Voor schokbestendig ontwerpen is simulatie alleen niet voldoende

Veel producten zijn tegenwoordig een combinatie van elektronische, mechanische en optische elementen. Miniaturisatie maakt producten handzamer en draagbaar, maar de complexiteit neemt toe. Zo bevatten draagbare systemen veelal kwetsbare PCB’s en displays. Bovendien veroorzaakt draagbaarheid de behoefte aan een grotere robuustheid. Om aan de steeds hogere verwachtingen van de consument te kunnen voldoen, moeten draagbare producten extreem bestand zijn tegen vallen en stoten. Dat stelt nieuwe eisen aan het productontwerp.

Val-, schok-, en botstests worden al decennia gedaan. Echter, deze tests volgden lange tijd pas aan het eind van het ontwerpproces. Als in dat stadium blijkt dat het ontwerp niet voldoet, dan kunnen kosten en doorlooptijd flink oplopen. Gelukkig kan het ook anders. Het vakgebied shockproof design is in opkomst en kan – gebruikmakend van moderne technieken zoals computersimulatie – risico’s aanzienlijk reduceren. Ook in de machinebouw kan de aanpak helpen voorkomen dat onbedoelde botsingen van bewegende delen in de machine permanente schade veroorzaken.

Het vakgebied van schokbestendig ontwerpen is gebouwd op expertise en ervaring: materiaal, constructie en dynamica vormen een complex samenspel dat de uiteindelijke valbestendigheid van producten bepaalt. Ingenieurs werken aan het uitsluiten van risico’s en het voorkomen van hoge (her)ontwikkelkosten. Dus wil je het echt slim doen, dan haal je een shockproof design-expert in een vroeg stadium aan boord van het ontwerpteam.

Iteraties

De laatste jaren is de tooling voor schokbestendig ontwerpen enorm verbeterd. Dankzij de sterk toegenomen rekenkracht van computers en de beschikbaarheid van betrouwbare en robuuste software behoren computersimulaties tot de standaard instrumenten in de gereedschapskist. En dat heeft voordelen. Want via commercieel verkrijgbare expliciete finite element modelling-software (Fem) kunnen productontwerpen vanaf tekening (Cad) via computersimulaties uiteenlopende val-, schok-, en botstests ondergaan. Het resultaat is schokkend. Je ziet daadwerkelijk wat er aan en binnen de behuizing gebeurt. Plastische vervorming van het materiaal, scheuren, losschietende constructieve elementen zoals kunststofhaakjes en klikverbindingen, onderdelen die bewegen of botsen.

Dankzij de visualisatie levert computersimulatie vroeg in het designproces veel inzicht in de oorzaak van problemen en hoe deze te voorkomen. En niet alleen voor deskundigen. Fem-simulaties zijn eveneens een overtuigende methode om beslissers met een niet-technische achtergrond zoals industrieel ontwerpers en productmanagers te helpen betere beslissingen te nemen. Deze werkwijze bevordert bovendien een snelle time-to-market – een belangrijk voordeel in een hoogcompetitieve omgeving.

 advertorial 

Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems

5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!

Simulatie is een krachtig middel om een ontwerp te analyseren maar komt pas tot zijn recht in combinatie met kennis en ervaring op gebieden als dynamica, meettechnieken, productontwerp en materialen. Bij Philips Innovation Services hanteren we standaard drie iteraties: conceptanalyse, computersimulatie en tests. Iedere fase levert concrete adviezen op om het ontwerp te optimaliseren.

Massa-veersysteem

Voor de conceptanalyse gebruiken we het bij velen bekende FMEA-principe, oftewel failure mode and effect analysis. Dat betekent dat we met het ontwikkelteam speuren naar factoren die risico’s opleveren. Daarin betrekken we zowel specificaties (wat moet het product doen) als het conceptuele ontwerp. Zo kijken we bijvoorbeeld voor elke valrichting naar de weg die de krachten afleggen tussen de zware onderdelen en de grond. Met name waar deze krachten buiging veroorzaken, beginnen bij ons de alarmbellen te rinkelen. Iedereen weet instinctief dat de makkelijkste manier om een stok te breken is door hem te buigen. Buigkrachten vermijden is dus een belangrijke richtlijn.

Het is mogelijk om een indicatie te krijgen van de grootte van de krachten en spanningen door een product te beschouwen als een eenvoudig, ongedempt massa-veersysteem. In de grafiek zien we het verloop van de positie (x), snelheid (v) en versnelling (a) van dit systeem dat van een bepaalde hoogte (h) valt.

Omdat de snelheidsverandering voor en na de botsing gelijk is aan het oppervlak onder de versnellingspuls kunnen we het volgende formule voor maximumversnelling afleiden: â = π/t_puls⋅√2gh. Hier is t_puls de tijdsduur van de botsing. Uit metingen blijkt dat veel consumentenproducten een pulstijd hebben tussen 0,5 ms en 5 ms. Met behulp van deze formule kunnen we berekenen dat een product met een 2 ms pulstijd bij een val van 1,25 meter hoogte een maximumversnelling van bijna 8000 m/s² ondergaat. Als het product een gewicht heeft van vijfhonderd gram dan is de maximumkracht 4 kN. Een getal dat menig constructeur van kunststof producten zal doen huiveren.

Uit deze formule leiden we af dat de maximumversnelling (en maximale botskracht) evenredig is met √h. Dit is gunstig als de klant halverwege het project besluit dat de toegelaten valhoogte moet worden verdubbeld (het product hoeft maar veertig procent sterker te zijn). Het is echter vervelend als de specificatie niet realistisch blijkt te zijn en de valhoogte dus omlaag moet (de valhoogte halveren vereist nog steeds zeventig procent van de sterkte).

Pendulum

Nadat de conceptanalyse heeft aangetoond dat de valeisen in principe haalbaar zijn, kunnen we van een Cad-ontwerp een computersimulatie maken. Hier zijn de moderne (expliciete) rekenmethodes veel geschikter dan de traditionele (impliciete) methodes voor valsimulaties die gekenmerkt zijn door een korte tijdsduur, veel botsingen (zowel tussen interne onderdelen onderling als tussen het product en de grond) en sterk niet-lineaire materiaaleigenschappen.

Na conceptanalyse en simulatie, sluiten fysieke tests de lus. Hiervoor gebruiken we vaak een pendulum-opstelling. In plaats van het product op de grond te laten vallen, laten we hier de ‘grond’ (het gewicht aan het einde van de slinger) op het product ‘vallen’. Beide situaties leveren identieke krachten en versnellingen op. Gebruik van de pendulum maakt het echter mogelijk om de oriëntatie bij botsing nauwkeurig en reproduceerbaar in te stellen en maakt het meten van versnellingen of opnames met high-speed film veel eenvoudiger. Door versnellingen op de pendulum zelf te meten, is het ook mogelijk om pulstijd en botskracht eenvoudig te bepalen.

Waar we bij al onze klanten – binnen en buiten Philips – op hameren, is: betrek een shockproof design-specialist vroeg in het ontwikkelproces. Zo heb je de meeste ontwerpvrijheid en de gevolgen van wijzigingen zijn significant lager dan wanneer alle productietooling klaar is en de marktintroductie nadert. Schokbestendig ontwerpen kan ontwikkelaars enorm helpen om betere keuzes te maken, keuzes die valbestendigheid afzetten tegen gewicht, materiaalkosten en kosten voor onderdelen en constructieve oplossingen. Het levert uiteindelijk producten op die kwalitatief hoogwaardig en robuust zijn en die tot stand zijn gekomen tegen minimaal risico en minimale kosten.

Dave Corben werkt bij Philips Innovation Services. Hij was voor het eerst betrokken bij het onderwerp schokbestendig design in de dagen dat de zware beeldbuizen van Philips-televisies en -monitoren voor veel problemen zorgden tijdens de valproef. Sindsdien werkte hij aan val- en schokproblematiek van onder meer MP3-spelers, harde schijven, röntgendetectoren en vele andere producten van binnen en buiten Philips. Momenteel verzorgt hij Shockproof Design samen met collega’s van Philips Research onder de vlag van Philips Group Innovation. Corben geeft in november een tweedaagse introductie over dit onderwerp bij The High Tech Institute.