Ausprobiert und für gut befunden - Simsolid bei Zehnder GmbH

Anwenderbericht
Ausprobiert und für gut befunden - Simsolid bei Zehnder GmbH

Firma: Zehnder GmbH

Themen: Produktentwicklung, Konstruktion & Entwicklung, Berechnung & Simulation

Branche: Apparate- & Anlagenbau

Erschienen in:

CAD.de

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In den letzten Jahrzehnten gehörte zur Berechnung komplexer mechanischer Teile die Finite Elemente Methode, wie das Mehl zum Backen. Aber es geht auch ohne, wie das System "Simsolid" zeigt, welches sich mittlerweile in der Praxis bewährt. Erste sehr positive Erfahrungen berichtet der Inneo-Kunde Zehnder GmbH, Lahr, ein Unternehmen der Heizungs, Lüftungs, Klima Branche.

Simsolid arbeitet auf der Grundlage detailgetreuer CAD-Baugruppen und bietet schnelle, genaue und robuste Struktursimulationen, die ohne Geometrievereinfachung, Bereinigung und Vernetzung auskommen. Die zugrundeliegende Technologie basiert weitgehend auf der Arbeit von Dr. Victor Apanovitch, einem früheren Professor an der Belarussischen Nationalen Technischen Universität und späteren Mitbegründer der Simsolid Corporation.

Die eigentliche Berechnungsengine fußt auf bahnbrechenden Erweiterungen der externen Approximationstheorie und stellt insofern eine Verallgemeinerung der Finite-Elemente-Methode dar.

Das System ist eine speziell für Konstrukteure entwickelte Berechnungssoftware. Es macht Geometrievereinfachungen und eine Vernetzung überflüssig. Allein das spart schon einiges an Zeit ein. Darüber hinaus können mit Simsolid komplexe Bauteile und/oder große Baugruppen berechnet werden.

Mehr zum System selbst findet man in einem Interview mit Ralf Prinz, Mitinhaber und technischer Leiter von Inneo Solutions in Ellwangen: „Quantensprung im Engineering“, CAD.de/Newsletter 9/18.

Simsolid befindet sich heute im Besitz von Altair.

Einer der frühen Kunden war und ist die Zehnder GmbH in Lahr. Deren Ergebnisse dürften daher besonders interessant sein.

Zunächst aber ein Blick auf das Unternehmen selbst.

Immer das beste Klima, für verschiedenste Einsatzbereiche.

Das Gründungsjahr der heutigen Aktiengesellschaft mit rund 3400 Mitarbeitern war 1895. Damals gründete Jakob Zehnder in Gränichen, Schweiz, eine Werkstatt für Fahrräder, Schreib-, Wasch- und Nähmaschinen. Nach ca. 25 Jahren begann man 1923 mit der Produktion von Leichtkrafträdern.
In das Geschäft mit Heizungen stieg das Unternehmen 1930 ein, als Robert Zehnder den ersten Stahl-Röhrenradiator erfand - noch heute als 'Zehnder Charleston' im Programm.

"Um eine steigende Nachfrage am deutschen Markt zu bedienen, hat man 1964 eine deutsche Tochtergesellschaft in Riegel am Kaiserstuhl gegründet. Sie wurde 1980 mit dem Lahrer Heizkörper-Hersteller, Beutler, fusioniert und arbeitet seitdem als Zehnder GmbH, mit den Standorten Lahr und Riegel", erklärt der Teamleiter Entwicklung für Heiz-und Kühldecken, Peter Klug. 1986 ging die Zehnder Holding an die Schweizer Börse, 2001 folgte die Umbenennung zur Zehnder Group AG. Mit etwa 3.384 Mitarbeitern (Stand: 27.07.2018) und Produktionsstandorten in Europa, Asien und Nordamerika zählt die Zehnder Group zu den Marktführern der Heizkörperbranche.
Darüber hinaus wandelte sich Zehnder in den vergangenen 30 Jahren mit den neuen Geschäftsbereichen für Heiz-und Kühldecken, sowie Deckenstrahlplatten mit zugehörigen Lüftungsgeräten und Luftverteilsystemen, Comforsystems genannt und Luftfiltern für Produktions- und Lagerhallen, den Clean Air Solutions, vom reinen Heizkörperhersteller zum Systemanbieter für komfortables Raumklima.

Um alle diese Produkte zu entwickeln und zu konstruieren, hat Zehnder in der gesamten Gruppe das CAD-System Solidworks eingeführt.

Sehr anspruchsvolle Teile

Solidworks enthält auch einen Berechnungsmodul (klassische FEM-Berechnung), der aber für die sehr anspruchsvollen Teile der Deckenklimatisierung keineswegs ausreicht. "Wir haben es mit Teilen zu tun, die sehr dünn sind, ca. einen halben Millimeter dünne Bleche und zugleich sehr lang, bis zu 6 Metern", so Peter Klug. Sie auf Durchbiegung, Knickung und Festigkeit zu berechnen, ist nicht trivial.

"Durch den berühmten Zufall habe ich dann bei einer Internet-Recherche einen Hinweis auf Simsolid gefunden", erzählt Klug weiter. Die Beschreibung dort war vielversprechend und die Klimafachleute haben sich gedacht "das müssen wir mal ausprobieren."

Anbieter war damals eine Verfahrenstechnische Firma, die auch selbst Anwender gewesen ist. Inneo kam als professioneller Anbieter erst etwa drei Monate später auf den Markt. "Es war schnell klar, dass dies der Betreuer für uns sein würde" (Klug).

Die Software kam im Februar 2018 bei Zehnder ins Haus. Das war dann die Stunde des damaligen Bachelorand, Max Meier, mittlerweile mit Abschluss Bachelor. Ihm fiel die Aufgabe zu, das System einzuführen und zu testen.

Meier ging schrittweise vor: "Ich habe zunächst ganz einfache Biegebalken berechnet, bei denen ich ja wusste was herauskommen musste. Dann habe ich verschiedene Beispiele nachgerechnet, die bei der Software dabei waren."
Danach ist er Stück für Stück an die größeren Projekte herangegangen. Das waren zum einen eine Deckenstrahlplatte und zum anderen eine Platte für eine Heiz-Kühl-Decke.

"Bei der Deckenstrahlplatte ging es darum zu ermitteln, wieviel Gewicht sie aushält bis sie beginnt zu knicken. Bei der Heiz- und Kühldecke ging es darum zu berechnen, wieviel Durchhang wird durch die Erdanziehung entstehen. Man will ja letztlich eine gerade Decke haben. „Wenn alle Elemente einen 'Bauch' machen würden, wäre das nicht sehr schön", erläutert Max Meier die Problemstellung. Hinzugefügt sei noch, dass die Bleche aus Stahl bestehen (St. 42).

Prozessablauf und Ergebnisse

Wie geht man nun vor mit Simsolid?

Meier ist diesem Prozessablauf gefolgt:

  • das jeweilige CAD-Modell wird nach Simsolid importiert
  • Kontrolle, ob alles vollständig ist und Kontrolle der Materialien
  • Erstellung der Auflagen (Loslager, Festlager)
  • Anbringung der Lasten (Kräfte, Druck, Gravitation ...)
  • Starten des Berechnungslaufs
  • Ergebnisse und Ergebnisauswertung und z. B. Vergleich mit Messergebnissen.


Nun stellt sich natürlich die spannende Frage, wie hat sich das System geschlagen?

Klug: "Wir waren als erstes einmal froh, dass es überhaupt geht! Wir hätten auch längere Rechenzeiten in Kauf genommen, z. B. über Nacht, das war aber gar nicht nötig."

"Defakto haben wir für das eine Teil eine Stunde Rechenzeit gebraucht, bei dem zweiten ca. 20 - 30 Minuten", wie Max Meier berichtet. Das ist sensationell, wenn man von dem Punkt "es geht nicht" herkommt.

Dabei ist noch besonders zu berücksichtigen, dass die Platte aus mehreren Schichten aufgebaut ist:

•    die Stahlkassette als solches
•    darauf sind Kupferrohre mittels eines Aluminium Wärmeleitblechs über eine Klebeschicht fixiert
   
Das wichtigste Ergebnis ist, dass die Platte hält. Sie ist in einer Raumrichtung fest, in allen anderen frei (schwimmend) angebracht.

"Neben der Festigkeitsberechnung haben wir auch eine Kontaktflächenberechnung durchgeführt, zunächst die Kassetten ohne Kupfer und ohne Wasser, dann mit Kupfer und Wasser, und am Ende haben wir auch noch mit Temperaturen (+ 80° Vorlauftemperatur) simuliert", so M. Meier.
 
Wie präzise sind die Ergebnisse?

M. Meier berichtet von 15% Abweichung gegenüber experimentell ermittelten Werten: "Wobei man aber sagen muss, dass bei einer mehrfachen Ausführung der Versuche auch nicht immer das gleiche herauskommt. Also insofern können wir gut damit leben."

Und sein Chef ergänzt: "Wie schon gesagt, ohne Simsolid könnten wir gar nichts machen, insofern ist es auch nicht wichtig, ob wir gewisse Abweichungen haben oder nicht. Wenn wir eine Reihe von Varianten durchgerechnet haben, gehen wir mit den besten Blechen ohnehin auf eine Prototypanlage. Aber alle Schritte bis dahin, alle Iterationen, laufen virtuell. Und weil die Berechnung nun schnell läuft, sind durchaus einige Optimierungsschritte möglich. Man kommt ins experimentieren, was vorher so nicht möglich war."

Neben dem Zeitgewinn nennt man in Lahr den Gewinn an Wissen über das mechanische Verhalten seines Teils als positiven Erfolgsfaktor.

Dazu sei noch gesagt, dass die Software auf einem ganz normalen PC, ja sogar Laptop, läuft und keinerlei Spezialhardware braucht.

Gab es währenddessen Unterstützung von außen?

Meier: "Ich habe zunächst einmal allein begonnen. Dann bin ich aber auf einige Probleme gestoßen, teilweise waren das auch Software-Probleme. Deswegen hatte ich  Kontakte mit Inneo, welche die Lösung gebracht haben. Damals gab es noch keine Simsolid-Schulung und wir mussten uns so behelfen. Mittlerweile ist Inneo aber voll eingestiegen, mit Vertrieb, Schulung und Betreuung", weiß Meier.

"Unser Vertrauen in die Software und den Lieferanten können Sie auch daran ablesen, dass wir unsere Lizenz um ein weiteres Jahr verlängert haben", betont Peter Klug. Also alles auf bestem Wege...

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