einzelnen Punkten gemessen wurde wie mit Mikrofonen. Folglich konnte in kurzer Zeit und mit überschaubarem Kostenaufwand eine hohe Produktqualität erreicht werden.

Extrem belastbare Duschklappsitze

Speziell in Krankenhäusern, Pflegeheimen oder Seniorenresidenzen – aber auch in privaten Wohnungen – werden einfache Lösungen für komplexe Anforderungen benötigt. Hewi entwickelt unter anderem innovative Produkte für diese Bereiche, beispielsweise den Duschklappsitz der Hewi Serie 950. Die Duschsitze von Hewi müssen so ausgelegt sein, dass sie auch bei extremen Belastungen die Grenzen der Verformung, der Festigkeit und der Krafteinwirkungen auf die Wandhalterung nicht überschreiten, und das bei höchsten Ansprüchen an ein ästhetisches Design.

Reduzierte Wandstärke bei erhöhter Steifigkeit

Für das Ursprungsdesign des Duschsitzes, das relativ massiv war, wurde nach den ersten Berechnungen ein Glasfaseranteil im Kunststoff von mindestens 30 % festgelegt, damit die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit erreicht werden konnte. Mit der Simulationssoftware Ansys wurde untersucht, wie sich das gewählte Material verhält, wo die kritischen Bereiche der Belastungen sind und wo sich Material einsparen lies.

Da dünnere Bauteile beim Spritzguss besser zu fertigen sind – mit weniger Einfallstellen, einer homogeneren Abkühlung und somit weniger Verzug und internen Spannungen – wurde letztendlich ein spezielles Polyamid mit 50 % Glasfaseranteil gewählt. Damit konnte die Wandstärke der Sitzfläche deutlich reduziert und gleichzeitig die Steifigkeit erhöht werden, wobei die Ausrichtung der Glasfasern beim Spritzguss entsprechend der höchsten Belastung erfolgte. Durch die Erhöhung des Glasfaseranteils auf 50 % war weniger Materialeinsatz erforderlich. Das Gewicht konnte um fast 30 % auf rund vier Kilogramm reduziert werden.

Optimierte Türen dank Simulation

Bei den Türen von Biffar standen unter anderem die Wärmedämmung und die Einbruchsicherheit im Mittelpunkt des Interesses und wurden mit Unterstützung des Fraunhofer ITWM untersucht und entsprechend der Berechnungsergebnisse verbessert. Die Wärmedämmeigenschaften werden im Bauwesen durch den U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) charakterisiert, wobei sich dieser bei Türkonstruktion aus den U-Werten des Türblatts, des Türrahmens und der Zarge zusammensetzt. Dabei besitzt das Türblatt die größte Fläche und hat damit auch den größten Einfluss.

Jedoch ist der Wärmetransport im Rahmen bezüglich der Gesamtbilanz der Energieeffizienz nicht zu vernachlässigen. Bei der Simulation des Wärmetransports müssen neben der Wärmeleitung in den beteiligten Festkörpern auch konvektive Effekte und die Wärmestrahlung, zum Beispiel in Hohlprofilen, berücksichtigt werden. Obwohl die Dicke des Rahmens und der Materialeinsatz kaum erhöht wurden, konnte mit einer durch Simulationen optimierten Variante einen wesentlich niedrigeren U-Wert erreicht werden.

Routine bei Neukonstruktionen

Zur Bewertung der Einbruchsicherheit und Windbelastung dienten die Ergebnisse von standardmäßigen FEM-Simulationen zur Spannungsanalyse. Die Einbruchhemmung wird anhand von lokalen Druckbelastungen auf unterschiedliche Punkte der Türoberfläche untersucht. Damit lassen sich sowohl die Werkstoffe als auch die Wandstärken optimieren, wobei zu beachten ist, dass leichtere Türen sowohl bei der Montage vorteilhaft sind als auch hinsichtlich der Funktion beim Öffnen und Schließen.

Die hier vorgestellten Simulationsresultate wurden in realen Prüfungen und Versuchen mit hoher Genauigkeit bestätigt. Außerdem wäre ohne FEM-Simulationen eine derartige Optimierung von Türen und Zargen in so kurzer Zeit nicht möglich gewesen. Dies hat die Verantwortlichen bei Biffar so überzeugt, dass die Simulation bei neuen Türkonstruktionen schnell zur Routine geworden ist.

Simulation zum Anfassen auf der Hannover Messe 2017

Der Nutzen von Simulationen, der hier anhand von drei Anwendungsbeispielen aufgezeigt wurde, lässt sich auf viele andere Produktentwicklungen der verschiedensten Hersteller übertragen. Mehr Beispiele dazu zum Anfassen mit den entsprechenden Simulationsgeschichten werden auf der Hannover Messe präsentiert, wo die Simulationsexperten von Cadfem für detaillierte Informationen bereitstehen.. (mz)

Hannover Messe: Halle 6, Stand K50

* Dipl.-Ing. (FH) Christof Gebhardt ist Leiter des Business Development bei CADFEM.

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