Fallsimulation

Fällt das eigene Handy auf den gefliesten Badezimmerboden und des Display zeigt das typische Spinnenmuster, weiß man sofort, von was hier die Rede ist. Dinge können aus Unachtsamkeit auf den Boden fallen, Umkippen oder in einem Päckchen beim Umladen geworfen werden und sollten danach möglichst keine Blessuren zeigen. So wird das Handy den Sturz auf den Badezimmerboden in seinem Verpackungskarton unbeschadet überstehen, in einer Kunststoffhülle halten sich oft die Blessuren in Grenzen. Aber auch die Lebensmittelindustrie steht vor ähnlichen Herausforderungen. 

Die früher üblichen Milchflaschen sind Kartonverpackungen gewichen, die normalerweise einen Sturz aus Höhe des Einkaufswagens schadlos überstehen. Von einer Glasflasche erwartet man dies nicht unbedingt. Als das unten stehende Flaschenvideo entstanden ist, konnten solche Effekte gerade rechnerisch beschrieben werden, das ist aber auch schon eine Zeit lang her. Daher müssten wir es mit einem H-Kennzeichen für "Historisch" versehen. Heute können wir Waschmaschinen, Geschirrspüler, Handys, Baulampen, Milchtüten, Joghurt-Becher, Behälter mit kritischen Flüssigkeiten mit oder ohne Verpackung dahingehend untersuchen, was mit den Geräten und oder der Verpackung passiert. Befindet sich im Geschirrspüler ein Teller, können wir auch hier bewerten, wie es diesem nach dem Sturz vom Stapler gehen würde. Immer stellt sich bei einer Fallsimulation die Frage, geht das Bauteil kaputt oder ist es nur beschädigt, geht die Verpackung kaputt, ist die Verpackung also ausreichend oder lässt sich vielleicht sogar beim Verpackungsmaterial noch etwas einsparen? So werden z.B. pro Tag in einem von uns nicht allzu fernen Werk 10.000 Geschirrspüler gebaut und es macht einen Unterschied, ob pro Verpackung 1 € an Styropor eingespart werden kann, oder nicht. 

Fällt eine Taschenuhr auf den gefliesten Badezimmerboden, hat sie nur noch Schrottwert, fällt sie auf ein Kissen, passiert ihr nichts. Es ist alles nur eine Frage der Beschleunigung bzw. der Masse und des Federwegs. Die Verpackung übernimmt die Funktion des Kissens und reduziert die sonst auf das Gerät wirkende Beschleunigung auf einen geringen Bruchteil. Um eine Vorstellung davon zu bekommen: Beim Fall eines harten Gegenstandes aus 2 m Höhe auf einen harten Boden wirken Beschleunigungen von bis zu 10.000 m²/s oder der tausendfachen Erdbeschleunigung. Zwar nur kurzzeitig, aber ausreichend genug, um viel zu zerstören. 

Eine Eigenschaft von Werkstoffen hilft jedoch dabei: wird ein Material sehr schnell gedehnt, so hat es eine scheinbar höhere Festigkeit, als wenn man sehr langsam daran zieht. Man spricht hier von der sogenannten Dehnratenabhängigkeit. Wir sprechen aber hier größenordnungsmäßig bei den typischen Anwendungen bestenfalls um den Faktor 2. Wie sich ein Werkstoff bei kurzzeitiger Belastung verhält, muss in Versuchen anhand von Proben ermittelt werden. Kennt man das dehnratenabhängige Verhalten, kann man dies in der Simulation mit berücksichtigen. Eine Glasflasche, die rechnerisch bei einer Fallhöhe von 0,80 m kaputtgehen würde, birst bei Berücksichtigung der Dehnrate erst bei einer Fallhöhe von 1,20. Bei der Verpackung kann das Verhalten des Verpackungsmaterials, bestehend aus Karton, Folie und Styropor genauso berücksichtigt werden, wir das oder die verpackten Bauteile selbst. Oft müssen Fallszenarien aber nachgewiesen werden, bei der es keine schützende Hülle gibt. Auch dürfen sich Clipverbindungen z.B. bei den früheren Handys nicht lösen. Einer unserer Kunden stellt Kunststoffventile für die Automobilindustrie her, die nur wenige Gramm wiegen. Im Lastenheft steht, dass ein Sturz aus 2 m Höhe ohne Schaden oder gar Beeinträchtigung der Funktion von dem Ventil ausgehalten werden müssen, damit bei der Montage auch mal was daneben gehen kann, ohne dass das Ventil gleich Schritt ist. 

Rechnerisch sind Falluntersuchungen transiente Untersuchungen, die meistens mit expliziten Verfahren und Softwarepaketen wie ABAQUS oder LS-DYNA gelöst werden. Im Rechenmodell sind Versagenskriterien hinterlegt, bei denen es zu plastischen Deformationen oder der Überschreitung der Bruchgrenze kommt. 

Mit Hilfe eines Drop-Tests können Produkte schon in der Entwurfsphase auf die notwendigen Anforderungen betreffend verschiedener Fall- oder Sturzszenarien untersucht werden. Hierbei können frühzeitig eventuelle Schwachstellen erkannt werden. 

Zusammenfassend: 

• Gebrauchsgegenstände müssen nach einem vordefinierten Sturz funktionsfähig sein 
• Verpackungen müssen ihren Inhalt bei vordefinierten Stürzen schützen 
• Behälter müssen so ausgelegt sein, dass nach einem Sturz die Flüssigkeit oder das Gas nicht austreten kann 
• Clipverbindungen dürfen sich nicht lösen 

Im nachfolgenden Praxis-Beispiel wurde der Drop-Test mit einem flüssigen Inhalt einer Flasche kombiniert (CEL). Wird in der Simulation ein Element zu 100% geschädigt, wird es gelöscht und hat auf die weitere FEM-Berechnung keinen Einfluss mehr. 

Baulampen müssen den Sturz von einer Bockleiter aus 2 m Höhe schadlos überstehen. Es darf zu keiner Lösung der Clipverbindungen kommen. 

Schweißgeräte müssen Stürze aus geringer Höhe überstehen. 

Geschirrspüler müssen einen Sturz aus 60 cm Höhe vom Gabelstapler in der Verpackung überstehen, ohne das die Funktion beeinträchtigt ist oder sichtbare Schäden vorhanden sind. 

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