Personalisierte virtuelle Produktprüfungen und -optimierung

Experimentelle Charakterisierung von thermo-mechanischen Materialverhalten

Durch die entsprechenden Erweiterungen der Prüfumgebung können Materialien unter verschiedenen klimatischen Bedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und im flüssigen Medium getestet werden. So ist es z. B. entscheidend für medizinische Produkte, die mechanischen Eigenschaften bei 37°C und in physiologischer Kochsalzlösung zu untersuchen. Zur genauen Charakterisierung des Materialverhaltens wird die Oberflächenverformung des Bauteils im Fluidbad dreidimensional mit einem Kamerasystem hochaufgelöst und vollständig aufgenommen und analysiert. Die Deformationsaufnahme mit dem Kamerasystem ist insbesondere bei Bauteilen mit geometrischer Diskontinuität oder materieller Inhomogenität, z. B. Anisotropie oder heterogener Dichteverteilung bei 3D-gedruckten Bauteilen, erforderlich, weil diese inhomogene Spannungs- und Dehnungszustände im Material hervorrufen.

So können kundenspezifische Lösungen für Materialprüfungen angeboten werden, die den Herstellern die Sicherheit geben, die am besten geeigneten Materialien einzusetzen.

Klimatische und belastungsgerechte Tragstrukturoptimierung von personalisierten Hilfsprodukten

Endo- und Exoprothetik: Durch die wachsende Personalisierung in der Prothetik steht vor allem eine möglichst hohe Mobilität im Vordergrund. Der Patient möchte seinem Beruf wie auch seinen Freizeitaktivitäten nach wie vor mit geringen Einschränkungen nachgehen können. Die Anforderungen an die Stabilität der Struktur und das Maß an Steifigkeit der ausgewählten Materialien für die Prothetik werden immer wichtiger und größer. Neuerdings kommen immer mehr technologisch-innovative Materialien zum Einsatz, deren hochgradig nichtlinearen mechanischen Eigenschaften allerdings nur bedingt bekannt sind, vor allem bei Körpertemperatur (37°C) und in physiologischer Umgebung. Dabei kann der Temperatureinfluss bei Prothesen und Orthesen zu einem wichtigen Faktor werden. Es ist nicht abwegig, dass auch Menschen mit Prothesen in extremen Klimabereichen leben. Aber nur Prothesen, die auf die jeweiligen klimatischen Bedingungen angepasst sind, können eine optimale Funktion für den Patienten gewährleisten. Dazu sollten die eingesetzten Materialien hinsichtlich ihrer thermo- und hydromechanischen Eigenschaften bei der Konstruktion bzgl. ihres Haupteinsatzbereichs genau abgestimmt und angepasst werden.

Sport: Aktive Menschen, die in ihrem Sport hohen Stoßbelastungen, extremen Bewegungen und Geschwindigkeiten ausgesetzt sind, benötigen zum Schutz und zur Stabilisierung der Extremitäten und Bänder dämpfende Schuhsohlen, Protektoren und Orthesen aus harten oder weichen Schaum- oder Festmaterialien. Zum Schutz der Sportler vor möglichen schweren Verletzungen müssen die hohen Kräfte vom Material aufgenommen und absorbiert werden. Um die energiedissipierenden Eigenschaften von stoßabsorbierendem Material effizient nutzen zu können, muss dieses entsprechend den klimatischen Bedingungen und der Belastungsart getestet werden. Ziel ist das richtige Maß an Flexibilität und Sicherheit stets zu gewährleisten.

Virtuelle simulationsgestützte strukturmechanische Prüfung

Die komplexen robotergesteuerten Testabläufe können in einen simulationsgestützten Prozess integriert werden, um schneller detaillierte Produktanalysen mit vielen Material-und Designvarianten durchführen zu können. Damit sind tiefere und genauere Einblicke in das Spannungs- und Deformationsverhalten der getesteten Produkte möglich und können dann auf individuelle Belastungsfälle hin optimiert werden. Durch den virtuellen Testprozess werden reale Experimente auf die minimal notwendige Anzahl an Testreihen reduziert und damit auch die Testkosten gesenkt. Die virtuelle Lösung dient als Ergänzung zu den physischen Tests und kann in der Produktentwicklung, -verbesserung oder -anpassung eine große Unterstützung sein.

Leistungen:

Material- und Bauteilprüfung

• Zugversuch nach DIN EN ISO 527-2 Type 1A
• Druckversuch nach DIN ISO 3384 / DIN ISO 815
• Weitreißwiderstandsversuch nach DIN ISO 34-1
• Scherversuche
• 3- und 4-Punkt-Biegeprüfungen nach DIN EN ISO 178 und DIN EN ISO 14125
• Relaxations- und Kriechversuche
• Kugelfalltest zur Ermittlung von Stoßabsorptionsverhalten von Materialien

Parameteridentifikation und Finite-Elemente-Modellierung

• Auswahl und Kalibrierung der geeigneten Materialmodelle für die Finite-Elemente-Analysen (FEA)
• Entwicklung und Implementierung von nichtlinearen Materialmodellen für LS-Dyna, die nicht standardmäßig in den Materialbibliotheken enthalten sind
• Strukturmechanische Analyse und Optimierung von Bauteilen und Bewertung hinsichtlich Gebrauchs- und Tragsicherheit

Virtuelle Produktanalyse und -optimierung

• Biomechanische Evaluation von Produkten
• Design und Konstruktion von körpergetragenen Systemen
• Individualisierung in Design, Konstruktion und Tests mit biomechanischen Daten
• Verknüpfung von menschlicher Bewegung mit mechanischen Test- und Prüfverfahren
• Virtuelles simulationsgestütztes Prüfen und Analyse von personalisierten Testabläufen
• Sensitivitätsstudie zu verschiedenen Lastfall-Szenarien, Produktdesigns und Materialkombinationen