Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

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

In vielen Bereichen ist heutzutage bei der Entwicklung von neuen Produkten der Einsatz von Computern und Software unentbehrlich. Auch in der Schuhindustrie sind CAD-Verfahren zur Modellentwicklung nicht mehr wegzudenken. Simulationstechniken bieten die Möglichkeit, bestehende Produkte zu optimieren und neue Produkte optimal zu entwickeln. Eine moderne Software kann in vielen Bereichen nahezu unabhängig von Material und Geometrie eine realitätsnahe Simulation eines Produktes erzeugen.

Die Anwendung von Simulationssoftware zur Bestimmung der mechanischen Belastungen, wie in vielen Bereichen der Industrie zur Auslegung mechanisch beanspruchter Bauteile schon praktiziert, wird es auch den Schuhherstellern ermöglichen bereits in der Designphase den Schuh entsprechend der gewünschten Eigenschaften auszulegen, Schwachstellen zu erkennen und zu beseitigen. Eine aufwendige Prototypenfertigung mit anschließender Testphase entfällt bzw. wird auf eine geringe Anzahl reduziert, was die Entwicklung des Schuhs deutlich beschleunigt und Kosten spart.

Als Kernergebnis der Forschung ist das Gewinnen von Erkenntnissen und Entwickeln von Verfahren der Simulation mechanischer Belastungen am Schuh anzusehen. Die Vorgehensweise wird dabei präzise dokumentiert und ein Schema erarbeitet, durch dessen Nutzung künftige Problemstellungen schneller gelöst werden können. Mit dieser wissenschaftlichen Basis wird es den Schuh- und Komponentenherstellern ermöglicht, die Einflüsse von Material- und Konstruktionsänderungen, sowie das Einhalten von Standards besser abschätzen zu können. Für konkrete Aufgaben werden hierzu Simulationen im Rahmen des Projektes entwickelt, durchgeführt und mit Ergebnissen der Prüfung realer Bauteile, Schuhe und Belastungen optimiert. Darüber hinaus werden für weitere Belastungen an Komponenten und Schuhen die Umsetzungsszenarien und -strategien aufgezeigt, mit denen sich auch diese Simulationen durchführen lassen.

Im Rahmen des beantragten Projektes sollen erstmals die physikalischen und mechanischen Kennwerte (Kraft-Dehnungs-Verhalten, Brucheigenschaften) der für die Schuherstellung relevanten Materialien und Komponenten in einer den KMU zugänglichen Datenbank erfasst und spezifiziert werden.

Ergebniszusammenfassung:

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 reale Prüfungen in den 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.

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.

Es wurden Realversuche von vier Schuhprüfungen durchgeführt, die als Vergleichsmessungen für die analog durchgeführten Simulationen dienten.

Im Projektverlauf konnten ein Zusammenhang zwischen den real durchgeführten Prüfungen und den simulierten Ergebnissen nachgewiesen werden.

--> Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.