Kopfbereich

Schnellnavigation

Hauptnavigation

Entwicklung und Konstruktion

Die Neu- oder Weiterentwicklung von Produkten in unseren Arbeitsschwerpunkten ist ein Zusammenspiel verschiedenster Tätigkeiten. Es gilt zwischen der Konstruktion, der Analyse von Randbedingungen und Bewegungsabläufen, der Berechnung von Bauteilbeanspruchungen oder Lastfällen sowie den experimentellen Messungen und der Analyse am realen Objekt einen richtigen Bezug herzustellen.

Unser Arbeit umfasst folgende Tätigkeiten

  • Machbarkeitsstudien, Untersuchung von Bauweisen
  • Konzepte, Ergonomieuntersuchungen, Designvorschläge
  • Erarbeitung von Pflichtenheften und biomechanischen Grundlagen
  • Entwicklung von Komponenten und Baugruppen bis hin zur werkstattgerechten Konstruktion
  • Analytische Simulation von Festigkeits- und Schwingungsproblemen mit linearen- oder nichtlinearen Werkstoffmodellen, von Bauteilermüdung, dem Kopfaufprall auf Blechstrukturen und das Bestimmen von Bewegungsabläufen bei Menschen oder bei Mechanismen
    weitere Informationen
  • Experimentelle Simulation wie mechanische Bauteil- und Betriebsfestigkeitsprüfung, Messung von Betriebslasten, Beanspruchungen und Deformationen und das Bestimmen des Kollapsverhaltens von Bauteilen beim Aufprall von Kopf und Rumpf
    weitere Informationen

Analytische Simulation

Beanspruchung von Bauteilen und Baugruppen

Spannungsverteilung im Ratschen Mechanismus

Finite-Elemente-Methode-Berechnungen (FEM) bilden eine unverzichtbare Grundlage bei der Auslegung und Gestaltung von Bauteilen. Mit ihrer Hilfe lassen sich Beanspruchungen und Verformungen von Strukturen virtuell überprüfen und damit die Anzahl teurer Prototypen stark reduzieren. Neben der Anwendung dieser Technik für die allgemeine Entwicklung von Komponenten befassen wir uns auch mit folgenden Spezialgebieten:

Aufbau von Knochenmodellen anhand von CT-Daten

Belastung im Humankiefer beim Kauen

Wir sind in der Lage die Knochen auf der Basis von Messungen mit Computertomografen (CT) in FEM zu modellieren. Implantate lassen sich so im „realen“ Knochen einsetzen und belasten. Die dadurch mögliche Optimierung hilft, Fehlbeanspruchungen der Knochen zu reduzieren und so Langzeitschäden vorzubeugen.

Plastisch-elastische Werkstoffmodelle

Von Mises Spannung einer Gummi-Lagerung

Oft werden Materialien über ihre elastische Dehngrenze verformt. Diese teilweise nur lokal auftretende Plastizität beeinflusst die Lebensdauer, das Verhalten der Werkstoffe über längere Zeit und die Versagenskriterien von Bauteilen. Neuartige plastisch-elastische Werkstoffmodelle erlauben uns, dieses Phänomen mit FEM-Simulationen zu berechnen. Aussagen über die Schädigung von Strukturen infolge Kriechen sind somit möglich.

Bewegung von Mechanismen und Strukturen

Achsaufhängung mit Hydrop

Bewegungsabläufe von Mechanismen oder das dynamische Fahrverhalten von ganzen Fahrzeugen simulieren wir mit Starrkörperkinematik. Daraus resultieren wichtige Informationen über auftretende Lasten und die Anforderungen an die Antriebe. Bewegungsanalysen erlauben das Beurteilen von neuen Konzepten und unterstützen die Optimierung gewählter Lösungen.

Durch das Einbinden von Regelalgorithmen in die Simulation lassen sich auch komplexe Systeme wie zum Beispiel hydropneumatische Feder-Dämpfersysteme für Fahrzeuge berechnen.

Bewegung und Kräfte am menschlichen Skelett

Simulationsmodell: Hand mit Muskeln

Für eine zielgerichtete Entwicklung von Implantaten ist es unerlässlich, die genauen Belastungen an der entsprechenden Stelle im menschlichen Körper zu kennen. Das Messen der effektiven Lasten ist nur sehr beschränkt möglich.

Bewegungssimulationen des menschlichen Skeletts befähigen uns, die Beanspruchung in Körpergelenken zu bestimmen. Dabei werden neben den Knochen auch die wichtigsten Muskel- und Bandstrukturen in die Berechnungen miteinbezogen. Es ist zudem möglich, die Muskeln mit am Mensch erhobenen EMG-Daten (Electromyography) zu steuern.

Schnelle Vorgänge mit grossen Bauteildeformationen

Kopfanprall auf Sandwichstruktur

Die Simulation sehr grosser und schneller Verformungen von Strukturen wird von uns für die Entwicklung von energieabsorbierenden Bauteilen eingesetzt, welche in einem Crash-Fall zum Einsatz kommen. Verschiedene Bauweisen dieser Teile lassen sich dadurch virtuell vergleichen und bei der fertigen Konstruktion das Absorptionspotenzial optimieren.

Schwingungsanalysen

Schwingungsbild eines Schaufelkranzes

Mit Finite-Elemente-Simulationen kann das Schwingungsverhalten von Bauteilen oder Baugruppen schon in der Entwicklungsphase berechnet werden und liefern für die Konstruktion wichtige Hinweise. Bei Schadensanalysen sind sie auch unverzichtbare Hilfsmittel für das Festlegen von Verbesserungsvorschlägen. Dabei berechnen wir die Eigenfrequenzen, die Schwingformen und Amplituden sowie die daraus resultierenden Beanspruchungen von einzelnen Bauteilen oder gekoppelten Systemen.

Experimentelle Simulation

Akkreditiertes experimentelles Testlabor der Biomechanik

Das Testlabor der Biomechanik ist seit Januar 2010 akkreditiert als „Prüfstelle Typ C für die Entwicklung und Durchführung experimenteller Untersuchungen an Endoprothesen, Rückenim­plantaten, Traumatologieprodukten und Instrumenten; Büro-, Sitz- und Objektmöbel sowie Therapie-, Trainings- und Rehabilitationsgeräten“.  Die Akkreditierung erfolgte nach der Norm ISO/IEC 17025 durch die Schweizerische Akkreditierungs­stelle (SAS).

Dies bedeutet die formelle Anerkennung des Qualitätsmanagementsystems und der fachlichen Kompetenz der Prüfstelle und gewährleistet somit das geforderte Quali­tätssicherungssystem für die Konformitätserklärung (CE-Kennzeichnung). Als Prüf­stelle STS (Swiss Testing Services) des Typs C sind wir befugt, neue Testverfahren einzuführen, zu charakterisieren und zu validieren.

Akkreditierungsurkunde

Statische Bauteilprüfung

Belastungstest Hauptflügel Archaeopteryx

Erst der Belastungstest zeigt mit Sicherheit, ob ein Bauteil die nötige Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Für viele sicherheitsrelevante Anwendungen ist am Ende der Entwicklungsphase dieser Beweis zu erbringen. Statische Versuche sind zudem entscheidende Informationsquellen für die Gegenüberstellung verschiedener Bauweisen und erlauben das Kalibrieren von Materialmodellen für Computer-Simulationen.

Ein wichtiger Bestandteil unserer Arbeit ist die Entwicklung neuer Testmethoden, Abläufe und Hilfseinrichtungen für die statische Bauteilprüfung. Messeinrichtungen für das Bestimmen von Standard-Materialkennwerten betreiben wir in Zusammenarbeit mit dem IMPE Institute of Materials and Process Engineering.

Dynamische Lebensdauerprüfung

Hüftgelenk-Implantat im Dauerfestigkeitsversuch

Der Betrieb diverser dynamischer Pulsatoren befähigt uns, Bauteile auf ihre Lebensdauer zu prüfen. Speziell bei der Entwicklung von Implantaten ist der reale Versuch unverzichtbar. Das Belasten der Prüfkörper in korrosiver Umgebung mit erhöhter Umgebungstemperatur schafft nahezu die gleichen Verhältnisse, wie im lebenden Organismus.

Wir betreiben Standard-Pulsatoren für Betriebsfestigkeits-Versuche bis zu einer Maximallast von 12 kN. Für viele Anwendungen oder neue Testverfahren sind speziell angepasste Einrichtungen und Testaufbauten nötig, die wir produktspezifisch entwickeln und fertigen.

Anpralluntersuchungen auf Einzelteile, Baugruppen und Gesamtsysteme

Kopfanprall auf eine Blechstruktur

Für das Entwickeln von energieabsorbierenden Strukturen sind in vielen Fällen Untersuchungen am realen Bauteil unerlässlich. Es gilt einerseits bei bestehenden Anlagen das Schutzpotenzial durch einen Versuch zu erfassen und anderseits neue, entsprechend ausgelegte Strukturen auf ihre Funktion hin zu überprüfen. Rechnerische Simulationen grosser plastischer Verformungen brauchen zudem den direkten Vergleich zum richtigen Bauteil. Solche Messungen dienen auch als Grundlage für die Bauteilzertifizierung durch die Behörde.

Unsere dynamischen Testeinrichtungen, wie zum Beispiel der Linearimpaktor, erlauben es, Versuche mit einer Prallkörpermasse von 5 kg und einer Aufprallgeschwindigkeiten bis zu 50 km/h durchzuführen. Durch den mobilen Aufbau der Anlage sind Untersuchungen nicht nur in unserem Labor sondern auch direkt beim Kunden möglich.

Linearimpaktor Demofilm (Grundlagenversuch: Vergleich von Bauweisen) (AVI, 1.8 MB)

Messen von Betriebslasten und Deformationen

Messung der Belastung an einem Ski für das SLF.

Das Wissen über die effektiv wirkenden Kräfte, Momente und Beschleunigungen sowie die auftretenden Deformationen an realen Bauteilen ist eine unverzichtbare Voraussetzung für deren Weiterentwicklung. Mit Messungen gilt es, die analytischen Annahmen zu verifizieren.

Unser Einsatzgebiet ist vielfältig. Standardisierte Verfahren oder direkt den Kundenbedürfnissen angepasste Messmethoden und Einrichtungen ermöglichen es, die unterschiedlichsten Probleme anzugehen. Durch mobile Speichergeräte sind wir sogar in der Lage, Daten von Kraft-, Deformations- und Beschleunigungsgeber sowie DMS in sich bewegenden Objekten aufzuzeichnen. High-Speed Filmaufnahmen helfen bei der visuellen Interpretation der Resultate.

In-vitro-Versuche im Labor

Versuch im In-vitro-Labor

Auch bei der Entwicklung von medizinaltechnischen  Produkten gilt es, die nötigen Lastfälle zu definieren. Untersuchungen an tierischen oder menschlichen Präparaten liefern dazu wichtige Informationen. Zudem sind neu entwickelte Implantate und Werkzeuge auf ihre Funktionalität zu testen und deren Handhabung zu erlernen. Dafür betreibt das IMES ein In-vitro-Labor.