Leichte Handhabung schwerer Produkte –

Bauteiloptimierung und schlankes Design für Presswerkzeuge

Bauteildesigns können rein funktional sein oder vorrangig ästhetischen Anforderungen genügen.
Bei der Kombination beider Ansätze, können jedoch hochfunktionale und trotzdem optisch ansprechende Designs entstehen.

Tagtäglich unzählige Male das Presswerkzeug greifen und einhändig die Muffen verpressen – eine auf Dauer sehr belastende Tätigkeit.
Die Pressarbeit benötigt hohe Presskräfte. Um dem Stand zu halten wird derzeitig viel Material bei der Herstellung der Presszangen benötigt. Dies könnte in Zukunft deutlich einfacher werden.
Mittels Optimierung und anschließender Designdetaillierung lassen sich deutlich bessere und leichtere Werkzeuge herstellen.

Problemstellung

Beim Verlegen von Rohrleitungen müssen Rohre oft verlängert und miteinander verbunden werden.
Der Einsatz von Fittingen als Verbindungsstücke ist einfach und spart Zeit. Die fittinglose Verbindung durch Hartlöten oder Verschweißen rückt dabei immer mehr in den Hintergrund.

Doch das Verpressen von Fittingen bringt auch seine Probleme.
Zum einen gibt es unzählige Formen der Verbinder unterschiedlicher Hersteller. Kunststoffverbinder können noch per Hand verpresst werden. Für Fittinge aus Metall, wie zum Beispiel Kupfer für Wasserleitungen, bedarf es wesentlich größere Kräfte für den Pressvorgang.

Große Masse und Materialeinsatz

Mit zunehmendem Rohrdurchmesser werden auch die Presszangen immer größer. Der Materialeinsatz und damit die Masse der bisher geschmiedeten Zangen nehmen deutlich zu um den notwendigen Druck aufzubauen.  Die großen Presszangen lassen sich sogar nur noch mit zwei Personen händeln. Und jetzt stellen Sie sich mal eine Baustelle mit vielen Metern Rohr vor!

Einfache, massive Geometrien sind mit klassischen Fertigungsmechanismen zudem bedeutend einfacher herzustellen. Dass dies bei der täglichen Arbeit mit den Presswerkzeugen zu einer höheren Belastung für den Anwender führt, wird dafür in Kauf genommen.
Mit einer zunehmenden Fokussierung auf die Arbeitsergonomie und neue technologische Möglichkeiten haben sich die Designer Tino Kalettka und Hendrik Nater in einer Kooperation mit MSC Software daran begeben, neue Konzepte für leichtere und trotzdem robuste Werkzeuge zu generieren, bei der Generative Design als Formfindung fungiert und auf dessen Basis dann die eigentliche Designfindung aufsetzt.

Der Lösungsansatz

Es gibt diverse Methoden zur Formfindung. Formen folgen gelegentlich Funktionen, oder sie zielen auf gewünschte Assoziationen und Gefühle ab. Genauso nutzen Formen vorhandene Bauräume, simulieren Strömungen oder spiegeln Eigenschaften der Markenkommunikation wider.
In diesem Projekt experimentierten die Designexperten Tino Kalettka und Hendrik Nater in einer Kooperation mit MSC Software mit den Möglichkeiten des Generative Design als Ausgangspunkt für die Formfindung.

Die Herausforderung

Zur Erkundung neuer Designs ist ein Standard-Presswerkzeug gewählt worden als Grundlage für dieses Projekt.
Für die Analyse einer möglichen Gewichtsreduktion sollte eine Optimierung mit MSC Apex Generative Design durchgeführt werden. Die großen Kräfte von 32kN haben zunächst zweifeln lassen, ob und wenn ja, welche Art von Optimierungsdesign entstehen würde. Die Software liefert eine Optimierung nach rein physikalischen Parametern. Deshlab sollte neben der Optimierung durch die Software auch eine manuelle Designdetaillierung geschehen.

Die aus der Optimierung entstehenden Kraftflüsse sollten sich in einem daraus logischem Design widerfinden, das Vertrauen beim Nutzer schafft.

Simulation der Optimierung

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Die Lösung

Für die Optimierung ist als erstes ein Optimierungsmodell in MSC Apex Generative Design erstellt worden.

Das Modell einer Presszange ist in seiner Grundform wenig komplex, noch dazu konnten wir uns im Modellaufbau auf eine Symmetriehälfte beschränken für die Berechnung.

Schritte im Designprozess der Optimierung

  1. Die Kräftebetrachtung im Vorfeld zeigte beachtlich hohe Kräfte für den Pressvorgang.  Diese wurden im Modell an den entsprechenden stellen aufgebracht. Zusammen mit den erzeugten Spannungswerten sind diese Kernelement der Optimierung.
  2. Durch Bestimmung von „Design-Bereiche“ und „Nicht-Design-Breiche“ am Bauteil wird vorgegeben welche Bereiche mechanisch notwendige Geometrien sind und welche Areale Gestaltungsfreiraum für die Optimierung sind.
  3. Für die Optimierung wurden die Parameter Zielspannung und Bauteilkomplexität variiert. Dadurch ergaben sich unterschiedliche Designergebnisse, die Basis für die Weiterentwicklung der Designdetailierung wurden.
  4. Aus den erzeugten Formen wählte das Designteam das vielversprechendste Ergebnis aus und analysierte es weiter auf identifizierbare Hauptlinien und seinen Formencharakter.
  5. Aus der Kombination von optimierter Geometrie und den Hauptlinien wurde das Design manuell weiter entwickelt. Spannend war dabei die Linienführung aus dem Kraftfluss im Bauteil, also aus einer inneren Notwendigkeit heraus. Das Design der Optimierung als Basis gab weitere Möglichkeiten für Gestaltvariationen.
    Die Designer beachteten gestaltgebende Prinzipien, wie den goldenen Schnitt oder Schwerpunktbildung. Linienwinkel und Kurvenüberspannungen setzten Sie in Beziehung zueinander und überblendeten Flächenübergänge.  Daraus ergab sich die charakteristische organische Formensprache.
  6. Das erste Redesign war jedoch noch sehr einfach durch markante, geradlinige Strukturen ohne ausgeprägte Tiefe. Durch eine erneute Simulation dieses redesignten Bauteils wurden schnell die Stärken und Schwächen des neuen Bauteils sichtbar.
  7. Die Optimierungsergebnisse der zweiten Simulation wiederum dienten als Basis für Skizzen und grobe CAD-Modelle für die Weiterentwicklung des Designs. Schritt für Schritt nährten sich die Designer dem Finalentwurf in der Diskursion und engem Austausch mit den Experten bei MSC. Die Überprüfung der Finalvariante in der erneuten Simulation zeigte optimale Kraftflüsse und übertraf damit die Erwartungen.

Wieso ist Formgebung kein überflüssiges Dekorieren?

 

 

In dem Projekt wurde das optimierte Bauteil durch die Designer Hendrik Nater und Tino Kalettka manuell nachbearbeitet um die ästhetische Wahrnehmung der Presszange zu steigern.

Aus technischer Sicht gab es keinen Anlass die hocheffizienten Geometrien zu modifizieren – Wieso macht es dennoch Sinn?

Wir beurteilen eine positive Wahrnehmung mit „schön”.
Objekte, Prozesses oder Wesen die angenehm oder attraktiv wirken, finden wir gut. Je nach Kulturkreis fällt das Urteil für schön unterschiedlich aus.  In unserer westlichen Welt werden glatte, tadellose, reduzierte Erscheinungen als allgemein „schön“ wahrgenommen.

Schönheit vermittelt uns auch Sicherheit. Durch Aufräumen und Ordnung schaffen behalten wir den Überblick in einer komplexen Umwelt. Als Designer haben wir die Möglichkeit durch plastische Formgebung die generierten Strukturen zu ordnen. Beim plastischen Entwerfen erkennen wir die Logik im Bauteil, in seinen Hauptlinien und Volumen. Gezielt ordnen und strukturieren wir um diese innere Logik für den Nutzer sichtbar zu Machen.

Im Bild gesprochen ähneln die generisch simulierten Formen Knochenstrukturen. Die Designer modellieren die Bauteile so, dass diese so aussehen wie mit Haut und Muskeln überspannte Knochen. Das product erhält eine positive lebendige Ausdruckskraft.

Das Ergebnis

 

Die von der Software optimierte Geometrie wurde formal-ästhetische analysiert, behielt seine organische Form und wurde in seinen Form-Übergängen und Kraftverläufen verbessert und weiter entwickelt.

Die Erkenntnisse aus der Optimierung flossen in verschiedene Neukombinationen in das Design ein. So wurde ein ansprechendes und überzeugendes Design erzeugt, das mit seinen runden Formen und der Tiefe in der Geometrie die organischen Strukturen der Optimierung durch die Software aufgreift. Im Designprozess veränderten die Designer die Bauteile so, dass diese auch mit aktuellen Herstellungsverfahren erzeugt werden können.

Zusammenfassung und Erkenntnisse

 

Die Resultate des Generative Design geben entscheidende und spannende Impulse für eine neue formale Gestaltung und sind Ideengeber für neue Verbindungen zwischen Konstruktion und Design. Im Designprozess werden Zusammenhänge erkannt und in einen neuen charakteristisches Kontext gesetzt. Innere Beziehungen im Bauteil können durch Topologieoptimierung und durch das Visualisieren von Kraftflüssen als Thema visualisiert werden.
bei dieser Art der Gestaltung wird das Produkt nicht gestylt, sondern die physikalisch generierte Form semantisch unterstützt. Die Formen entstehen aus einer inneren Notwendigkeit, die Vertrauen in die Gestalt wecken. Das Produkt wird durch die Software vollends auf die Anforderungen angepasst und validiert und durch die manuelle Designgebung ansprechend und sinnvoll ausgearbeitet.

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