Optimierung von Uhrengehäusen durch numerische Simulation

Das Schweizer „Maison de Haute Horlogerie“ Czapek & Cie. wurde ursprünglich im Jahr 1845 von François (Franciszek) Czapek gegründet, einem polnischen Uhrmachermeister mit böhmischen Wurzeln, der 1832 nach Genf emigrierte. 1871 ist er plötzlich unter ungeklärten Umständen verschwunden, was auch das Ende der Marke Czapek bedeutete. 2015 wurde sie schließlich neu gegründet. Seither werden wieder herausragende klassische und gleichzeitig innovative Produkte entwickelt und hergestellt.

Czapek positioniert sich heute wieder als Marke für den „Connaisseur“ und orientiert sich im Segment „Haute Horlogerie“. Man sieht sich als Alternative zur „heiligen Dreifaltigkeit“ der Schweizer Uhren-Branche (d. h. zu Patek Philippe, Vacheron Constantin, Audemars Piguet) und auf Augenhöhe mit anderen hochwertigen unabhängigen Marken wie H. Moser & Cie. oder Parmigiani Fleurier.

Die Modelle von Czapek zeichnen sich aus durch ihre Mischung aus der Ästhetik des 19. Jahrhunderts (z.B. römische Zahlen, Fleurs de Lys-Hände) und einem radikalen Modernismus (z.B. die Architektur des Automatik-Uhrwerks Caliber SXH5 mit seinen skelettierten Zahnradbrücken).

Digital Engineering beim Jubiläumsmodell zum 10. Jahrestag der Neugründung: Gehäuseoptimierung, Simulation und Werkstoffauswahl

Aus Anlass des 10. Jahrestages der Neugründung wurde eine exklusive Jubiläums-Kollektion entwickelt, die auf dem Caliber 10.01 Uhrwerk basiert und den Namen „Time Jumper“ trägt. Das Projekt mit seiner für Czapek typischen Kombination aus Tradition und modernster Technologie, erforderte eine anspruchsvolle technische Optimierung. Die Czapek Ingenieure führten diese in Partnerschaft mit CADFEM durch, zum Einsatz kamen Simulationen mit Ansys-Software und Ansys Granta Selector für die digitale Werkstoffauswahl. Ziel des Projektes war, den Öffnungsmechanismus der Uhrenabdeckung zu verbessern. Eine zusätzliche Herausforderung war der große Zeitdruck, denn die öffentliche Vorstellung „Time Jumper“ war schon terminiert.

Jubiläums-Kollektion „Time Jumper“ zum 10. Jahrestages der Neugründung von Czapek. | © Czapek & Cie SA

Wie CADFEM zur Optimierung des Gehäuses beigetragen hat

Um die genannten Ziele zu erreichen, hat CADFEM einen Digital-Engineering-Ansatz vorgeschlagen, der im Wesentlichen auf drei Ansys-Produkten basiert:

• Ansys Discovery für die schnelle Geometrieaufbereitung.
• Ansys Mechanical für nichtlineare strukturmechanische Analysen.
• Ansys Granta Selector für die Identifizierung eines Werkstoffes mit optimalen Eigenschaften hinsichtlich Haltbarkeit und Dauerfestigkeit.

Durch die Kombination aus einerseits dem Vertrauen in die Ergebnisse dieser Tools und andererseits der Intuition und Expertise der Ingenieure, konnte die Form der Feder in jeder Hinsicht optimal gestaltet und ihr mechanisches Verhalten in einem sehr realistischen Kontext validiert werden.

Ausgangspunkt des Projektes war die Feststellung, dass die initiale Bauform signifikante Nachteile hatte: Unerwünschte Kontaktsituationen, eingeschränkte Kraftwirkungen beim Öffnungsprozess und vorzeitiger Verschleiß. Das neue Konzept sah nur noch eine, anstatt bisher zwei separate Federn vor. Die große Herausforderung bei der Umsetzung war, die Feder so zu konstruieren, dass sie die erforderliche Kraft ausübt und gleichzeitig kompakt ist. Zudem mussten fixe Randbedingungen aus der Fertigung und für den Gebrauch berücksichtigt werden.

Verteilung der äquivalenten Von-Mises-Spannungen in der Feder bei halbem Öffnungs-/Schließ-Vorgang. | © Czapek & Cie SA

Es galt also, das Kraftlevel zu erhöhen und gleichzeitig alle unerwünschten Kontaktsituationen zu umgehen, und dabei den verfügbaren Bauraum und die vorgegebenen Befestigungspunkte im Auge zu behalten. Hier hat sich gezeigt, dass numerische Simulationen ideal sind, um solche komplexen Konstruktionsaufgaben zu lösen. Hinzu kommt, dass die Ermittlung des besten Designs durch schnelles virtuelles Testen unterschiedlichster Varianten sehr kostengünstig ist, was gerade bei Kleinserien wichtig ist.

Mit Ansys Granta Selector konnte ein spezifischer Stahl ermittelt werden, der sowohl resistent gegenüber Salzspray ist als auch eine hohe Streckgrenze aufweist, was beides elementar für das Produkt ist. Der begrenzte Bauraum, vorgegebene Befestigungspunkte und Haltepositionen im geöffneten und geschlossenen Zustand boten nur wenig Spielraum bei den Anforderungen an die Materialfestigkeit.

Eine Vielzahl an Iterationen ermöglichte sowohl die Optimierung des Federprofils, die Lage des Kontaktpunktes und den Kontaktbereich mit der Abdeckung. Das Ergebnis war eine Feder mit ausreichend großer Kraft beim Öffnen in jeder Position, die gleichzeitig eine gleichmäßige Spannungsverteilung aufweist – der Schlüssel, um innerhalb der Elastizitätsgrenze des gewählten Werkstoffs zu bleiben.

Das Ashby-Diagramm zeigt die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe, die anhand der Produktions- und Haltbarkeitsanforderungen vorgefiltert wurden. | © Czapek & Cie SA

Basierend auf ersten physischen Tests mit sehr ermutigenden Ergebnissen wurde über die Einführung einer alternativen Abdeckung nachgedacht, deren Gewicht ca. 90% höher war. Nach der Neudefinition der Fertigungsbeschränkungen wurde eine Verschiebung der Befestigungspunkte untersucht, um den verfügbaren Bauraum zu vergrößern. Dabei wurde der durch die Verlängerung entstandene Steifigkeitsverlust durch eine Anpassung des Querschnitts ausgeglichen und so lokale Verformungen und Spannungen begrenzt.

Nach zahlreichen simulativen Iterationen wurde schließlich ein Federdesign vorgeschlagen. Sie ist in der Lage, die notwendige höhere Kraft zu erzeugen und gleichzeitig die anderen Vorgaben zu erfüllen.

Schnelle Simulationsergebnisse zur Entscheidungsfindung auf Grundlage zuverlässiger Daten

Das Resultat zeigt Wirkung:

• Die verbesserte Öffnungskraft übertrifft die Schwerkraft um 30 %, die Belastungswerte bleiben im akzeptablen Bereich.
• Unerwünschte Kontaktsituationen, die zu vorzeitigem Verschleiß führen, werden unterbunden.

Der Einsatz numerischer Simulationen ermöglichte eine auf zuverlässigen Daten basierende Entscheidungsfindung und ermöglichte so die Erhöhung der Zuverlässigkeit, die Verringerung von Verschleiß und ein ästhetisches und funktionales Design. 

Bei den Ingenieuren von Czapek & Cie. führte dieser intensive Austausch zu einer deutlichen Reduzierung der Anzahl physischer Prototypen und damit zu einer erheblichen Zeitersparnis. Das Ergebnis, eine neue und alle Kriterien erfüllende Lösung, wurde innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters entwickelt, so dass das Produkt wie geplant präsentiert werden konnte.

Konkret beträgt der Nutzen dieser Analysen nach Einschätzung der Mitarbeiter von Czapek eine Einsparung von zwei bis fünf physischen Federprototypen. Durch die Simulation konnte zügig eine Feder entwickelt werden, die frei von Reibung und unerwünschtem Verhaken ist. Letztendlich verbessert das Ergebnis dieses Entwicklungsprozesses den Tragekomfort des „Time Jumper“ und erhöht damit auch die Wahrscheinlichkeit, dass das Modell gut angenommen wird.

Simulation wird bei Czapek auch in Zukunft verwendet

Dieses Projekt veranschaulicht, wie numerische Simulationen und eine intelligente digitalisierte Materialauswahl zu Innovationen in der „Haute Horlogerie“ beitragen.

Das dynamische Öffnen des Gehäusedeckels dieser neuen Czapek-Uhr, bei dem die in Zusammenarbeit mit CADFEM entwickelte Feder eine entscheidende Rolle spielt, wird ihrem Namen „Time Jumper“ voll und ganz gerecht.

Auf diesem Erfolg aufbauend plant Czapek die Zusammenarbeit mit CADFEM fortzusetzen. So sollen weitere Komponenten optimiert und Simulationen generell noch stärker in den Entwicklungsprozess integriert werden. Ziel des Unternehmens ist weiterhin, Tradition und Technologie zu verbinden, um auch künftig im Sinne der eigenen Historie exzellente Uhrenprodukte anzubieten.