EP4399990A2

EP4399990A2 - Zehenkappe sowie verfahren zur herstellung einer solchen

Info

Publication number: EP4399990A2
Application number: EP23206958.3A
Authority: EP
Inventors: Lukas Ehring
Original assignee: Engelbert Strauss & Co Kg GmbH
Current assignee: Strauss Ip & Co Kg GmbH
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2023-10-31
Publication date: 2024-07-17
Also published as: US20240138521A1; US12446661B2; EP4399990A3; DE102022128872B3; US20260026573A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Zehenkappe (10) und eine solche selbst. Die Zehenkappe weist zumindest eine bogenförmig verlaufende Stirnwandung (12) und von dieser ausgehende die Zehen oberseitig abdeckenden Abdeckwandung (14) auf, wobei die Abdeck- und die Stirnwandung eine Grundwandstärke G und von Abschnitten der Wandungen getrennte Bereiche eine Dicke D mit 0 ≤ D < W aufweisen, wobei die Differenz zwischen dem Volumen der Zehenkappe bei auf die Grundwandstärke W ausgefüllten Bereichen und dem Volumen der Zehenkappe mit den Bereichen geringerer Dicke zwischen 5 % und 35 % beträgt und/oder die Differenz zwischen der Fläche der Zehenkappe mit ausgefüllten Bereichen und der Außenfläche der Zehenkappe ohne die Bereiche zwischen 20 % und 60 % beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Zehenkappe sowie auf eine Zehenkappe.
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 EP 1 066 786 A1 zu verweisen, die aus Metall oder aus einem kohlenfaserverstärkten Kunststoff bestehen kann und eine Vielzahl von Löchern aufweist, die in der Größe und Anordnung variieren.
In der EP 2 286 686 A1 und der EP 2 298 112 A1 werden Zehenkappen beschrieben, die Öffnungen aufweisen, die durch eine Wabenstruktur gekennzeichnet sind. Andere Geometrien von Durchbrechungen in Form von z.B. Schlitzen oder Dreiecken sind der US 2008/0115387 A1 oder der US 2011/0185602 A1 zu entnehmen.
Entsprechende Zehenkappen können in Metallspritzgieß (MIM)-Verfahren hergestellt werden ( US 2011/0185602 A1 ). Im Spritzgießverfahren wird nach der WO 2014/007818 A1 eine Zehenkappe hergestellt, die innenseitig Verstärkungsstrukturen aufweist.
Die EP 3 257 391 A1 betrifft eine nichtmetallische Schutzkappe, die eine innere und eine äußere Platte aufweist, die durch Trennwände getrennt sind, um Zellen zu bilden, in die eine Elastomer oder ein thermoplastisches Material eingespritzt ist.
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 Zehenkappe aufweisender Schuh für den Nutzer nicht den gewünschten Comfort bieten kann. Auch ist häufig eine Belüftung im erforderlichen Umfang nicht gegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzkappe und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen 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.

Zur Lösung der Aufgabe wird im Wesentlichen vorgeschlagen ein

Verfahren zur Herstellung einer Zehenkappe, umfassend die Verfahrensschritte

1) Vorgeben einer Masterkappe, die zumindest eine festgelegte für eine herzustellende Zehenkappe charakteristische Kenngröße besitzt,
2) Simulation einer der Masterkappe entsprechenden 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.

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.
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.
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.
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.
Selbstverständlich wird durch die diesbezüglichen bevorzugten Nebenbedingungen die erfinderische Lehre nicht eingeschränkt.
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.
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.
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.
Auch die Materialkenngrößen stimmen überein.
Ist als Simulationsmethode insbesondere die Finite-Elemente-Methode zu nennen, so können selbstverständlich auch andere geeignete Simulationsmethoden eingesetzt werden.
Dabei erfolgt eine Simulation derart, dass zumindest eine die Masterkappe auszeichnende charakteristische Kenngröße, insbesondere die nach der DIN EN ISO 22568-1:2020-01 geforderte Mindestresthöhe bei Stoß- und Druckeinwirkung geprüft nach dieser Norm, bei der simulierten Kappe vom Wert gleich oder in etwa gleich ist, also innerhalb eines vorgegebenen Toleranz- oder Wertebereichs liegt. Die Mindestresthöhe ist diejenige, die senkrecht zur Auflagefläche unterhalb der Schutzkappe vorhanden ist, die bei einer metallischen Zehenkappe der Größe 8 für Schutzschuhe den Wert von 21 mm nicht unterschreiten darf (s. Ziff. 4. der DIN EN ISO 22568-1:2020-01).
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 der Masterkappe entspricht oder in etwa entspricht. In etwa bedeutet, dass vorgegebene Toleranzbereiche eingehalten werden müssen.
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.
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.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass von dem Anwender vorgegeben wird, in welchem Bereich Strukturänderungen vorgenommen werden bzw. unterbleiben sollen.
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.
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.
Die Änderung der 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.
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.
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.
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.
Insbesondere ist als die charakteristische Kenngröße die maximal zulässige Verformung der Kappe senkrecht zur Auflagefläche der Kappe, also die nach der DIN EN ISO 22568-1:2020-01 vorgegebene Mindestresthöhe zu wählen, die bei einer metallischen Zehenkappe der Größe 8 bei einem Typ A als Innenzehenkappe 21,0 mm beträgt.
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.
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.
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.
Z.B. sollten für eine simulierte Kappe, die einer realen Kappe der Größe 8 gemäß DIN EN ISO 22568-1:2020-01 entspricht, in den Bereichen, in denen eine Vergleichsspannung von mehr als 1000 MPa, insbesondere mehr als 1200 MPa herrscht, Änderungen in der Struktur nicht vorgenommen werden. In Bereichen unterhalb dieser Vergleichsspannungswerte können Aussparungen und/oder Vertiefungen, also Materialabtragungen, ohne dass Durchgangsöffnungen entstehen müssen, vorgenommen werden.
Die auf der Basis der virtuellen Kappe herzustellende Zehenkappe wird insbesondere durch Spritzgießen, insbesondere Metallspritzgießen, im Druckgießverfahren, im Laminierverfahren oder im additiven Verfahren hergestellt.
Als Fertigungsverfahren kommt auch das Umformen von Material, wie Tiefziehen von Metall in Frage.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, eine Bearbeitung oder Nachbearbeitung der Kappe mittels Laser, Wasserstrahlschneiden oder Fräsen vorzunehmen. Aussparungen können hergestellt oder nachbearbeitet werden. Gleiches gilt für Materialverdünnungen.
Das Material der Zehenkappe kann Metall, insbesondere Werkzeugstahl, Kunststoff, insbesondere faserverstärkter Kunststoff oder Aramide, sein.
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.
Grundwandstärke ist dabei die Wandstärke diejenige, in der die Wandung, also die der Abdeck- und der Stirnwandung, keine Bereiche der Dicke D aufweisen.
Die Bereiche selbst können Durchgangsöffnungen und/oder Vertiefungen in den Wandungen sein, ohne dass letztere die Wandungen vollständig durchsetzen.
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.
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.
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.
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.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Zehenkappe aus Metall, insbesondere Werkzeugstahl, Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff oder Aramiden, besteht.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Zehenkappe ein Spritzgusskörper, insbesondere Metallspritzgusskörper, ein Druckgusskörper, ein im Laminierverfahren oder ein im additiven Verfahren hergestellter Körper ist.
Dabei ist auch vorgesehen, dass Gruppen Bereiche geringerer Dichte, insbesondere Gruppen von Durchgangsöffnungen von einem gemeinsamen Rand umgeben sind, der angefast ist.
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.
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.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen

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.
Es zeigen:

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung einer geschlossenen Masterkappe,
Fig. 2: eine nach der Finite-Elemente-Methode simulierte Zehenkappe entsprechend der Masterkappe,
Fig. 3: die simulierte Zehenkappe gemäß Fig. 2 nach einer ersten Strukturänderung,
Fig. 4: die simulierte Zehenkappe nach einer zweiten Strukturänderung,
Fig. 5: eine Prinzipdarstellung der Normprüfung Falltest,
Fig. 6: eine Prinzipdarstellung zur Normprüfung Drucktest,
Fig. 7: Simulationsergebnis Vergleichsspannung bei einem Falltest an der simulierten Zehenkappe gemäß Fig. 2,
Fig. 8: Ergebnis eines simulierten Drucktests an der simulierten Zehenkappe gemäß Fig. 2,
Fig. 9: eine weitere Ansicht des Ergebnisses des Drucktestes in Bezug auf die Verformung der simulierten Zehenkappe in Z-Richtung,
Fig. 10: ein erstes Beispiel einer strukturoptimierten Zehenkappe und
Fig. 11: ein zweites Beispiel einer strukturoptimierten Zehenkappe.

Anhand der Fig. soll die erfindungsgemäße Lehre zur Herstellung einer Zehenkappe erläutert werden, wobei im Ausführungsbeispiel eine Zehenkappe nach der Finite-Elemente-Methode 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 DIN EN ISO 22568-1:2020-01 erreicht werden müssen.
Bei der Simulation entsprechender Kappen wird von einer Masterzehenkappe - auch Masterkappe genannt - gemäß Fig. 1 ausgegangen, bei der es sich um einen geschlossenen Körper handelt, d.h., dass die Oberfläche vollständig geschlossen und die Wandstärke W gleichbleibend dick ist, d.h., dass die Zehenkappe 10 sowohl in der gebogenen Stirnwandung 12 als auch in der die Zehen oberseitig abdeckenden Abdeckwandung 14 die Wandstärke gleich ist. Selbstverständlich kann die Masterkappe auch ein Körper sein, der bereits Durchbrechungen aufweist und/oder eine gleichbleibende Wandstärke nicht besitzt.
Vom Bodenbereich der Umfangswandung 12 kann ein innerer Rand ausgehen, ein nach innen abgewinkelter Rand, der in einer Ebene liegt.
Die Masterzehenkappe ist insbesondere eine computerunterstützte Konstruktion (CAD) einer realen Kappe, wobei die Materialkennwerte der realen Kappe berücksichtigt werden.
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 einer Ebene, die von dem unteren Rand der Stirnwandung 12 bzw. dem nach innen gerichteten Rand aufgespannt ist. Die Ebene verläuft somit parallel zu einer Fläche, auf der die Kappe mit ihrem Rand aufliegt.
Die Verformung in Z-Richtung darf nach der DIN EN ISO 22568-1:2020-01 z.B. bei einer metallischen Innenzehenkappe Typ A, die für Schutzschuhe bestimmte ist, bei einer Größe 8 nicht kleiner als 21 mm sein. Bei einer metallischen Zehenkappe für Sicherheitsschuhe liegt der Wert bei 25 mm. Entsprechende Zehenkappen werden unterhalb des Oberteils eines Schuhs eingesetzt.
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.
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.
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 in Verhältnis gesetzt wurden. Bei dem Parameter Volumen wurde das Volumen der simulierten Kappe 16 zum Volumen der strukturgeänderten simulieren Zehenkappe in Verhältnis gesetzt.
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.
Eine entsprechende strukturgeänderte simulierte Zehenkappe nach einer ersten Strukturänderung ist der Fig. 3 zu entnehmen und mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet.
Um die gewünschten Kennwerte zu ermitteln, wurden Versuche simuliert. Der Fig. 5 ist das Modell zu entnehmen, mit dem ein Falltest durchgeführt wurde, um Spannungsverteilung, plastische Dehnung und maximale Verformung zu ermitteln. Dabei wurde der Aufprall eines Fallkörpers mit einer Masse 20 kg aus einer Fallhöhe von 1 m auf die Kappe 18 simuliert.
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.
Unter Berücksichtigung dieser Parameter wurde der Falltest durchgeführt. In Fig. 7 ist das Ergebnis an einer strukturgeänderten Zehenkappe 28 dargestellt, wobei als Referenz für die berechnete Vergleichsspannung die Zugfestigkeit 1280 MPa und die Streckgrenze 1080 MPa berücksichtigt worden sind. Man erkennt die Bereiche unterschiedlicher Vergleichsspannungen, wobei die maximale Spannung oberhalb der Versagensgrenze lag.
Es wurden auch entsprechend DIN EN ISO 22568-1:2020-01 simulierte Drucktests an simulierten Zehenkappe durchgeführt. Der simulierte Aufbau des Drucktestes ist der Fig. 6 zu entnehmen. In dieser ist rein prinzipiell die zu prüfende simulierte Zehenkappe 16 dargestellt, die zwischen einer oberen Platte 30 und einer unteren Platte 32 positioniert wurde. Die untere Platte 32 bestand aus Stahl und wies einen Durchmesser von 150 mm und die obere Platte 30 einen Durchmesser von 141 mm auf. Das Material war gleichfalls Stahl. Das Material für die simulierte Zehenkappe 16 war Werkzeugstahl 1.2709. Beim Drucktest wurde eine Kraft bis maximal 15 kN bzw. 20 kN in 1 kN-Schritten eingeleitet.
Ein Drucktestergebnis beispielhaft für die simulierte Kappe 28 bei einer Kraft von 15 kN ist der Fig. 8 zu entnehmen, in der die Vergleichsspannung in der simulieren Zehenkappe 26 dargestellt ist.
In der Fig. 9 ist zusätzlich die Verformung in Z-Richtung an einer weiteren strukturgeänderten Zehenkappe 34 dargestellt, wobei in Bezug auf Zugfestigkeit und Streckgrenze die Kenngrößen des Werkzeugstahls 1.2709 berücksichtigt worden sind.
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.
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 DIN EN ISO 22568-1:2020-01, erfolgte eine weitere Strukturänderung, indem z.B. Öffnungen vergrößert oder verkleinert und/oder versetzt oder Dicke der Wandung in Bereichen geändert worden sind.
Beispielhaft soll dies anhand der Fig. 3 und 4 verdeutlicht werden. So erfüllte die simulierte Kappe 18 nicht die Anforderung bezüglich der vorgegebenen charakteristischen Kenngröße bzw. der vorgegebenen charakteristischen Kenngrößen, so dass eine Änderung der Struktur, also eine Strukturoptimierung durchgeführt wurde. Die Strukturänderung führte zu der simulierten Kappe 36. Man erkennt eine Änderung in der Anordnung der Durchbrechungen und insbesondere die geschlossene Fläche im Mittenbereich der Abdeckwandung 14. Diesbezügliche Änderungen erfolgten unter Berücksichtigung der sich aus der Simulation ergebenden Vergleichsspannungen. Dabei hat die Simulation ergeben, dass bei einer metallischen Zehenkappe der Größe 8 nach DIN EN ISO 22568-1:2020-01, in den Bereichen, in denen die Vergleichsspannung kleiner als 1200 MPa betrug, Aussparungen möglich sind, wohingegen in Bereichen über diesem Wert Aussparungen vermieden werden sollten.
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.
Auf der Basis der entsprechenden simulierten Zehenkappe werden sodann Zehenkappen produziert, insbesondere im Druckgießverfahren, Metallspritzgießverfahren, Laminierverfahren bei Kappen aus Faserverbundmaterial oder in additiven Verfahren.
Als Fertigungsverfahren kommt auch das Umformen von Material, wie Tiefziehen von Metall in Frage.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, eine Bearbeitung oder Nachbearbeitung der Kappe mittels Laser, Wasserstrahlschneiden oder Fräsen vorzunehmen. Aussparungen können hergestellt oder nachbearbeitet werden. Gleiches gilt für Materialverdünnungen.
Als Material für Kappen ist Metall, vorzugsweise Stahl, insbesondere Werkzeugstahl zu nennen, wenngleich auch z.B. faserverstärkte Kunststoffe in Frage kommen können.
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 %.
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.
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 Fig. 10 und 11 dargestellt. Diese verdeutlichen auch, dass die Art der Durchbrechungen dem Grunde nach beliebig gewählt werden kann. So sind die Durchbrechungen der Zehenkappe 40 durch Dreiecke gebildet, wobei Dreiecke zu Gruppen zusammengesetzt sind, die von einem gemeinsamen Rand umgeben sind, der zur Oberfläche hin geneigt verläuft. Somit sind Fasen vorhanden. Beispielhaft sei dies an den dreieckförmigen Durchbrechungen 44, 46 und den diese umgebenden gemeinsamen Rand 48 oder an den Durchbrechungen 50, 52, 54 und der gemeinsam umgebenden angefasten Umrandung 56 verdeutlicht.
In Fig. 11 sind die Durchbrechungen durch kreisrunde Öffnungen gebildet, von denen einige beispielhaft mit den Bezugszeichen 58, 60, 62 gekennzeichnet sind.
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 Fig. 10 verdeutlicht wird. So sind im Mittenbereich der Zehenkappe 40, und zwar in der Abdeckwandung 64 Vertiefungen 66, 68, 70 vorgesehen, die zu einer Volumen- und damit Massenreduzierung führen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Zehenkappe, umfassend die Verfahrensschritte
1) Vorgeben einer Masterkappe (10), die zumindest eine festgelegte für eine herzustellende Zehenkappe charakteristische Kenngröße besitzt,

2) Simulation einer der Masterkappe entsprechende virtuellen Kappe (16) 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 (28) 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 (28, 40, 42) mit der geänderten Struktur, für die die simulierte charakteristische Kenngröße innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs der ersten simulierten charakteristischen Kenngröße liegt.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt 2) die Finite-Elemente-Methode benutzt wird und dass vorzugsweise als die gemäß Schritt 1) vergebene Masterkappe ein geschlossener Körper verwendet wird, dessen Wandstärke W über den Körper gleichbleibend ist.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die virtuelle Kappe (16) derart in finite Elemente unterteilt wird, 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.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass als das zumindest eine vorgegebene Kriterium im Schritt 6) b) Anordnung und/oder Geometrie von einen oder mehreren Aussparungen in einem Bereich der virtuellen Kappe (16) ausgewählt wird, der oberhalb der abzudeckenden Zehen verläuft, wobei vorzugsweise bei der Änderung der Struktur gemäß Schritt 6) b) eine Vorgabe von einem Anwender vor der durchzuführenden Simulation erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Änderung der Struktur durch Änderung der Masse und/oder Oberfläche des virtuellen Kappe (16) durchgeführt wird, wobei insbesondere die Änderung der Struktur gemäß Schritt 6) durch zumindest eine Maßnahme erfolgt 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.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei dem Verfahrensschritt 4) Bereiche der virtuellen Kappe (16) entfernt und/oder in Bereichen Materialabtragungen erfolgen, wobei in den Bereichen ein Kraftfluss nicht oder nicht wesentlich auftritt oder im Vergleich zu anderen Bereichen geringer ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Berechnung der simulierten charakteristischen Kenngröße eine Simulation eines Drucktestes und/oder eines Falltestes durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als die charakteristische Kenngröße maximal zulässige Verformung der Kappe senkrecht (Z-Richtung) zur Auflagefläche (X-Y-Ebene) der Kappe gewählt wird, wobei insbesondere als charakteristische Kenngröße ergänzend oder alternativ zu der maximal zulässigen Verformung zumindest eine weitere Kenngröße, insbesondere eine Werkstoffkenngröße aus der Gruppe Zugfestigkeit, Streckgrenze, Gleichmaßdehnung, mechanische Spannung, Vergleichsspannung gewählt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass von der gemäß Schritt 3) berechneten virtuellen Kappe Vergleichsspannungen einzelner Bereiche berechnet werden und dass in Abhängigkeit der berechneten Werte der Vergleichsspannungen Änderungen der Struktur, insbesondere zumindest gemäß Schritt 6), erfolgen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Bereichen mit einer Vergleichsspannung von bis zu 90 % der in der simulierten Kappe auftretenden maximalen Vergleichsspannung Aussparungen und/oder Vertiefungen simuliert werden und/oder in Bereichen mit einer Vergleichsspannung von mehr als 90 % der in der simulierten Kappe (16) auftretenden maximalen Vergleichsspannung Änderungen in der Struktur unterbleiben, und/oder dass in Bereichen mit einer Vergleichsspannung zwischen 0 und 1200 MPa Aussparungen und/oder Vertiefungen simuliert werden, und/oder in Bereichen einer Vergleichsspannung ≥ 1200 MPa Änderungen in der Struktur unterbleiben, bezogen auf eine simulierte Kappe, die einer realen Kappe aus Metall der Größe 8 gemäß DIN EN ISO 22568-1:2020-01 entspricht.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zehenkappe durch Spritzgießen, insbesondere Metallspritzgießen, im Druckgießverfahren, Laminierverfahren oder im additiven Verfahren hergestellt wird oder durch Umformen, wie Tiefziehen, ein der Gestaltung der Zehenkappe entsprechender Körper geformt wird, wobei durch Laserstrahl, Wasserstrahlschneiden oder Fräsen Aussparungen hergestellt und/oder nachbearbeitet werden können, wobei insbesondere die Zehenkappe aus Metall, insbesondere Werkzeugstahl, Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, hergestellt wird.
Zehenkappe (40, 42), umfassend zumindest eine bogenförmig verlaufende Stirnwandung und von dieser ausgehende die Zehen oberseitig abdeckenden Abdeckwandung (64), 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 aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Differenz zwischen dem Volumen der Zehenkappe (40, 42) bei auf die Grundwandstärke W ausgefüllten Bereichen und dem Volumen der Zehenkappe mit den Bereichen geringerer Dicke zwischen 5 % und 35 % beträgt und/oder die Differenz zwischen der Fläche der Zehenkappe mit ausgefüllten Bereichen und der Außenfläche der Zehenkappe ohne die Bereiche zwischen 20 % und 60 % beträgt.
Zehenkappe nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Differenz bzgl. der Volumina zwischen 10 % und 30 %, vorzugsweise zwischen 20 % und 30 % und/oder die Differenz der Flächen zwischen 30 % und 60 %, insbesondere zwischen 40 % und 60 % liegt.
Zehenkappe nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bereiche Durchgangsöffnungen (44, 46, 50, 52, 54, 58, 60, 62) aufweisen oder solche sind, wobei insbesondere die Durchgangsöffnungen (44, 46, 50, 52, 54, 58, 60, 62) zu zumindest einer Oberfläche hin, insbesondere zu der Außenseite der Zehenkappe hin, geneigt verlaufende Randbegrenzungen (48) aufweisen, und/oder dass Gruppen von Bereichen geringerer Dichte, insbesondere Gruppen von Durchgangsöffnungen (44, 46, 50, 52, 54, 58, 60, 62) von einem gemeinsamen Rand (56) umgeben sind, der angefast ist.
Zehenkappe nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Bereichen der Zehenkappe (40, 42) mit einer Vergleichsspannung von bis zu 90 % Aussparungen (44, 46, 50, 52, 54, 58, 60, 62) und/oder Vertiefungen (66, 68, 70) und/oder in Bereichen der Zehenkappe mit einer Vergleichsspannung von mehr als 90 % geschlossene Flächen vorgesehen sind, und/oder dass die Zehenkappe (40, 42) 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.
Zehenkappe nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zehenkappe (40, 42) aus Metall, insbesondere Werkzeugstahl, Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff oder Aramiden, besteht und/oder dass die Zehenkappe ein Spritzgusskörper, insbesondere Metallspritzgusskörper, ein Druckgusskörper, ein im Laminierverfahren oder ein im additiven Verfahren oder ein durch Tiefziehen und Ausbildung von Aussparungen durch Laserstrahl, Wasserstrahlschneiden oder Fräsen hergestellter Körper ist.