Simulation ist mehr als Software

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Gut gespült, heißt viel gewonnen

Simulation führt Geberit zu asymmetrischer Toilettenschüssel

Weniger Wasser und mehr Hygiene durch Simulation

In der Produktentwicklung setzt Geberit auf Software von CADFEM, beispielsweise für Strömungsanalysen (CFD), Strukturmechanik (FEM) und Partikeluntersuchungen (DEM). Wenn es um Hydrauliksimulationen geht, sind die Mitarbeiter aus der Abteilung Sanitärtechnische Grundlagen die Fachleute. Sie erarbeiten in enger Zusammenarbeit mit der jeweiligen Entwicklungsabteilung neue Ideen.

Nachhaltigkeit ist Teil des Selbstverständnisses

Mit innovativen Produktlösungen, umfassendem Know-how und konsequenter Nachhaltigkeitsorientierung schafft Geberit Lebensqualität. Für Geberit ist Nachhaltigkeit seit Jahrzehnten Teil des eigenen Selbstverständnisses. Das zahlt sich für alle aus. Für Umwelt, Gesellschaft, Kunden und Partner, für Mitarbeitende und Aktionäre – zum Beispiel mit wassersparenden Produkten.

„Anhand von virtuellen Prototypen sind wir frühzeitig in der Lage, mit Simulationen zuverlässige Antworten auf die entscheidenden Fragen der Produktgestaltung zu erhalten“, erklärt Jörn Ikels, Leiter Badezimmer-Systeme bei Geberit. „So können wir den für uns besten Lösungsweg auswählen und zusätzlich durch die Reduzierung von realen Prototypen noch viel Entwicklungszeit und -aufwand einsparen.“

Simulationen werden bei Geberit im gesamten Entwicklungsprozess eingesetzt. Angefangen bei der Konzeptphase über die Produktentwicklung und Verfahrenstechnik bis hin zu Analysen bei reklamierten Produkten. Die hohen Anforderungen an die Geberit-Produkte werden beispielhaft bei den Produkten deutlich, die so verbaut werden, dass sie über Jahre hinweg nicht mehr zugänglich sind. Bei diesen wird die wartungsfreie Funktion für 50 Jahre vorausgesetzt. Um dies sicherzustellen, führen die Ingenieure unter anderem Belastungsberechnungen durch.

Über Geberit

Die weltweit tätige Geberit Gruppe ist europäischer Marktführer für Sanitärprodukte. Geberit verfügt in den meisten Ländern Europas über eine starke lokale Präsenz und kann dadurch sowohl auf dem Gebiet der Sanitärtechnik als auch im Bereich der Badezimmerkeramiken einzigartige Mehrwerte bieten.

Die Fertigungskapazitäten umfassen 29 Produktionswerke, davon 6 in Übersee. Der Konzernhauptsitz befindet sich in Rapperswil-Jona in der Schweiz. Mit rund 12 000 Mitarbeitenden in rund 50 Ländern erzielte Geberit 2019 einen Umsatz von CHF 3,1 Milliarden.

 Jörn Ikels<br />Leiter Badezimmer-Systeme, Geberit International AG
Jörn Ikels
Leiter Badezimmer-Systeme, Geberit International AG

Anhand von virtuellen Prototypen sind wir frühzeitig in der Lage, mit Simulationen zuverlässige Antworten auf die entscheidenden Fragen der Produktgestaltung zu erhalten.

Asymmetrische Innengeometrie der Toilettenschüssel

Eines der neuesten Beispiele für eine innovativen Produktentwicklung ist die TurboFlush-Spültechnik. Diese basiert auf einer von Geberit entwickelten und patentierten asymmetrischen Innengeometrie der Toilettenschüssel, die ohne den Einsatz von CFD-Software nicht möglich gewesen wäre. Die Spültechnik sorgt für eine besonders gründliche und leise Ausspülung der Toilettenschüssel. Das minimiert den Wasserverbrauch, da meist mit einem Spülgang schon alles sauber ist.

„Außerdem kommt die TurboFlush-Spültechnik ohne Spülrand aus“, erläutert Rolf Weiss, einer der CFD-Experten bei Geberit. „Das ist für den Kunden ein großer Vorteil, wenn es um die Reinigung der Toilettenschüssel geht. Für uns Entwickler war es eine große Herausforderung bei der Gestaltung der Strömungsgeometrie, da beim Spülen nichts überschwappen darf.“

Das Ziel war es, eine Toiletten-Geometrie zu entwickeln, mit der die Wasserfüllung eines Spülkastens möglichst effizient für die Spülung der Toilettenschüssel genutzt werden kann, so dass möglichst nur ein Spülgang notwendig ist. Dazu muss das Wasser zunächst einmal ohne Strömungsverluste in die Schüssel kommen, damit es dort seine Spülkraft vollständig entfalten kann. „Um dies zu erreichen, mussten wir einen Weg ohne Hindernisse für das Wasser finden“, berichtet Rolf Weiss, „das heißt möglichst keine Kollisionen im Zulauf zur Keramikschüssel und auch keine mit der Schüssel und natürlich keine Kollisionen des Wassers mit sich selbst, um Turbulenzen zu vermeiden."

So wird eine einzigartige Ausspülleistung erzielt

Durch den Einsatz verschiedener CFD-Tools waren die Geberit-Entwickler in der Lage, weit über hundert Varianten ihrer Entwürfe bereits virtuell zu testen, bevor sie sich entschieden, vereinzelt Prototypen zur Validierung des jeweiligen Entwicklungsstandes zu bauen. Bei den Simulationen und den anschließenden Prototypentests kristallisierte sich eine asymmetrisch gestaltete Keramik mit seitlichem Wassereinlass als Favorit heraus. Damit wird eine einzigartige Ausspülleistung erzielt.

Früher waren 12,0 Liter für eine Toilettenspülung üblich. Dieser Wert konnte im Laufe der Zeit durch die fortschreitende Entwicklung der Spültechnik immer weiter reduziert werden. Üblich sind heute Zweimengenspülungen mit nominal 6,0 beziehungsweise 4,5 Liter Spülvolumen für die Vollmenge und 3,0 Liter für die Teilmenge. Das führte schon zu erheblichen Einsparungen.

Aber welche Reduzierung des Spülwasserverbrauchs sich konkret ergeben hat, ist schwer einschätzbar. Der Verbrauch hängt nämlich nicht nur vom nominalen Spülvolumen ab, sondern auch von der Anzahl der Spülungen, die pro Toilettenbenutzung notwendig sind. Wer kennt das nicht, dass nach der ersten Spülung immer noch Schwebepartikel oder Papiere im Siphon sind? Oder die Klobürste zusätzlich eingesetzt und danach nochmals gespült werden muss, um alle Spuren zu beseitigen? Die TurboFlush-Spülung macht diese Nachspülungen überflüssig beziehungsweise reduziert sie auf ein Minimum. Das Ergebnis ist ein erheblich geringerer Wasserverbrauch.

Maximaler Impuls für weniger verbleibende Spuren

Ein Standard-Spülkasten weist mit freiem Auslauf einen maximalen Volumenstrom von 2,4 Liter pro Sekunde auf. Bei manchen Toilettenschüsseln kann es aber vorkommen, dass der Volumenstrom durch die Keramikgeometrie oder auch durch Verkalkung auf unter 1,0 Liter pro Sekunde reduziert wird. Bei der TurboFlush-Spülung wird ein Volumenstrom von etwa 2,0 Liter pro Sekunde durch die neue Geometriegebung der spülrandlosen Keramik – unter einem Rand könnte Dreck und Kalk haften bleiben– ideal über die Oberflächen geführt. Zum einen führt das zu deutlich weniger verbleibenden Spuren in der Schüssel und zum anderen zu einem maximalen Impuls im Siphon, mit dem die Feststoffe weggespült werden.

Zusätzlich zur deutlich höheren Effizienz bei der Spülleistung konnten die Geberit-Ingenieure aufgrund der Simulationen die neue Toilettenspülung so gestalten, dass sie wesentlich leiser funktioniert. Erreicht wurde die Geräuschreduzierungen unter anderem durch eine turbulenzarme Strömungsführung des Spülwassers, das so weniger mit Luft vermischt wird als bei herkömmlichen Spülkonzepten.

 Rolf Weiss<br />Entwicklungsingenieur, CFD-Experte, Sanitärtechnische Grundlagen, Geberit International AG
Rolf Weiss
Entwicklungsingenieur, CFD-Experte, Sanitärtechnische Grundlagen, Geberit International AG

Die beiden großen Pluspunkte der Simulation lassen sich zusammenfassen in Zeitersparnis und Sichtbarmachung.

Ein kompletter Varianten-Zyklus in nur 24 Stunden

„Die beiden großen Pluspunkte der Simulation lassen sich zusammenfassen in Zeitersparnis und Sichtbarmachung“, betont Rolf Weiss. „Dank der Simulation waren wir in der Lage, einen kompletten Varianten-Zyklus in nur 24 Stunden durchzuführen. Dazu gehören die mit der Konstruktion besprochenen Geometrieänderungen sowie die dazu notwendigen Modifikationen am virtuellen Prototypen. Anschließend können dann über Nacht die neuen Berechnungen laufen, so dass am nächsten Morgen die entsprechenden Simulationsergebnisse vorliegen und ausgewertet werden können. Ohne Simulation würden wir für einen Varianten-Zyklus ein Vielfaches der Zeit benötigen.“

Des Weiteren konnte in der Simulation der Wasserfluss zu jedem Zeitpunkt regional fokussiert analysiert werden. Bei einem realen Laboraufbau ist die Spülung dagegen nach rund fünf Sekunden vorbei. Zwar lässt sich der Zeitablauf mit High-Speed-Kameras verlangsamen, aber dann bleibt immer noch die Reduzierung auf nur den einen Blickwinkel der Kamera. Das Simulationsmodell kann jedoch zu jedem Zeitpunkt aus beliebigen Blickwinkeln begutachtet werden. Und zusätzlich gewährt es Einblicke auf Strömungszustände, die beim Versuch mit einer realen Toilettenschüssel nicht einsehbar sind, da die Keramik nicht durchsichtig ist.

Geberit International AG
Rolf Weiss
rolf.weiss2@geberit.com
www.geberit.com

Autor: Gerhard Friederici (CADFEM GmbH)
© Images: Geberit International AG

Kontakt CADFEM

Geschäftsführer

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