Einklang von Funktionalität und Ästhetik bei Uhren
Fachgebiet: Skalierbarkeit der Simulation, StrukturmechanikDas Uhrmacherhandwerk hat bei der Entwicklung von Luxusuhren neben den funktionalen Eigenschaften die ästhetischen Designaspekte im Auge zu behalten. In Zusammenarbeit mit Chopard hat CADFEM die Welt der Ingenieure und Designer in Einklang gebracht. Neben den physikalischen Anforderungen werden nun auch die hohen ästhetischen Kriterien erfüllt.
Zusammenfassung
Aufgabe
Spiralfedern haben aus mechanischer Sicht die Aufgabe spezifische Lastmomente bei entsprechenden Verdrehwinkeln vorzuhalten. Für die ideale Geometrie sind bei Luxusuhren auch ästhetische Aspekte zu berücksichtigen. Um eine möglichst konzentrische Spiralform zu erreichen soll eine parametrische Simulation zur Bestimmung des Steifigkeitsverhaltens durchgeführt werden.
Lösung
Der Analyseaufbau erfolgte als parametrisches Setup in der ANSYS Workbench Simulationsumgebung. Mit Variationen von typischen geometrischen Abmessungen konnten effizient unterschiedliche Drehmomentverläufe für den Betriebsverlauf untersucht werden. Zusätzlich zu den rein technischen Parametern sorgten ästhetische Randbedingungen für das Einhalten der Design-Richtlinien.
Kundennutzen
Mit der durchgeführten Analyse konnten alle vorab definierten Ziele erreicht werden:
- Entwurf eines optimalen Designs unter Berücksichtigung technischer und ästhetischer Parameter
- Reduktion der praktischen Versuche auf einen einzigen verbleibenden Prototyp
- Maßgeblich verkürzte Entwicklungszeit bei erheblich reduzierten Kosten
Das Zusammenführen von Ästhetik, Handwerkskunst und Technik ist bei der Entwicklung von Luxusuhren eine besondere Herausforderung. Ingenieure und Designer planen und realisieren sorgfältig jeden Entwicklungsschritt für ein neues Bauteil. Dabei gilt es, ein exklusives Produkt zu entwerfen, das nicht nur die physikalischen Anforderungen vollständig erfüllt, sondern auch den hohen ästhetischen Kriterien entspricht.
Eine Spiralfeder hat aus mechanischer Sicht genaue Spezifikationen bezüglich ihres Lastmoments bei spezifischen Belastungswinkeln sowie geometrische Anforderungen für ihre Herstellung zu erfüllen. Aus ästhetischer Sicht müssen die Windungen der Spirale jederzeit konzentrisch sein (Bild 1). Dazu ist eine „ideale“ Geometrie erforderlich, die nur durch die geometrischen Parameter – wie die Anzahl der Windungen, Abmessungen und die Spiralform – bestimmt wird.
Das Entwicklungsteam konnte in kurzer Zeit einen optimierten Entwurf erstellen, der sowohl die technischen als auch die hohen ästhetischen Kriterien erfüllte.
Mussten früher mehrere Prototypen gefertigt werden, so konnten sich die Entwickler aufgrund der parametrischen Optimierung auf einen einzigen Versuchsträger beschränken. Dadurch wurden die Entwicklungszeiten erheblich verkürzt und gleichzeitig die Kosten reduziert.
In der Ansys Workbench wurde ein parametrisiertes Simulationsmodell erstellt, um die Größe der Federtasche sowie charakteristischen Abmessungen der Feder zu variieren. Außerdem erfolgte eine variable Anbindung der Federenden. Dabei wurde jeweils das Drehmoment während eines kompletten Be- und Entlastungszyklus analysiert.
Mit Änderungen der geometrischen Parameter konnten die einzelnen Varianten schnell und unkompliziert untersucht und bewertet werden. Neben der Ästhetik bestimmten technische Kriterien wie Vorspannung, maximales Moment sowie zulässige Beanspruchungen und Kriechen die Konstruktion.
