EP4399990A2

EP4399990A2 - Toe cap and method for producing same

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: US12446661B2; DE102022128872B3; EP4399990A3; US20260026573A1; US20240138521A1

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.The invention relates to a method for producing a toe cap (10) and to such a toe cap itself. The toe cap has at least one curved end wall (12) and a cover wall (14) extending from this and covering the top of the toes, the cover and end walls having a base wall thickness G and areas separated from sections of the walls having a thickness D with 0 ≤ D < W, the difference between the volume of the toe cap with areas filled to the base wall thickness W and the volume of the toe cap with the areas of lesser thickness being between 5% and 35% 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 being between 20% and 60%.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Zehenkappe sowie auf eine Zehenkappe.The invention relates to a method for producing a toe cap and 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 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.Toe caps, also known as toe protection caps, are available in a variety of versions and are mainly made of metal. An example is a toe cap in the EP 1 066 786 A1 which can be made of metal or carbon fiber reinforced plastic and has a large number of holes that vary in size and arrangement.

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.In the EP 2 286 686 A1 and the EP 2 298 112 A1 Toe caps are described that have openings that are characterized by a honeycomb structure. Other geometries of openings in the form of e.g. slots or triangles are the US 2008/0115387 A1 or the US 2011/0185602 A1 refer to.

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.Corresponding toe caps can be manufactured using metal injection molding (MIM) processes ( US 2011/0185602 A1 In the injection molding process, after the WO 2014/007818 A1 a toe cap is produced which has reinforcement structures on the inside.

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.The EP 3 257 391 A1 relates to a non-metallic protective cap comprising an inner and an outer plate separated by partitions to form cells into which an elastomer or thermoplastic material is injected.

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.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 toe 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 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.The present invention is based on the object of providing a protective cap and a method for producing such a 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.

To solve the problem, it is essentially proposed to

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.

Method for producing a toe cap, comprising the steps

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 preferably available on the basis of whose data the simulation is carried out, a real cap can of course also be used, from 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.

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 parameters 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 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).A simulation is carried out in such a way that at least one characteristic parameter characterizing the master cap, in particular the minimum residual height required by DIN EN ISO 22568-1:2020-01 when subjected to impact and pressure tested according to this standard, is the same or approximately the same in the simulated cap, i.e. is within a specified tolerance or value range. The minimum residual height is the height that is perpendicular to the contact surface below the protective cap, which must not be less than 21 mm for a metal toe cap of size 8 for protective shoes (see section 4 of 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.The simulated cap is divided into sub-areas, i.e. in the case of the finite element method into the finite elements, to such an extent that the corresponding simulated characteristic parameter corresponds to the value of the characteristic parameter of the master cap. corresponds or corresponds approximately. 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 with regard to, for example, weight or ventilation, 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.However, if the topology of a virtual cap already meets the value of the characteristic parameter, it is also possible to make a further change to the structure, e.g. if areas of the virtual cap have perforations that could lead to excessive stress on the toes, especially in the area of the wall of the toe cap that runs directly above the toes.

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.The user specifies the desired changes in order to then change the remaining topology of the virtual cap through simulation in such a way that the desired structure is achieved while at the same time fulfilling the characteristic parameters.

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.The structure is changed 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 carried out 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 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.In particular, the maximum permissible deformation of the cap perpendicular to the contact surface of the cap, i.e. the minimum residual height specified in DIN EN ISO 22568-1:2020-01, which is 21.0 mm for a metal toe cap of size 8 with a type A as an inner toe cap, is to be selected as the characteristic parameter.

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 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.For example, for a simulated cap that corresponds to a real cap of size 8 according to DIN EN ISO 22568-1:2020-01, changes in the structure should not be made in areas where there is an equivalent stress of more than 1000 MPa, especially more than 1200 MPa. In areas below these equivalent stress values, recesses and/or depressions, i.e. material removal, can be made without the need to create through openings.

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.

Als Fertigungsverfahren kommt auch das Umformen von Material, wie Tiefziehen von Metall in Frage.Another possible manufacturing process is the forming of materials, such as deep drawing of metal.

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.It is also possible to process or rework the cap using a laser, water jet cutting or milling. Recesses can be made or reworked. The same applies to material thinning.

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.

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 ist dabei die Wandstärke diejenige, in der die Wandung, also die der Abdeck- und der Stirnwandung, keine Bereiche der Dicke D aufweisen.The basic wall thickness is the wall thickness in which the wall, i.e. the cover wall and the front wall, does 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 front wall and a cover wall extending from this and covering the toes on the top, wherein the cover and front walls have a base wall thickness W and areas 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 areas filled to the base wall thickness W is reduced by 5% and 35% to the volume of the toe cap with the areas of lesser thickness and/or the area of the toe cap with filled areas is reduced by 20% and 60% to the outer surface of the toe cap without the areas, and that in areas of the toe cap with a comparative stress of up to 90 % of the maximum comparative stress, recesses and/or depressions are provided and/or in areas of the toe cap with a comparative stress of more than 90 % of the maximum comparative stress, closed surfaces are provided.

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.

Further developments of the invention also emerge from the dependent claims

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:

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.

Show it:

Fig.1: a schematic diagram of a closed master cap,
Fig.2: a toe cap simulated using the finite element method corresponding to the master cap,
Fig.3: the simulated toe cap according to Fig.2 after a first structural change,
Fig.4: the simulated toe cap after a second structural change,
Fig.5: a schematic diagram of the standard drop test,
Fig.6: a schematic diagram of the standard pressure test,
Fig.7: Simulation result equivalent stress in a drop test on the simulated toe cap according to Fig.2 ,
Fig.8: Result of a simulated pressure test on the simulated toe cap according to Fig.2 ,
Fig.9: another view of the result of the compression test in relation to the deformation of the simulated toe cap in Z-direction,
Fig.10: a first example of a structurally optimized toe cap and
Fig. 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 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.The teaching according to the invention for producing a toe cap is to be explained with the aid of the figures, wherein in the exemplary embodiment a toe cap is simulated according to the finite element method, which is optimized in terms of mass and/or ventilation, in order to then produce a real toe cap based on the CAD data of the simulated cap, which is used as an inner toe cap, whereby depending on whether the toe cap is used for protective shoes or for safety shoes, different minimum residual heights must be achieved in accordance with DIN EN ISO 22568-1:2020-01.

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.When simulating corresponding caps, a master toe cap - also called master cap - is used according to Fig.1 which is a closed body, ie that the surface is completely closed and the wall thickness W is of constant thickness, ie that the toe cap 10 in both the curved front wall 12 and in the cover wall 14 covering the toes on the top side, wall thickness is the same. Of course, the master cap can also be a body that already has openings and/or does not have a consistent wall thickness.

Vom Bodenbereich der Umfangswandung 12 kann ein innerer Rand ausgehen, ein nach innen abgewinkelter Rand, der in einer Ebene liegt.An inner edge can extend from the bottom region of the peripheral wall 12, an inwardly angled edge which lies in one plane.

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 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.A toe cap 16 is simulated from the master cap 10 using the finite element method, which is divided into a finite number of sub-areas, i.e. finite elements. The division is made to such an extent that the simulated cap 16 has the same value in relation to a characteristic parameter of the master cap 10. The characteristic parameter of the master cap 10 corresponds to the characteristic parameter of a real cap. In particular, the characteristic parameter is the deformation of the cap in the Z direction, i.e. perpendicular to a plane that is spanned by the lower edge of the front wall 12 or the inward-facing edge. The plane thus runs parallel to a surface on which the cap rests with its edge.

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.According to DIN EN ISO 22568-1:2020-01, the deformation in the Z direction must not be less than 21 mm for a size 8, e.g. for a metal inner toe cap type A intended for protective shoes. For a metal toe cap for safety shoes, the value is 25 mm. Corresponding toe caps are used below the upper part of a shoe.

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 toe cap 16, the material properties of the master cap, i.e. a real cap, were taken into account. For example, when using tool steel 1.2709, the tensile strength was specified as 1280 MPa and the yield strength as 1080 MPa.

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 simulated cap 16, which fulfilled the value of the characteristic parameter, was then structurally modified, whereby alternatively volume changes or area changes or both volume changes and area changes were specified as parameters to be changed.

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.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 simulated cap 16. For the volume parameter, the volume of the simulated cap 16 was set in relation to the volume of the structurally modified simulated toe cap.

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 Fig. 3 zu entnehmen und mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet.A corresponding structurally modified simulated toe cap after a first structural change is the Fig.3 and is marked with the reference number 18.

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.In order to determine the desired parameters, tests were simulated. The Fig.5 The model used to carry out a drop test to determine stress distribution, plastic strain and maximum deformation can be seen. The impact of a falling body with a mass of 20 kg from a height of 1 m onto the cap 18 was simulated.

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 base plate 22, a holding fork 24, a rounded plate 26 and the falling body 20. The simulated toe cap 16 was positioned on the base plate 22 between the holding fork 24 and the rounded plate 26. The falling body 20, base plate 22, holding fork 24 and rounded plate 26 were rigid bodies made of steel. The test body, i.e. the simulated toe cap 18, was made of tool steel 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.The drop test was carried out taking these parameters into account. In Fig.7 The result is shown for a structurally modified toe cap 28, whereby the tensile strength of 1280 MPa and the yield strength of 1080 MPa were taken into account as reference for the calculated equivalent stress. The areas of different equivalent stresses can be seen, with the maximum stress being above the failure limit.

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.Simulated pressure tests were also carried out on simulated toe caps in accordance with DIN EN ISO 22568-1:2020-01. The simulated pressure test setup is the Fig.6 This shows the simulated toe cap 16 to be tested in principle, which was positioned between an upper plate 30 and a lower plate 32. The lower plate 32 was made of steel and had a diameter of 150 mm and the upper plate 30 had a diameter of 141 mm. The material was also steel. The material for the simulated toe cap 16 was tool steel 1.2709. During the pressure test, a force of up to a maximum of 15 kN or 20 kN was applied in 1 kN increments.

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.A pressure test result for the simulated cap 28 at a force of 15 kN is the Fig.8 which shows the equivalent stress in the simulated toe cap 26.

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.In the Fig.9 In addition, the deformation in the Z direction is shown on another structurally modified toe cap 34, whereby the parameters of the tool steel 1.2709 have been taken into account with regard to tensile strength and yield strength.

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 lower plate 32 on which the inward-facing edge of the simulated toe cap 28 on which the simulated test is based rests, met the standard.

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.If the finite element method shows an inadmissible deviation from the specified value with regard to the characteristic parameter to be checked, taking into account specifications, in particular the specification according to DIN EN ISO 22568-1:2020-01, a further structural change was made, e.g. by enlarging or reducing and/or relocating openings or changing the thickness of the wall in some areas.

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.This will be illustrated by the Fig. 3 and 4 be clarified. The simulated cap 18 did not meet the requirements regarding the specified characteristic parameter or the specified characteristic parameters, so that a change in the structure, i.e. a structure optimization, was carried out. The structural change led to the simulated cap 36. One can see a change in the arrangement of the openings and in particular the closed area in the middle area of the cover wall 14. Changes in this regard were made taking into account the comparative stresses resulting from the simulation. The simulation showed that for a metal toe cap of size 8 according to DIN EN ISO 22568-1:2020-01, recesses are possible in the areas where the comparative stress was less than 1200 MPa, whereas recesses should be avoided in areas above this value.

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.In the first structural change, i.e. in the cap 16, openings were formed in the areas where no or essentially no force flow was determined in the drop test and the pressure test on the simulated toe cap 16.

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.Structural changes are made to an extent until a simulated toe cap is obtained that satisfies the requirements with regard to the characteristic parameter(s) that are specified and must be fulfilled by a real cap.

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 lower than that of a toe cap with closed surface can be reduced between 5% and 35%, especially 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 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 particular, toe caps can be produced which allow good ventilation due to the openings, thus preventing heat build-up. Examples of corresponding toe caps 40, 42 are shown in the Fig.10 and 11 These also illustrate that the type of openings can basically be chosen arbitrarily. For example, the openings in the toe cap 40 are formed by triangles, with triangles being put together in groups that are surrounded by a common edge that slopes towards the surface. Thus, bevels are present. This is illustrated by the triangular openings 44, 46 and the common edge 48 surrounding them or by the openings 50, 52, 54 and the beveled border 56 that surrounds them.

In Fig. 11 sind die Durchbrechungen durch kreisrunde Öffnungen gebildet, von denen einige beispielhaft mit den Bezugszeichen 58, 60, 62 gekennzeichnet sind.In Fig. 11 The perforations are formed by circular openings, some of which are identified by the reference numerals 58, 60, 62.

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.If volume changes, i.e. mass changes, are primarily achieved due to through-holes, reductions can also be achieved by forming recesses in the toe cap instead of or in addition to through-holes, i.e. by removing material, as can also be seen from the Fig.10 Thus, in the middle area of the toe cap 40, namely in the cover wall 64, recesses 66, 68, 70 are provided, which lead to a reduction in volume and thus mass.

Claims

Method for producing a toe cap, comprising the steps 1) specifying a master cap (10) which has at least one fixed characteristic parameter for a toe cap to be produced,

2) simulation of a virtual cap (16) corresponding to the master cap according to a simulation method,

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 (28) 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) producing the toe cap on the basis of the virtual cap (28, 40, 42) with the modified structure for which the simulated characteristic parameter lies within the predetermined value range of the first simulated characteristic parameter.

Method according to claim 1,
characterized,
that in step 2) the finite element method is used and that preferably a closed body is used as the master cap assigned according to step 1), the wall thickness W of which is constant over the body.

Method according to claim 2,
characterized,
that the virtual cap (16) is divided into finite elements such that the value of a first simulated characteristic parameter corresponding to the specified characteristic parameter corresponds to that of the specified characteristic parameter of the master cap or lies within a predetermined tolerance range thereof.

Method according to claim 1,
characterized,
that as the at least one predetermined criterion in step 6) b) the arrangement and/or geometry of one or more recesses in a region of the virtual cap (16) which runs above the toes to be covered is selected, wherein when changing the structure according to step 6) b) a specification is preferably made by a user before the simulation to be carried out.

Method according to at least one of claims 1 to 4,
characterized,
that the change in the structure is carried out by changing the mass and/or surface of the virtual cap (16), wherein in particular the change in the structure according to step 6) is carried out 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 regions in the virtual cap delimiting through openings or depressions.

Method according to claim 1,
characterized,
that in method step 4) areas of the virtual cap (16) are removed and/or material is removed in areas, wherein in the areas a force flow does not occur or does not occur significantly or is lower in comparison to other areas.

Method according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that a simulation of a pressure test and/or a drop test is carried out to calculate the simulated characteristic parameter.

Method according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the maximum permissible deformation of the cap perpendicular (Z direction) to the support surface (XY plane) of the cap is selected as the characteristic parameter, wherein in particular at least one further parameter, in particular a material parameter from the group of tensile strength, yield strength, uniform elongation, mechanical stress, comparative stress, is selected as the characteristic parameter in addition to or as an alternative to the maximum permissible deformation.

Method according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that comparative stresses of individual regions are calculated from the virtual cap calculated in accordance with step 3) and that changes to the structure are made depending on the calculated values of the comparative stresses, in particular at least in accordance with step 6).

Method according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that recesses and/or depressions are simulated in areas with a reference stress of up to 90 % of the maximum reference stress occurring in the simulated cap and/or in areas with a reference stress of more than 90 % of the maximum reference stress occurring in the simulated cap (16) occurring maximum equivalent stress, and/or that recesses and/or depressions are simulated in areas with an equivalent stress between 0 and 1200 MPa, and/or that changes in the structure are avoided in areas with an equivalent stress ≥ 1200 MPa, based on a simulated cap that corresponds to a real metal cap of size 8 according to DIN EN ISO 22568-1:2020-01.

Method according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the toe cap is produced by injection molding, in particular metal injection molding, by die casting, laminating or by additive processing, or that a body corresponding to the design of the toe cap is formed by forming, such as deep drawing, wherein recesses can be produced and/or reworked by laser beam, water jet cutting or milling, wherein in particular the toe cap is made of metal, in particular tool steel, plastic, in particular fiber-reinforced plastic.

Toe cap (40, 42) comprising at least one curved front wall and a cover wall (64) extending from the latter and covering the toes on the upper side, the cover wall and the front wall 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,
characterized,
that the difference between the volume of the toe cap (40, 42) with areas filled to the base wall thickness W and the volume of the toe cap with the areas of lesser thickness is between 5% and 35% 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 between 20% and 60%.

Toe cap according to claim 12,
characterized,
that the difference in volumes is between 10% and 30%, preferably between 20% and 30% and/or the difference in areas is between 30% and 60%, in particular between 40% and 60%.

Toe cap according to claim 12 or 13,
characterized,
that the regions have or are through-openings (44, 46, 50, 52, 54, 58, 60, 62), wherein in particular the through-openings (44, 46, 50, 52, 54, 58, 60, 62) have edge boundaries (48) which are inclined towards at least one surface, in particular towards the outside of the toe cap, and/or that groups of regions of lower density, in particular groups of through-openings (44, 46, 50, 52, 54, 58, 60, 62) are surrounded by a common edge (56) which is chamfered.

Toe cap according to at least one of claims 12 to 14,
characterized,
that in areas of the toe cap (40, 42) with a comparative stress of up to 90%, recesses (44, 46, 50, 52, 54, 58, 60, 62) and/or depressions (66, 68, 70) are provided and/or in areas of the toe cap with a comparative stress of more than 90%, closed surfaces are provided, and/or that the toe cap (40, 42) has areas of smaller thickness in regions of a comparative stress between 0 and 1200 MPa and/or has the basic 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.

Toe cap according to at least one of claims 12 to 15,
characterized,
that the toe cap (40, 42) consists of metal, in particular tool steel, plastic, in particular fiber-reinforced plastic or aramids, and/or that 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 an additive process or a body produced by deep drawing and formation of recesses by laser beam, water jet cutting or milling.