Was fördert die Langlebigkeit von Produkten?

Doch wie lässt sich die Langlebigkeit von Schaltern erhöhen? Das ist komplexer, als es auf den ersten Blick scheint. Denn es handelt sich um Serienprodukte, die durch eine Vielzahl von nationalen und internationalen Normen beschrieben sind und gleichzeitig unter sehr unterschiedlichen und kaum reproduzierbaren Bedingungen zuverlässig - zumindest innerhalb der normativ definierten Grenzen - funktionieren müssen. Je nach Einsatzort, Umgebung, Einbau, Funktion oder Intensität und Häufigkeit der Betätigung ist jedoch jeder einzelne Schalter unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Als Faustregel gilt: Ein schnelles und dauerhaftes Schließen des elektrischen Kontaktes mit wenigen Prellbewegungen begünstigt eine hohe Lebensdauer. Denn dadurch werden schädigende Vorgänge wie Lichtbogenbildung vermieden.

Schalter sind standardisierte Serienprodukte. Das beschriebene Projekt wurde am Schaltwerk des Modells 506U durchgeführt. | © JUNG

Zufriedene Kunden, höhere Rendite, besser für die Umwelt

• der Kunde von seiner Langlebigkeit,
• die Umwelt von seiner Nachhaltigkeit und
• der Hersteller dadurch, dass der Markt sinnvolle Innovationen honoriert und sich zudem selbst kleinste Einsparungen bei Massenprodukten schnell zu relevanten Kostenvorteilen summieren.

Digitale Methoden als Schlüssel

Die digitale Transformation ist bei JUNG vor allem in der Produktentwicklung weit fortgeschritten. Versuch und Simulation gehen dort inzwischen Hand in Hand, simuliert wird mit Ansys Mechanical. Man war sich einig, dass die Simulation der Schlüssel für die angestrebte Optimierung des Schalterdesigns ist - doch die vorhandenen internen Ressourcen reichen nicht aus, um das gesamte Potenzial eines ganzheitlichen Simulationsansatz zu heben. Denn das Ziel, „das beste Design für alle Szenarien zu finden“, erfordert nicht nur die Betrachtung kleinster Details im Schaltwerk, sondern auch der großen Varianz an Einflussfaktoren auf das Prellverhalten im Produkteinsatz. Spezialwerkzeuge und Spezialwissen waren gefragt.

Die Entwickler von JUNG wandten sich an CADFEM, ihren Partner für Simulation und Lieferant der eigenen Ansys-Lizenz. Neben dem Vertrieb der Software von ANSYS, Inc. mit allen dazugehörigen Dienstleistungen gehört auch die Simulation im Auftrag zum Angebotsspektrum von CADFEM mit Hauptsitz in Grafing bei München und weiteren Standorten, u.a. in Hannover.

So entstand ein gemeinsames Projektteam aus Schalterspezialisten von JUNG und Simulationsexperten von CADFEM. Nach Analyse der Aufgabenstellung, Randbedingungen und Ziele kristallisierte sich der kombinierte Einsatz zweier Softwaretools von Ansys heraus:

Das Modell des Schalters mit dem Kontaktapparat ist der Ausgangspunkt für die simulationsgestützte Optimierung. | © JUNG 

• Ansys LS-Dyna für explizite strukturmechanische Simulationen. Es geht um kurzzeitdynamische Vorgänge, wie sie beim Schaltvorgang auftreten - der Ingenieur spricht vom „Prellverhalten“. In der Simulation wird die Bewegung in kleine Zeitschritte zerlegt, der gesamte Schaltvorgang und insbesondere der entstehende Kontakt abgebildet und so im Detail verstanden. Während elektrische Messverfahren im Wesentlichen das Verhalten bei "Kontakt an" oder "Kontakt aus" analysieren, erlaubt die Simulation zusätzliche Erkenntnisse, nämlich den Blick „ins Innere“. Daraus lassen sich Konstruktionsänderungen ableiten, die sich unter vorgegebenen Bedingungen positiv auf den Verschleiß des Schalters auswirken.
• Ansys optiSLang für Varianten- und Sensitivitätsuntersuchungen. Alle zuvor als verschleißrelevant identifizierten Parameter werden variiert und ausgewertet. Durch die parallele Betrachtung der Parameter, in die auch die Ergebnisse aus LS-Dyna einfließen, ergibt sich ein Gesamtbild, aus dem die günstigste Kombination ermittelt wird. Dazu gehören auch die verschiedenen Einsatzrand- und Rahmenbedingungen, denen der Schalter ausgesetzt ist. Das Verfahren führt zum Design, das die beste Performance liefert, sozusagen den kleinsten gemeinsamen Nenner aller adressierten Szenarien.

Das Prellverhalten im Kontaktbereich wird mit Ansys LS-Dyna analysiert.  | © JUNG 

Das gemeinsame Projekt wurde in vier Schritten durchgeführt:

Im ersten Schritt wurde das CAD-Modell des Schalters vom Typ 506U für die Simulation aufbereitet, d.h. die relevanten Bereiche wie den Kontaktapparat präzise modelliert, die Bereiche ohne Einfluss auf das Ergebnis vereinfacht. Dadurch werden Rechenzeiten massiv reduziert. Auf dieser Basis wurde mit Ansys LS-DYNA die Schaltbewegung, das Prellverhalten analysiert.

Im zweiten und dritten Schritt wurden die Daten parametrisiert, um Sensitivitätsstudien durchführen zu können. Zunächst in reduzierter Form, um die Einflüsse abschätzen und gewichten zu können. Anschließend unter Berücksichtigung aller Daten in sehr detaillierter Form, wodurch Korrelationen und Wechselwirkungen sichtbar werden.

Im vierten und abschließenden Schritt wurde auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse das Design entsprechend optimiert. Verifiziert wurde es durch eine erneute Prell-Simulation mit Ansys LS-Dyna und einem realen Prototypentest.

Eine sogenannte Antwortfläche zeigt die Ergebnisse der Sensitivitätsstudie aus Ansys optiSLang und macht somit den Einfluss der verschiedenen Parameter auf die Prelldauer für Ingenieure greif- und optimierbar.  | © JUNG 

Mehr als ein Versuch: Simulation schafft dauerhaft Wettbewerbsvorteile

Bei JUNG ist man mit den Ergebnissen sehr zufrieden: Der modifizierte Schalter ist langlebiger, zudem zeigten die Analysen, dass durch das Re-Design sogar Material eingespart werden kann. So konnten bei der Kontaktwippe durch die Reduzierung der Materialstärke Gewicht und Ressourceneinsatz deutlich reduziert werden. Die hohe Übereinstimmung zwischen Simulation und Versuch bestätigt zudem die Zuverlässigkeit der gemeinsam mit CADFEM entwickelten Vorgehensweise. Sie gibt JUNG auch bei komplexen Aufgabenstellungen doppelte Sicherheit und mehr Möglichkeiten, innovative Ideen schneller umzusetzen. Ein Anspruch, den JUNG als Familienunternehmen mit seinen Lösungen „Made in Germany" im globalen Wettbewerb hat.

Die Vorgehensweise zeigt darüber hinaus, wie sich Simulation und Versuch im Sinne eines optimalen Entwicklungsergebnisses ideal ergänzen und wie Simulationen - auch in Kooperation mit einem geeigneten Partner - sukzessive und ergebnisorientiert ausgebaut werden können.

Über JUNG

Seit 110 Jahren sind Innovation, Leidenschaft und Präzision wegweisend für die Produktentwicklungen. Licht, Beschattung, Klima, Energie, Sicherheit, Türkommunikation und Multimedia – JUNG Systeme bieten die passende Lösung für jede Anforderung. Ästhetisches Design verschmilzt dabei mit intelligenter Smart Home- und Smart Building-Technologie. Alle Systeme folgen einem einfachen Konzept: smart und schön. Die Lösungen sind modern, aber nicht modisch. Sie sind ästhetisch und funktional, intuitiv in der Handhabung und technisch innovativ.

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