Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung des Versagens von Stahlblechen beim Aufprall von Schleifscheibenbruchstücken zur sicherheitsgerechten Dimensionierung von Maschinenumhausungen

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens (FV) 17006 N wurde eine Überdimensionierung trennender Schutzeinrichtungen (TSE) nachgewiesen, welche nach DIN EN 13218 (äquivalent zur aktuellen ISO 16089) dimensioniert sind. Hierbei wurde ein signifikanter Einfluss der Aufprallfläche sowie – damit zusammenhängend – der Schleifscheibenbreite nachgewiesen. In den VDW-Forschungsstudien FA 015 und FA 019 wurde nachgewiesen, dass die in Aufprallprüfungen ermittelten Rückhaltefähigkeiten mit Berstversuchsergebnissen korrelieren. Hierbei entspricht die Aufprallsituation eines Kantenaufpralls dem sog. „worst-case“-Szenario.

Im Rahmen des beantragten FV soll die Korrelation der Rückhaltefähigkeit aus beiden Prüfverfahren statistisch quantifiziert werden. Des Weiteren soll ermittelt werden, inwiefern sich die gewonnenen Erkenntnisse auf Schleifscheibenspezifikationen mit abweichenden Geometrien- und Werkstoffparametern übertragen lassen. Zusätzlich wird ein FE-Modell entwickelt, welches anhand experimenteller Ergebnisse (Aufprallprüfung) validiert wird. Mit Hilfe der experimentell und simulativ ermittelten Rückhaltefähigkeiten wird für definierte Schleifscheibenparameter (Werkstoff, Schleifscheibenzustand (trocken/nass), Profil), Aufprallparameter (Bruchstückmasse und -energie, Aufprallsituation) und Prüfmusterparameter (Werkstoff, Stärke, Maße) ein analytisches Modell zur Berechnung der Rückhaltefähigkeit abgeleitet.

Insbesondere KMU, welche die Kosten einer experimentellen Prüfung und Dimensionierung nicht auf eine große Stückzahl von Maschinen umlegen können, tragen bisher, bezogen auf eine Maschine, einen höheren „TSE-Dimensionierungskostenanteil“ und profitieren überproportional von den Ergebnissen des FV. Das abschließende Ziel des FV ist es, ein Normamendment zu erstellen, welches auf Basis des analytischen Modells eine sicherheitsgerechte sowie effiziente Dimensionierung der TSE ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Mithilfe der Berechnung der Bewegungsbahnen von Schleifscheibenbruchstücken (SBS) ist es möglich, die Aufprallsituation, d. h. mit welcher Kante bzw. Fläche das SBS im Versagensfall auf die trennende Schutzeinrichtung (TSE) prallt, vorherzusagen. Das Ergebnis, ein SBS Kinematikmodell, liefert Aussagen zur Aufprallsituation in Abhängigkeit der Geometrie der Schleifscheibe sowie der TSE und kann damit im Dimensionierungsprozess Anwendung finden.

Die Überarbeitung der bestehenden Aufprallprüfeinrichtung am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin hinsichtlich eines innovativen Auslösemechanismus ermöglicht die Durchführung wiederholgenauer Aufprallprüfungen. Aus den Ergebnissen der experimentellen Aufprallprüfungen gehen Erkenntnisse zum Einfluss der Schleifscheibengeometrie und -spezifikation auf die Rückhaltefähigkeit von Stahlblechen unterschiedlicher Abmessungen hervor. Die ermittelten Einflüsse und Rückhaltefähigkeiten können als konkrete Anhaltspunkte bei der Dimensionierung eingesetzt werden.

Als weiteres Ergebnis geht aus diesem Projekt ein Finite Elemente (FE)-Modell zur Simulation des Aufpralls von SBS auf TSE hervor. Diese validierte FE-Aufprallsimulation erlaubt die Untersuchung geometrischer und werkstofflicher Einflüsse auf die Rückhaltefähigkeit von TSE und kann damit für die Dimensionierung eingesetzt werden.

Auf Basis der Ergebnisse experimenteller Aufprallprüfungen und der validierten FE-Aufprallsimulation konnte ein Regressionsmodell inkl. Sicherheitsaufschlag abgeleitet werden, dass die Dimensionierung der Wanddicke von TSE in Abhängigkeit der Bruchstückenergie bezogen auf die Schleifscheibenbreite erlaubt. Das Ergebnis ist ein anwenderfreundliches Dimensionierungsverfahren, das die nachgewiesen Überdimensionierung von TSE ortsfester Schleifmaschinen der gültigen ISO 16089 eliminiert.