Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verfahrungsentwicklung zur Auslegung von Arbeits- und Sicherheitsschuhen durch numerische Simulation unter Berücksichtigung dynamischer Belastungen (Dynamische Schuhsimulation)

Arbeits- und Sicherheitsschuhe müssen zahlreichen gesetzlichen Anforderungen genügen, wodurch der Kompromiss zwischen maximalem Schutz und größtmöglicher Flexibilität für den Konstrukteur sehr herausfordernd wird und nur in zahlreichen Trial-und-Error Versuchen annähernd umsetzbar ist. Dies führt allerdings zu einer Überdimensionierung sowie zu langen Entwicklungszeiten für neue Schuhmodelle bei den KMU. Das Ziel des Forschungsprojektes ist daher 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 insbesondere 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. Dazu werden am ITM FEM-Simulationsmodelle der einzelnen Schuhkomponenten mit verschiedenen Materialkombinationen erstellt. Zudem wird ein allgemeingültiges und parametrisiertes Schuhmodell erstellt. Ausgangspunkt sind die Entwürfe aus bei den KMU vorhandenen Schuh-CAD-Systemen. Die FEM-Modelle werden im Vergleich zu experimentellen Tests validiert, wobei die folgenden Prüfungen berücksichtigt werden: Fallhammerprüfung, Überrollprüfung, Flexibilitätstest eines Schuhs (Torsions- und Biegebelastung). Dazu werden am PFI diese leistungsfähigen Prüfmethoden weiterentwickelt. Mit den validierten Modellen werden schließlich Parameterstudien durchgeführt. Parallel zur Modellentwicklung wird eine am PFI vorhandene Datenbank mit häufig in Schuhen eingesetzten Materialien erweitert und den KMU bereitgestellt. Es werden Verfahrensanweisungen für die KMU auf Basis von numerischen Parameterstudien erstellt und die Wirtschaftlichkeit der entwickelten FEM-basierten Prozesskette analysiert. Das damit verfolgte übergeordnete Ziel ist es, den KMU der Schuhindustrie und verwandter Branchen Simulationsmethoden zugänglich zu machen, um deren Innovationspotenzial signifikant zu stärken.

Ergebniszusammenfassung:

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. 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 wer-den, 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.

Das Ziel des Forschungsprojekts wurde erreicht.