Ein Vorfall in einer Hochgeschwindigkeits-Teppichproduktionslinie löste die Alarme der Arbeitssicherheit aus. Eine Nadel aus gehärtetem Stahl brach katastrophal und schleuderte ein Fragment in Richtung eines Bedieners. Zur Ermittlung der Grundursache wurde ein forensischer Arbeitsablauf angewandt, der 3D-Elektronenmikroskopie mit Finite-Elemente-Simulation kombinierte, um die Flugbahn des Fragments nachzubilden und zu validieren, ob die harmonische Vibration des Webstuhls die Bruchzähigkeit des Materials überschritten hatte.
Rekonstruktion des Bruchs mit ZEISS ZEN und Validierung in ANSYS 🔧
Die Analyse begann mit der Erfassung der Bruchfläche mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) unter Verwendung der Software ZEISS ZEN in ihrem 3D-Modul. Dieser Prozess erzeugte ein hochauflösendes topografisches Modell, das Ermüdungsstreifen und Spaltmarken offenbarte, was auf ein progressives Versagen hindeutet. Dieses digitale Modell diente als Eingabegeometrie für ANSYS Mechanical. Dort wurden die von den Sensoren des Webstuhls aufgezeichneten dynamischen Lasten angewendet, wodurch die Resonanzfrequenz des Systems modelliert wurde. Die Finite-Elemente-Simulation berechnete die Spannungsverteilung in der Nadel und bestätigte, dass die Amplitude der harmonischen Vibration eine zyklische Spannungsspitze erzeugte, die die Bruchzähigkeit des Stahls überschritt und den Riss an der Stelle der höchsten Spannungskonzentration initiierte.
Lehren aus der Flugbahn des Fragments und der Visualisierung des Versagens 🎯
Die 3D-Rekonstruktion bestimmte nicht nur die Ursache, sondern ermöglichte auch die Visualisierung der ballistischen Flugbahn des Fragments. Mit Maya wurde die Abfolge des Bruchs animiert, von der Rissausbreitung bis zum Ablösen des Metallstücks. Diese Visualisierung war entscheidend für die Validierung der ANSYS-Ergebnisse und für die Kommunikation des Risikos an die Konstruktionsingenieure. Der Fall zeigt, dass die Kombination aus hochpräziser 3D-Mikroskopie und Ermüdungssimulation unerlässlich ist, um katastrophale Ausfälle in Hochgeschwindigkeits-Textilmaschinen zu verhindern.
Ist es möglich, die Lebensdauer einer Webstuhlnadel, die harmonischer Vibration ausgesetzt ist, durch eine 3D-Finite-Elemente-Simulation vorherzusagen, unter Berücksichtigung der variablen Lasteinwirkung und der nichtlinearen Materialeigenschaften bei Ermüdung?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)