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Zukunftweisende Entwicklungsmethoden
Eine hohe Innovationskraft ist für die internationale Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens von entscheidender Bedeutung. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, bedarf es moderner Entwicklungsmethoden, die bei der Umsetzung kreativer Produktideen unterstützen und stets den optimalen Nutzen für den Anwender fokussieren. Als führender Anbieter auf dem Gebiet der Dentaltechnologie ist W&H seit 125 Jahren für die hohe Qualität und Zuverlässigkeit seiner Produktlösungen bekannt. Dank des Einsatzes zukunftweisender Entwicklungsmethoden gelingt es dem Unternehmen, technologisch ausgereifte Produktlösungen schon nach kurzer Entwicklungszeit am Markt anzubieten und somit weltweite Kundenbedürfnisse rasch und umfassend zu bedienen.
Ein innovatives Tool im Entwicklungsbereich ist die Finite-Elemente-Methode, kurz FEM. Dabei handelt es sich um einen mathematischen Ansatz zur Berechnung komplexer Bauteilgeometrien mit multiphysikalischen Aufgabenstellungen. Diese Simulationsmethode wird bei W&H in unterschiedlichen Fachbereichen wie der Strukturmechanik seit rund 15 Jahren sowie seit mehreren Jahren in der Fluiddynamik und der Elektromagnetik erfolgreich bei einer Vielzahl von Entwicklungsprojekten eingesetzt.
Beim Einsatz von Simulationsprogrammen ist es das Ziel, Produktneuentwicklungen und deren Varianten bereits in einem sehr frühen Projektstadium technisch bewerten zu können und dadurch die Anzahl an Prototypen zu reduzieren. Insbesondere bei sehr aufwändigen Produkttests führt dies nicht nur zu deutlichen Kosteneinsparungen, sondern auch zu einer kürzeren Entwicklungszeit. Produktverbesserungen bzw. neue Produkte können darüber hinaus in gewohnt hoher W&H Qualität noch schneller auf den Markt gebracht werden.
Den maximalen Anwenderkomfort im Entwicklungsfokus
Im Zuge der Produktminiaturisierung wird nach einer idealen Auslegung von Bauteilen hinsichtlich ihrer werkstoffmechanischen Grenzen wie z.B. Spannung, Dehnung oder Verformung gesucht. Ergonomie und Benutzerfreundlichkeit stellen in der Regel weitere Anforderungen dar, die für die iterative Geometrieoptimierung maßgeblich sind. Eine Schlüsselkomponente von Turbinen, Hand- und Winkelstücken ist beispielsweise das W&H FG-Druckknopfspannsystem. Dieses ist für den sicheren Halt des Bohrers verantwortlich. Beim Spannsystem ist eine minimale Baugröße sowie die einfache Bedienung durch den Anwender während des Bohrerwechsels entscheidend.
Der Begriff „FG-Spannsystem“ steht für „Friction-Grip“ und ist ein rein auf Reibung basierendes Haltesystem im Instrumentenkopf und besteht aus den zwei Hauptkomponenten Spannzange und Keilhülse, siehe Abbildung. Wichtig ist bei dieser Konstruktion, einen „optimalen Kompromiss“ zwischen Haltekraft und Betätigungskraft zu finden. Unter Einsatz der FEM-Methode ist es möglich, sich durch Geometrieoptimierungen an die Maximal-Materialbeanspruchung anzunähern.
Video: FG-Druckknopfspannsystem
Das Video zeigt die auf die interagierenden Bauteile Spannzange, Keilhülse und Bohrer einwirkenden Vergleichsspannungen bei Betätigung des FG-Spannsystems durch den Anwender. Mit Hilfe der Abbildung von Reibung in den Kontaktpunkten können direkte Rückschlüsse auf die Betätigungs- sowie Haltekraft gezogen werden.
In der Strukturanalyse, bei der mechanische Belastungen abgebildet werden, können durch geeignete Werkstoffmodelle sowie nichtlineare Kontaktbedingungen (= u.a. das Abbilden von Reibung zwischen zwei Körpern oder Oberflächen) alle funktionsrelevanten Schritte beim Betätigen des Spannsystems simuliert werden.
Beim Betätigen des Spannsystems werden vom Anwender folgende Schritte durchgeführt:
- Aufweiten der Spannlaschen durch die Keilhülse (Betätigungskraft durch den Anwender)
- Einführen des Bohrers
- Lösen der Keilhülse sowie Spannen des Bohrers (Haltekraft des Bohrers)
Alle entscheidenden Parameter wie Maximalspannungen in der Spannzange, Druckspannungen in den Kontaktpunkten zwischen Bohrerschaft und Spannzange sowie Keilhülse und Spannzange können mit der FEM-Methode auf einfache Weise ausgewertet werden.
Gezielte Produktoptimierung durch Simulation
In den folgenden drei Abbildungen sind die auf die Spannzange einwirkenden Vergleichsspannungen, die beim Einsetzen des Dentalbohrers auftreten, beispielhaft dargestellt. Die farbigen Darstellungen zeigen sowohl die Bereiche mit hohen Belastungen (rot) als auch die Bereiche mit niedrigen Belastungen (blau).
Die für den Anwender sehr wichtige Betätigungskraft kann somit errechnet werden. Außerdem wird die Haltekraft bei einer statischen Analyse, d.h. bei Stillstand des Bohrers, sowie auch dynamisch bei Bohrerdrehzahlen von bis zu 400.000 min^-1 ermittelt. Konzentrierte Analysen von Kontaktbereichen, d.h. von Bereichen, wo der eigentliche Haltevorgang stattfindet, erlauben durch Auswertung von Kontaktflächen und Reibkräften bereits eine Abschätzung auf das Verschleißverhalten und die Lebensdauer des W&H Druckknopf-Spannsystems.
Ein besonderer Vorteil der FEM-Methode liegt in der Visualisierung der Belastung in den einzelnen Bauteilen. Dies dient einerseits dazu, kritische Bereiche zu erkennen, zu analysieren und in weiterer Folge zu optimieren. Andererseits können Wechselwirkungen für den Konstrukteur besser verdeutlicht werden. Beispielhaft werden in den nachfolgenden Bildern Spannsysteme mit unterschiedlichen Materialquerschnitten dargestellt:
Fazit
Die Abbildungen verdeutlichen, dass man mit Hilfe von Simulation rasch die perfekten Dimensionierungen von Bauteilen erarbeiten kann, ohne dabei aufwändige Prototypen-Tests durchführen zu müssen. FEM sorgt damit für kürzere Entwicklungszeiten und unterstützt eine kürzere Time-to-Market. Produktlösungen sind nicht nur rascher, sondern auch in der gewohnt hohen W&H Qualität am Markt verfügbar. Mithilfe der simulationsgestützten Produktentwicklung ist es W&H möglich, den hohen Anforderungen im Bereich der Medizintechnik gerecht zu werden und am weltweiten Dentalmarkt qualitativ hochwertige und zuverlässige Standards zu setzen.
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