DE102022005058A1 - Toe cap - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zehenkappe, umfassend zumindest eine bogenförmig verlaufende Stirnwandung und von dieser ausgehende die Zehen oberseitig abdeckenden Abdeckwandung, wobei die Abdeck- und die Stirnwandung eine Grundwandstärke W aufweisen und von Abschnitten der Wandungen getrennte Bereiche einer Dicke D mit 0 ≤ D < W aufweisen, wobei das Volumen der Zehenkappe um 5 % bis 35 % gegenüber einer entsprechenden Zehenkappe reduziert ist, bei der die Bereiche geringerer Dicke auf die Grundwandstärke W ausgefüllt sind und/oder die Außenfläche der Zehenkappe gegenüber der Außenfläche einer entsprechenden Zehenkappe, bei der die Bereiche geringerer Dicke ausgefüllt sind, um 20 % bis 60 % reduziert ist. The invention relates to a toe cap, comprising at least one curved end wall and a cover wall extending from this and covering the top of the toes, wherein the cover and end walls have a base wall thickness W and have regions of a thickness D with 0 ≤ D < W, separated from sections of the walls, wherein the volume of the toe cap is reduced by 5% to 35% compared to a corresponding toe cap in which the regions of lesser thickness are filled to the base wall thickness W and/or the outer surface of the toe cap is reduced by 20% to 60% compared to the outer surface of a corresponding toe cap in which the regions of lesser thickness are filled.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zehenkappe.The invention relates to a toe cap.
Zehenkappen, die auch als Zehenschutzkappen bezeichnet werden, gibt es in einer Vielzahl von Varianten und bestehen vorwiegend aus Metall. Beispielhaft ist auf eine Zehenkappe in der
In der
Entsprechende Zehenkappen können in Metallspritzgieß (MIM)-Verfahren hergestellt werden (
Die
Eine Vielzahl der insbesondere aus Metall bestehenden Zehenkappen weisen ungeachtet der vorhandenen Aussparungen in Bezug auf das Gewicht Nachteile auf, so dass ein eine entsprechende Schutzkappe aufweisender Schuh für den Nutzer nicht den gewünschten Comfort bieten kann. Auch ist häufig eine Belüftung im erforderlichen Umfang nicht gegeben.A large number of toe caps, especially those made of metal, have disadvantages in terms of weight, regardless of the recesses that are present, so that a shoe with a corresponding protective cap cannot offer the user the desired comfort. Ventilation to the required extent is also often not provided.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zehenkappe zur Verfügung zu stellen, die insbesondere in Bezug auf ihr Gewicht optimiert ist, gleichzeitig den erforderlichen Sicherheitsanforderungen genügt, insbesondere den einschlägigen Normen. Eine hinreichende Luftdurchströmung soll möglich sein.The present invention is based on the object of providing a toe cap which is optimized in particular with regard to its weight, while at the same time meeting the necessary safety requirements, in particular the relevant standards. Adequate air flow should be possible.
Eine Zehenkappe, umfassend zumindest eine bogenförmig verlaufende Stirnwandung und von dieser ausgehende die Zehen oberseitig abdeckenden Abdeckwandung, wobei die Abdeck- und die Stirnwandung eine Grundwandstärke W aufweisen und von Abschnitten der Wandungen, wie Stegen in den Wandungen, getrennte Bereiche eine Dicke D mit 0 ≤ D < W, gegebenenfalls D = 0, aufweisen, zeichnet sich dadurch aus, dass die Differenz zwischen dem Volumen der Zehenkappe bei auf die Grundwandstärke W ausgefüllten Bereichen und dem Volumen der Zehenkappe mit den Bereichen geringerer Dicke 5 % bis 35 %, insbesondere 10 % bis 30 %, vorzugsweise 20 % bis 30 %, beträgt und/oder die Differenz zwischen der Fläche der Zehenkappe mit ausgefüllten Bereichen und der Außenfläche der Zehenkappe ohne die Bereiche 20 % bis 60 %, vorzugsweise 30 % bis 60 %, insbesondere 40 % bis 60 %, beträgt.A toe cap comprising at least one curved end wall and a cover wall extending from this and covering the top of the toes, wherein the cover and end walls have a base wall thickness W and regions separated from sections of the walls, such as webs in the walls, have a thickness D with 0 ≤ D < W, optionally D = 0, is characterized in that the difference between the volume of the toe cap with regions filled to the base wall thickness W and the volume of the toe cap with the regions of lesser thickness is 5% to 35%, in particular 10% to 30%, preferably 20% to 30%, and/or the difference between the area of the toe cap with filled areas and the outer area of the toe cap without the areas is 20% to 60%, preferably 30% to 60%, in particular 40% to 60%.
Grundwandstärke W ist dabei die Wandstärke der Zehenkappe, in der die Wandungen, also die Abdeck- und der Stirnwandung, keine Bereiche der Dicke D aufweisen.The base wall thickness W is the wall thickness of the toe cap in which the walls, i.e. the cover and front walls, do not have any areas of thickness D.
Die Bereiche selbst können Durchgangsöffnungen und/oder Vertiefungen in den Wandungen sein, ohne dass letztere die Wandungen vollständig durchsetzen.The areas themselves can be through-openings and/or recesses in the walls, without the latter completely penetrating the walls.
In Weiterbildung sieht die Erfindung vor, dass die Durchgangsöffnungen zu zumindest einer Oberfläche hin, insbesondere zu der Außenseite der Zehenkappe hin, geneigt verlaufende Randbegrenzungen aufweisen.In a further development, the invention provides that the through-openings have edge boundaries that are inclined towards at least one surface, in particular towards the outside of the toe cap.
Auch zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass in Bereichen der Zehenkappe mit einer Vergleichsspannung von bis zu 90 % Aussparungen und/oder Vertiefungen und/oder in Bereichen der Zehenkappe mit einer Vergleichsspannung von mehr als 90 % geschlossene Flächen vorgesehen sind.The invention is also characterized in that recesses and/or depressions are provided in areas of the toe cap with a comparative stress of up to 90% and/or closed areas are provided in areas of the toe cap with a comparative stress of more than 90%.
Besonders bevorzugt ist, dass die Zehenkappe in Regionen einer Vergleichsspannung zwischen 0 und 1200 MPa Bereiche geringerer Dicke aufweist und/oder in Regionen einer Vergleichsspannung größer 1200 MPa die Grundwandstärke aufweist, bezogen für eine Zehenkappe der Größe 8 nach DIN EN ISO 22568-1:2020-01.It is particularly preferred that the toe cap has areas of smaller thickness in regions of a comparative stress between 0 and 1200 MPa and/or has the base wall thickness in regions of a comparative stress greater than 1200 MPa, based on a toe cap of size 8 according to DIN EN ISO 22568-1:2020-01.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Zehenkappe aus Metall, insbesondere Werkzeugstahl, Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff oder Aramiden, besteht.It is possible that the toe cap is made of metal, in particular tool steel, plastic, in particular fibre-reinforced plastic or aramids.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Zehenkappe ein Spritzgusskörper, insbesondere Metallspritzgusskörper, ein Druckgusskörper, ein im Laminierverfahren oder ein im additiven Verfahren hergestellter Körper ist.Preferably, the toe cap is an injection-molded body, in particular a metal injection-molded body, a die-cast body, a body produced by a lamination process or a body produced by an additive process.
Dabei ist auch vorgesehen, dass Gruppen Bereiche geringerer Dichte, insbesondere Gruppen von Durchgangsöffnungen von einem gemeinsamen Rand umgeben sind, der angefast ist.It is also intended that groups of areas of lower density, in particular groups of through openings, are surrounded by a common edge which is chamfered.
Eine Zehenkappe, umfassend zumindest eine bogenförmig verlaufende Stirnwandung und von dieser ausgehende die Zehen oberseitig abdeckenden Abdeckwandung, wobei die Abdeck- und die Stirnwandung eine Grundwandstärke W aufweisen und von Abschnitten der Wandungen, wie Stegen in den Wandungen, getrennte Bereiche eine Dicke D mit 0 ≤ D < W, gegebenenfalls D = 0, aufweisen, zeichnet sich dadurch aus, dass Volumen der Zehenkappe bei auf die Grundwandstärke W ausgefüllten Bereichen zu dem Volumen der Zehenkappe mit den Bereichen geringerer Dicke um 5 % und 35 % reduziert ist und/oder die Fläche der Zehenkappe mit ausgefüllten Bereichen zu der Außenfläche der Zehenkappe ohne die Bereiche um 20 % und 60 % reduziert ist, und dass in Bereichen der Zehenkappe mit einer Vergleichsspannung von bis zu 90 % der maximalen Vergleichsspannung Aussparungen und/oder Vertiefungen und/oder in Bereichen der Zehenkappe mit einer Vergleichsspannung von mehr als 90 % der maximalen Vergleichsspannung geschlossene Flächen vorgesehen sind.A toe cap comprising at least one curved end wall and a cover wall extending from this and covering the top of the toes, wherein the cover and end walls have a base wall thickness W and regions separated from sections of the walls, such as webs in the walls, have a thickness D with 0 ≤ D < W, optionally D = 0, is characterized in that the volume of the toe cap in regions filled to the base wall thickness W is reduced by 5% and 35% compared to the volume of the toe cap with the regions of lesser thickness and/or the area of the toe cap with filled areas is reduced by 20% and 60% compared to the outer surface of the toe cap without the areas, and that recesses and/or depressions are provided in regions of the toe cap with a comparative stress of up to 90% of the maximum comparative stress and/or closed areas are provided in regions of the toe cap with a comparative stress of more than 90% of the maximum comparative stress.
Auch zeichnet sich eine Zehenkappe, umfassend zumindest eine bogenförmig verlaufende Stirnwandung und von dieser ausgehende die Zehen oberseitig abdeckenden Abdeckwandung, wobei die Abdeck- und die Stirnwandung eine Grundwandstärke W aufweisen und von Abschnitten der Wandungen, wie Stegen in den Wandungen, getrennte Bereiche eine Dicke D mit 0 ≤ D < W, gegebenenfalls D = 0, aufweisen, dadurch aus, dass Volumen der Zehenkappe bei auf die Grundwandstärke W ausgefüllten Bereichen zu dem Volumen der Zehenkappe mit den Bereichen geringerer Dicke um 5 % und 35 % reduziert ist und/oder die Fläche der Zehenkappe mit ausgefüllten Bereichen zu der Außenfläche der Zehenkappe ohne die Bereiche um 20 % und 60 % reduziert ist, dass die Durchgangsöffnungen zu der Außenseite der Zehenkappe hin geneigt verlaufende Randbegrenzungen aufweisen und dass Gruppen von Durchgangsöffnungen von einem gemeinsamen Rand umgeben sind, der angefast ist.A toe cap comprising at least one curved end wall and a cover wall extending from the latter and covering the top of the toes, the cover and end walls having a base wall thickness W and regions separated from sections of the walls, such as webs in the walls, having a thickness D with 0 ≤ D < W, optionally D = 0, is also characterized in that the volume of the toe cap in regions filled to the base wall thickness W is reduced by 5% and 35% to the volume of the toe cap with the regions of lesser thickness and/or the area of the toe cap with filled regions is reduced by 20% and 60% to the outer surface of the toe cap without the regions, that the through-openings have edge boundaries that slope towards the outside of the toe cap and that groups of through-openings are surrounded by a common edge that is chamfered.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Zehenkappe mit Merkmalen zuvor beschriebener Art umfasst die Verfahrensschritte
- 1) Vorgeben einer Masterkappe, die zumindest eine festgelegte für eine herzustellende Zehenkappe charakteristische Kenngröße besitzt,
- 2) Simulation einer der Masterkappe entsprechende virtuellen Kappe nach einem Simulationsverfahren,
- 3) Simulation der virtuellen Kappe derart, dass der Wert einer der festgelegten charakteristischen Kenngröße entsprechenden ersten simulierten charakteristischen Kenngröße dem der festgelegten charakteristischen Kenngröße der Masterkappe entspricht oder innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs von dieser liegt,
- 4) Änderung der Struktur der virtuellen Kappe,
- 5) Berechnen des Wertes der simulierten charakteristischen Kenngröße der strukturell geänderten virtuellen Kappe und Vergleich mit dem Wert der charakteristischen Kenngröße gemäß Schritt 1) und/oder Schritt 3),
- 6) erneute Änderung der Struktur der virtuellen Kappe, sofern
- - a) gemäß Schritt 5) eine Abweichung festgestellt wird, die außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, und sodann erneutes Berechnen der charakteristischen Kenngröße, oder
- - b) bei innerhalb des Toleranzbereichs liegender charakteristischer Kenngröße, sofern die gemäß Schritt 4) geänderte Struktur ein vorgegebenes Kriterium nicht erfüllt,
- 7) gegebenenfalls Wiederholen der Verfahrensschritte 4) bis 6) solange, bis der berechnete Wert der charakteristischen Kenngrößen innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs liegt,
- 8) Herstellen der Zehenkappe auf der Basis der virtuellen Kappe mit der geänderten Struktur, für die die simulierte charakteristische Kenngröße innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs der ersten simulierten charakteristischen Kenngröße liegt.
- 1) Specifying a master cap which has at least one defined characteristic parameter for a toe cap to be manufactured,
- 2) Simulation of a virtual cap corresponding to the master cap using a simulation procedure,
- 3) Simulation of the virtual cap such that the value of a first simulated characteristic parameter corresponding to the specified characteristic parameter corresponds to the specified characteristic parameter of the master cap or is within a specified tolerance range thereof,
- 4) Change the structure of the virtual cap,
- 5) Calculating the value of the simulated characteristic parameter of the structurally modified virtual cap and comparing it with the value of the characteristic parameter according to step 1) and/or step 3),
- 6) further change of the structure of the virtual cap, if
- - a) in accordance with step 5), a deviation is detected which lies outside a specified tolerance range and then the characteristic parameter is recalculated, or
- - b) if the characteristic value is within the tolerance range, provided that the structure modified in accordance with step 4) does not meet a specified criterion,
- 7) if necessary, repeating the process steps 4) to 6) until the calculated value of the characteristic parameters is within the specified tolerance range,
- 8) Manufacturing the toe cap on the basis of the virtual cap with the modified structure for which the simulated characteristic parameter lies within the specified value range of the first simulated characteristic parameter.
Insbesondere ist vorgesehen, dass als Simulationsverfahren die Finite-Elemente-Methode verwendet wird. Dabei wird die virtuelle Kappe in finite Elemente einer Größe derart unterteilt, dass der Wert einer der festgelegten charakteristischen Kenngröße entsprechenden ersten simulierten charakteristischen Kenngröße dem der festgelegten charakteristischen Kenngröße der Masterkappe entspricht oder innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs von dieser liegt.In particular, it is intended that the finite element method is used as the simulation method. The virtual cap is divided into finite elements of a size such that the value of a first simulated characteristic parameter corresponding to the specified characteristic parameter corresponds to the specified characteristic parameter of the master cap or lies within a specified tolerance range of this.
Als Masterkappe wird grundsätzlich eine solche benutzt, die mittels einer computerunterstützten Konstruktion (CAD) zur Verfügung gestellt wird und die die festgelegte charakteristische Kenngröße aufweist, insbesondere die Mindestresthöhe unter der Zehenkappe bei Stoß- und Druckeinwirkung, wie diese z.B. durch die DIN ISO 22568-1:2020-01 festgelegt ist. Selbstverständlich kann auch eine andere charakteristische Kenngröße zugrundegelegt werden.The master cap used is generally one that is provided by means of computer-aided design (CAD) and that has the specified characteristic parameter, in particular the minimum residual height under the toe cap when subjected to impact and pressure, as specified, for example, by DIN ISO 22568-1:2020-01. Of course, another characteristic parameter can also be used as a basis.
Liegt vorzugsweise eine digitale Masterkappe vor, aufgrund derer Daten die Simulation durchgeführt wird, so kann selbstverständlich auch eine reale Kappe benutzt werden, von der sodann CAD-Daten zur Verfügung gestellt werden.If a digital master cap is available, based on whose data the simulation is carried out, then of course a real cap can be used, of which CAD data is then made available.
Als Masterkappe kann insbesondere eine solche verwendet werden, die ein geschlossener Körper, also eine Kappe ohne Durchbrechungen ist, wobei außerdem die Wandstärke zumindest im Stirnwandbereich und in der die Zehen oberseitig abdeckenden Abdeckwand gleich ist. Gleiches sollte für den unteren nach innen abgewickelten Rand gelten.A master cap can be used in particular if it is a closed body, i.e. a cap without openings, with the wall thickness being the same at least in the front wall area and in the cover wall covering the toes on the top. The same should apply to the lower edge which is rolled inwards.
Mit anderen Worten zeichnet sich die Erfindung insbesondere dadurch aus, dass als die gemäß Schritt 1) vorgegebene Masterkappe ein geschlossener Körper verwendet wird, dessen Wandstärke über den Körper gleichbleibend ist.In other words, the invention is characterized in particular in that a closed body is used as the master cap specified according to step 1), the wall thickness of which is constant over the body.
Selbstverständlich wird durch die diesbezüglichen bevorzugten Nebenbedingungen die erfinderische Lehre nicht eingeschränkt.Of course, the preferred additional conditions in this regard do not restrict the inventive teaching.
Unabhängig von Obigem entspricht die charakteristische Kenngröße der Masterkappe der charakteristischen Kenngröße, die eine reale Kappe besitzen muss, wie die Mindestresthöhe unter der Zehenkappe bei Stoß- und Druckeinwirkung.Irrespective of the above, the characteristic parameter of the master cap corresponds to the characteristic parameter that a real cap must have, such as the minimum residual height under the toe cap when subjected to impact and pressure.
Unter Zugrundelegung einer entsprechenden Masterkappe wird eine virtuelle Kappe insbesondere nach der Finite-Elemente-Methode simuliert. Die simulierte Kappe weist eine Außengeometrie auf, die der Masterkappe entspricht, die von der Außengeometrie wiederum einer herzustellenden realen Zehenkappe entspricht.Based on a corresponding master cap, a virtual cap is simulated, in particular using the finite element method. The simulated cap has an external geometry that corresponds to the master cap, which in turn corresponds to the external geometry of a real toe cap to be manufactured.
Ferner weist die virtuelle Kappe eine Umhüllendengeometrie auf, die der der Masterkappe entspricht, die insbesondere ein geschlossener Körper ist. Mit anderen Worten kann die Masterkappe eine geschlossene Oberfläche aufweisen, also ein geschlossener Körper sein, dessen Wandstärke über den Körper unverändert sein kann.Furthermore, the virtual cap has an envelope geometry that corresponds to that of the master cap, which is in particular a closed body. In other words, the master cap can have a closed surface, i.e. be a closed body whose wall thickness can remain unchanged across the body.
Auch die Materialkenngrößen stimmen überein.The material characteristics also match.
Ist als Simulationsmethode insbesondere die Finite-Elemente-Methode zu nennen, so können selbstverständlich auch andere geeignete Simulationsmethoden eingesetzt werden.If the finite element method is to be mentioned as a simulation method in particular, other suitable simulation methods can of course also be used.
Dabei erfolgt eine Simulation derart, dass zumindest eine die Masterkappe auszeichnende charakteristische Kenngröße, insbesondere die nach der
Die simulierte Kappe wird in einem Umfang in Teilgebiete aufgeteilt, also bei der Finite-Elemente-Methode in die finiten Elemente, dass die entsprechend simulierte charakteristische Kenngröße dem Wert der charakteristischen Kenngröße des Mastermodells entspricht oder in etwa entspricht. In etwa bedeutet, dass vorgegebene Toleranzbereiche eingehalten werden müssen.The simulated cap is divided into sub-areas, i.e. into the finite elements in the finite element method, to such an extent that the corresponding simulated characteristic parameter corresponds to or approximately corresponds to the value of the characteristic parameter of the master model. Approximately means that specified tolerance ranges must be adhered to.
Ist eine entsprechende virtuelle Kappe simuliert, erfolgt eine Änderung der Struktur, um in Bezug z.B. auf das Gewicht oder die Belüftung eine Optimierung zu erzielen, wobei festgelegte charakteristische Kenngrößen wertemäßigen Vorgaben, insbesondere Normen entsprechen müssen.Once a corresponding virtual cap has been simulated, the structure is changed in order to achieve optimization in terms of weight or ventilation, for example, whereby defined characteristic parameters must correspond to value-based specifications, in particular standards.
Die Änderungsstruktur erfolgt automatisch unter Berücksichtigung der vorgegebenen Parameter wie Gewicht oder Fläche, wobei Fläche die geschlossene Fläche oder die Fläche der simulierten Kappe sein kann, die durch Öffnungen oder Materialänderungen im Vergleich zur virtuellen Ausgangskappe (Schritt 2) zu ändern ist.The change structure is carried out automatically taking into account the specified parameters such as weight or area, where area can be the closed area or the area of the simulated cap, which is to be changed by openings or material changes compared to the virtual initial cap (step 2).
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass von dem Anwender vorgegeben wird, in welchem Bereich Strukturänderungen vorgenommen werden bzw. unterbleiben sollen.However, it is also possible for the user to specify in which area structural changes should or should not be made.
Von der eine geänderte Topologie aufweisenden virtuellen Kappe wird der Wert der festgelegten charakteristischen Größe erneut berechnet. Liegen die Werte außerhalb eines vorgegebenen Bereichs, also vorgegebener Toleranz, so erfolgt eine weitere Änderung der Struktur, von der gleichfalls der Wert der simulieren charakteristischen Kenngröße berechnet wird und sodann mit der entsprechenden charakteristischen Kenngröße der Masterkappe oder der ursprünglichen virtuellen Kappe verglichen wird. Liegen die Werte außerhalb eines vorgegebenen Bereichs, so erfolgt eine erneute Änderung der Struktur, um anschließend die simuliere charakteristische Kenngröße zu berechnen. Ein diesbezügliches als Iterationsverfahren zu bezeichnendes Verfahren kann so lange fortgeführt werden, bis die simuliere charakteristische Kenngröße nach der letzten Änderung innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt, um sodann auf der Basis der so konstruierten virtuellen Kappe reale Zehenkappen herzustellen.The value of the specified characteristic quantity is recalculated for the virtual cap with a changed topology. If the values are outside a specified range, i.e. a specified tolerance, the structure is changed again, from which the value of the simulated characteristic quantity is also calculated and then compared with the corresponding characteristic quantity of the master cap or the original virtual cap. If the values are outside a specified range, the structure is changed again in order to then calculate the simulated characteristic quantity. A process in this regard, which can be referred to as an iteration process, can be continued until the simulated characteristic quantity lies within the specified value range after the last change, in order to then produce real toe caps on the basis of the virtual cap constructed in this way.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dann, wenn die Topologie einer virtuellen Kappe bereits den Wert der charakteristischen Kenngröße erfüllt, eine weitere Änderung der Struktur vorzunehmen, z.B. dann, wenn Bereiche der virtuellen Kappe Durchbrechungen aufweisen, die dazu führen könnten, dass Zehen zu stark belastet werden, insbesondere im Bereich der Wandung der Zehenkappe, die unmittelbar oberhalb der Zehen verläuft. Entsprechende gewünschte Änderungen werden vom Anwender vorgegeben, um sodann durch Simulation die verbleibende Topologie der virtuellen Kappe so zu verändern, dass die gewünschte Struktur erreicht wird, gleichzeitig die charakteristischen Kenngröße erfüllt ist.However, it is also possible, if the topology of a virtual cap already contains the value of the characteristic parameter fulfilled, a further change to the structure can be made, e.g. if areas of the virtual cap have openings that could lead to excessive stress on the toes, particularly in the area of the wall of the toe cap that runs directly above the toes. The user specifies the desired changes in order to then change the remaining topology of the virtual cap through simulation so that the desired structure is achieved and the characteristic parameters are fulfilled at the same time.
Die Änderung Struktur erfolgt durch Änderung der Masse oder Oberfläche des virtuellen Modells. Oberfläche des Modells bedeutet dabei, dass die Anordnung und/oder Ausbildung von Durchgangsöffnungen und/oder Oberflächenvergrößerungen durch Materialabtrag oder Materialaufdickungen erfolgt. Diese Maßnahmen können alternativ oder zumindest teilweise kumulativ erfolgen.The change in structure is made by changing the mass or surface of the virtual model. The surface of the model means that the arrangement and/or formation of through holes and/or surface enlargements are made by removing material or thickening material. These measures can be carried out alternatively or at least partially cumulatively.
Erfolgt eine weitere Änderung der Struktur gemäß Schritt 6), so erfolgt dies durch zumindest eine Maßnahme aus der Gruppe Bildung von Durchgangsöffnungen, Veränderung von Durchgangsöffnungen, Materialabtragung, Materialverdickung, Bildung oder Veränderung von von Durchgangsöffnungen oder Vertiefungen begrenzenden Stegen oder Bereichen in der virtuellen Kappe.If a further change to the structure is made in accordance with step 6), this is done by at least one measure from the group of formation of through-openings, modification of through-openings, material removal, material thickening, formation or modification of webs or areas in the virtual cap delimiting through-openings or depressions.
Bei der ersten Strukturänderung gemäß Schritt 4) ist insbesondere vorgesehen, dass Bereiche der virtuellen Kappe entfernt und/oder Materialabtragungen erfolgen in Bereichen, in denen ein Kraftfluss nicht oder nicht wesentlich auftritt oder geringer im Vergleich zu anderen Bereichen ist. Der Weg einer Kraft von der Einleitungsstelle bis zur Stelle, an der diese durch eine Reaktionskraft aufgenommen wird, lässt sich durch Kraftflusslinie darstellen und somit auch simulieren.In the first structural change according to step 4), it is particularly intended that areas of the virtual cap are removed and/or material is removed in areas where a force flow does not occur or does not occur significantly or is lower compared to other areas. The path of a force from the point of introduction to the point where it is absorbed by a reaction force can be represented by a force flow line and thus also simulated.
Um die simuliere charakteristische Kenngröße zu berechnen, wird ein simulierter Drucktest und/oder ein Falltest durchgeführt, der auch zur Bestimmung der charakteristischen Kenngröße einer realen Kappe zur Anwendung gelangt.To calculate the simulated characteristic parameter, a simulated pressure test and/or a drop test is carried out, which is also used to determine the characteristic parameter of a real cap.
Insbesondere ist als die charakteristische Kenngröße die maximal zulässige Verformung der Kappe senkrecht zur Auflagefläche der Kappe, also die nach der
Ergänzend oder alternativ zu der maximal zulässigen Verformung als charakteristische Kenngröße kann zumindest eine weitere Kenngröße, insbesondere eine Werkstoffkenngröße aus der Gruppe Zugfestigkeit, Streckgrenze, Gleichmaßdehnung, mechanische Spannung, Vergleichsspannung als charakteristische Größe zur virtuellen Konstruktion der herzustellenden Zehenkappe benutzt werden.In addition or as an alternative to the maximum permissible deformation as a characteristic parameter, at least one further parameter, in particular a material parameter from the group of tensile strength, yield strength, uniform elongation, mechanical stress, comparative stress, can be used as a characteristic parameter for the virtual construction of the toe cap to be produced.
Insbesondere werden die Vergleichsspannungen einzelner Bereiche der virtuellen Zehenkappe benutzt, um in Abhängigkeit von den berechneten Werten Änderungen der Struktur, also der Topologie, insbesondere im Schritt 6) vorzunehmen.In particular, the comparative stresses of individual areas of the virtual toe cap are used to make changes to the structure, i.e. the topology, depending on the calculated values, especially in step 6).
Insbesondere ist vorgesehen, dass im Bereich mit einer Vergleichsspannung von bis max. 90 % der in der simulierten Kappe auftretenden maximalen Vergleichsspannung Aussparung und/oder Vertiefungen simuliert werden und/oder in Bereichen mit einer Vergleichsspannung von mehr als 90 % der in der simulierten Kappe auftretenden maximalen Vergleichsspannung Änderungen in der Struktur unterbleiben.In particular, it is intended that recesses and/or depressions are simulated in the area with a comparison stress of up to a maximum of 90% of the maximum comparison stress occurring in the simulated cap and/or that changes in the structure are omitted in areas with a comparison stress of more than 90% of the maximum comparison stress occurring in the simulated cap.
Z.B. sollten für eine simulierte Kappe, die einer realen Kappe der Größe 8 gemäß
Die auf der Basis der virtuellen Kappe herzustellende Zehenkappe wird insbesondere durch Spritzgießen, insbesondere Metallspritzgießen, im Druckgießverfahren, im Laminierverfahren oder im additiven Verfahren hergestellt.The toe cap to be produced on the basis of the virtual cap is produced in particular by injection molding, in particular metal injection molding, by die casting, by lamination or by additive manufacturing.
Das Material der Zehenkappe kann Metall, insbesondere Werkzeugstahl, Kunststoff, insbesondere faserverstärkter Kunststoff oder Aramide, sein.The material of the toe cap can be metal, in particular tool steel, plastic, in particular fiber-reinforced plastic or aramid.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.Further details, advantages and features of the invention emerge not only from the claims, the features to be derived therefrom - individually and/or in combination - but also from the following description of preferred embodiments.
Es zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung einer geschlossenen Masterkappe, -
2 eine nach der Finite-Elemente-Methode simulierte Zehenkappe entsprechend der Masterkappe, -
3 die simulierte Zehenkappe gemäß2 nach einer ersten Strukturänderung, -
4 die simulierte Zehenkappe nach einer zweiten Strukturänderung, -
5 eine Prinzipdarstellung der Normprüfung Falltest, -
6 eine Prinzipdarstellung zur Normprüfung Drucktest, -
7 Simulationsergebnis Vergleichsspannung bei einem Falltest an der simulierten Zehenkappe gemäß2 , -
8 Ergebnis eines simulierten Drucktests an der simulierten Zehenkappe gemäß2 , -
9 eine weitere Ansicht des Ergebnisses des Drucktestes in Bezug auf die Verformung der simulierten Zehenkappe in Z-Richtung, -
10 ein erstes Beispiel einer strukturoptimierten Zehenkappe und -
11 ein zweites Beispiel einer strukturoptimierten Zehenkappe.
-
1 a schematic diagram of a closed master cap, -
2 a toe cap simulated using the finite element method corresponding to the master cap, -
3 the simulated toe cap according to2 after a first structural change, -
4 the simulated toe cap after a second structural change, -
5 a schematic diagram of the standard drop test, -
6 a schematic diagram of the standard pressure test, -
7 Simulation result equivalent stress in a drop test on the simulated toe cap according to2 , -
8th Result of a simulated pressure test on the simulated toe cap according to2 , -
9 another view of the result of the compression test in relation to the deformation of the simulated toe cap in Z-direction, -
10 a first example of a structurally optimized toe cap and -
11 a second example of a structurally optimized toe cap.
Anhand der Fig. soll die erfindungsgemäße Lehre zur Herstellung einer Zehenkappe erläutert werden, wobei im Ausführungsbeispiel nach der Finite-Elemente-Methode eine Zehenkappe simuliert wird, die in Bezug auf die Masse und/oder die Belüftung optimiert ist, um sodann unter Zugrundelegung der CAD-Daten der simulierten Kappe eine reale Zehenkappe herzustellen, die als Innenzehenkappe eingesetzt wird, wobei in Abhängigkeit davon, ob die Zehenkappe für Schutzschuhe oder für Sicherheitsschuhe eingesetzt wird, unterschiedliche Mindestresthöhen gemäß
Bei der Simulation entsprechender Kappen wird von einer Masterzehenkappe - auch Masterkappe genannt - gemäß
Von der Umfangswandung 12 kann ein innerer Rand ausgehen, der in einer Ebene liegt.An inner edge which lies in one plane can extend from the
Die Masterzehenkappe ist insbesondere eine computerunterstützte Konstruktion (CAD) einer realen Kappe, wobei die Materialkennwerte der realen Kappe berücksichtigt werden.The master toe cap is in particular a computer-aided design (CAD) of a real cap, taking into account the material properties of the real cap.
Von der Masterkappe 10 wird nach der Finite-Elemente-Methode eine Zehenkappe 16 simuliert, die in endlich viele Teilgebiete, also finite Elemente, unterteilt wird. Dabei erfolgt eine Unterteilung in dem Umfang, dass die simulierte Kappe 16 in Bezug auf eine charakteristische Kenngröße der Masterkappe 10 einen gleichen Wert aufweist. Die charakteristische Kenngröße der Masterkappe 10 entspricht dabei der charakteristischen Kenngröße einer realen Kappe. Insbesondere wird als charakteristische Kenngröße die Verformung der Kappe in Z-Richtung, also senkrecht zu der von dem von der Stirnwandung 12 ausgehenden nach innen gerichteten Rand aufgespannten Ebene. Diese Verformung in Z-Richtung darf nach der
Um die Zehenkappe 16 zu simulieren, wurden die Materialkennwerte der Masterkappe, also demzufolge einer realen Kappe, berücksichtigt. Beispielhaft wurden bei einer Verwendung von Werkzeugstahl 1.2709 die Zugfestigkeit mit 1280 MPa und die Streckgrenze mit 1080 MPa vorgegeben.In order to simulate the
Die den Wert der charakteristischen Kenngröße erfüllende simulierte Kappe 16 wurde sodann strukturverändert, wobei alternativ Volumenänderungen oder Flächenänderungen oder sowohl Volumenänderung als auch Flächenänderung als zu verändernde Parameter vorgegeben worden sind.The
Flächenänderung bedeutet dabei, dass in der simulierten Kappe 16 Aussparungen eingebracht wurden, wobei die Gesamtfläche der Aussparungen zu der Gesamtfläche der geschlossenen simulierten Kappe 16 ins Verhältnis gesetzt wurden. Bei dem Parameter Volumen wurde das Volumen der simulierten Kappe 16 zum Volumen der strukturgeänderten simulieren Zehenkappe in Verhältnis gesetzt.The change in area means that 16 recesses were made in the simulated cap, whereby the total area of the recesses was set in relation to the total area of the closed
Um nach Vornahme einer Strukturänderung festzustellen, ob diese den Anforderungen der Masterkappe zumindest in der Auslenkung in Z-Richtung, insbesondere auch in Bezug auf Spannungsverteilung und plastische Dehnung entsprechen, wurden entsprechende Rechnungen an der simulierten Kappe durchgeführt und mit realen Werten verglichen.In order to determine whether a structural change meets the requirements of the master cap at least in terms of deflection in the Z direction, especially with regard to stress distribution and plastic strain, corresponding calculations were carried out on the simulated cap and compared with real values.
Eine entsprechende strukturgeänderte simulierte Zehenkappe nach einer ersten Strukturänderung ist der
Um die gewünschten Kennwerte zu ermitteln, wurden Versuche simuliert. Der
Das Modell wies eine Grundplatte 22, eine Haltegabel 24, eine gerundete Platte 26 und den Fallkörper 20 auf. Zwischen der Haltegabel 24 und der gerundeten Platte 26 wurde auf der Grundplatte 22 die simulierte Zehenkappe 16 positioniert. Fallkörper 20, Grundplatte 22, Haltegabel 24 und gerundete Platte 26 waren starre Körper aus Stahl. Der Prüfkörper, also die simuliere Zehenkappe 18 bestand aus Werkzeugstahl 1.2709.The model had a
Unter Berücksichtigung dieser Parameter wurde der Falltest durchgeführt. In
Es wurden auch entsprechend DIN EN ISO 22568-1:2020-01 simulierte Drucktests an simulierten Zehenkappe durchgeführt. Der simulierte Aufbau des Drucktestes ist der
Ein Drucktestergebnis beispielhaft für die simulierte Kappe 28 bei einer Kraft von 15 kN ist der
In der
Bei einer Kraft von 15 kN, die zusätzlich zur Gravitationslast einwirkte, ergab sich eine maximale Verformung derart, dass die Mindestresthöhe in Z-Richtung, also in der senkrecht zu der Auflagefläche auf der unteren Platte 32, auf der der nach innen gerichtete Rand der der simulierten Prüfung zugrundeliegenden simulierten Zehenkappe 28 aufliegt, die Norm erfüllte.At a force of 15 kN, which acted in addition to the gravitational load, a maximum deformation was achieved such that the minimum residual height in the Z direction, i.e. in the direction perpendicular to the support surface on the
Ergibt sich nach der Finite-Elemente-Methode in Bezug auf die zu überprüfende charakteristische Kenngröße eine unzulässige Abweichung von dem vorgegebenen Wert unter Berücksichtigung von Vorgaben, insbesondere der Vorgabe nach der
Beispielhaft soll dies anhand der
Bei der ersten Strukturänderung, also in der Kappe 16, wurden Öffnungen in den Bereichen ausgebildet, bei denen im Falltest und im Drucktest auf die simulierte Zehenkappe 16 kein oder im Wesentlichen kein Kraftfluss ermittelt wurde. Strukturänderungen werden in einem Umfang vorgenommen, bis sich eine simulierte Zehenkappe ergibt, die den Anforderungen hinsichtlich der charakteristischen Kenngröße bzw. charakteristischen Kenngrößen genügt, die vorgegeben werden und von einer realen Kappe erfüllt werden müssen.During the first structural change, i.e. in the
Auf der Basis der entsprechenden simulierten Zehenkappe werden sodann Zehenkappen produziert, insbesondere im Druckgießverfahren, Metallspritzgießverfahren, Laminierverfahren bei Kappen aus Faserverbundmaterial oder in additiven Verfahren.Toe caps are then produced on the basis of the corresponding simulated toe cap, in particular using die casting, metal injection molding, lamination for caps made of fiber composite material or additive processes.
Als Material für Kappen ist Metall, vorzugsweise Stahl, insbesondere Werkzeugstahl zu nennen, wenngleich auch z.B. faserverstärkte Kunststoffe in Frage kommen können.The material used for caps is metal, preferably steel, especially tool steel, although fibre-reinforced plastics can also be used.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre ergibt sich, dass das Volumen einer erfindungsgemäß hergestellten Zehenkappe im Vergleich zu einer solchen mit geschlossener Oberfläche zwischen 5 % und 35 % reduziert werden kann, insbesondere im Bereich zwischen 20 und 30 %.Based on the teaching of the invention, it is found that the volume of a toe cap produced according to the invention is between between 5% and 35%, particularly in the range between 20% and 30%.
Alternativ oder ergänzend kann die Oberfläche der Kappe zwischen 20 % bis 60 %, insbesondere zwischen 40 % und 60 % verringert werden, d.h. eine Kappe mit vollständig geschlossener Oberfläche im Vergleich zu einer erfindungsgemäßen, die Aussparungen, wie Öffnungen, oder Bereiche geringer Wandstärke aufweist.Alternatively or additionally, the surface of the cap can be reduced between 20% and 60%, in particular between 40% and 60%, i.e. a cap with a completely closed surface compared to a cap according to the invention which has recesses, such as openings, or regions of low wall thickness.
Insbesondere sind auch Zehenkappe herstellbar, die aufgrund der Durchbrechungen eine gute Belüftung ermöglichen, also ein Wärmestau vermieden wird. Beispiele entsprechender Zehenkappen 40, 42 sind in den
In
Werden aufgrund von Durchgangsöffnungen vorrangig Volumenänderungen, also Massenänderungen erzielt, so können Reduzierungen auch dadurch erreicht werden, dass anstelle von oder ergänzend zu Durchgangsöffnungen in der Zehenkappe Vertiefungen ausgebildet werden, also Materialabtragungen erfolgen, wie dies auch anhand der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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