EFD.Lab bei Grohe

Dazu gehören unter anderem die neuen Grohtherm-Thermostate, die ab Herbst 2005 in neuen Badarmaturen verfügbar sein werden. Damit das Wasser in den neuen Thermostatarmaturen jederzeit in der gewünschten Menge und der gewählten Temperatur zuverlässig fließt, wurden bei Grohe schon in der Vorentwicklung leistungsfähige Software-Lösungen wie das Strömungs- simulations-System EFD.Lab der NIKA GmbH eingesetzt. Mit einem Projekt zur virtuellen Produktentwicklung wurde vor rund fünf Jahren bei Grohe eine weitere Optimierung der Prozesse innerhalb des gesamten Entwicklungs- und Konstruktionsbereiches gestartet,

nachdem mit Solid Edge und Unigraphics leistungsfähige 3D-Systeme für die CAD-Modellierung zur Verfügung standen. Ziele des neuen Projektes waren unter anderem die Erhöhung des Know-how in der Entwicklung sowie eine Reduzierung der Kosten für die gesamte Produktentwicklung. Dabei bildeten Strukturanalysen (FEM), Strömungssimulationen (CFD) und der Einsatz von Rapid-Prototyping-Teilen die Hauptsäulen der Optimierung. “Vor etwa zehn Jahren waren Computersysteme für die Strömungssimulationen für uns noch unerschwinglich und auch die externe Vergabe von Berechnungen war sehr kostspielig, so dass wir diese Möglichkeiten kaum nutzten konnten”, Mit Hilfe der Strömungsspezialisten und der Software EFD.Lab ist bei Grohe die komplett neue Thermostatgeneration Grohtherm entstanden. Bild: Grohe

berichtet Kai Huck, der bei Grohe im westfälischen Menden die Strömungsanalyse betreut. Im Rahmen des Projektes “Virtuelle Produktentwicklung” wurden im Jahre 2001 die am Markt verfügbaren CFD-Systeme begutachtet und die Anbieter erhielten als Benchmark jeweils die gleiche Berechnungsaufgabe. “Letztendlich fiel uns die Auswahl nicht schwer”, erklärt Kai Huck, “denn die NIKA-Software war auch aufgrund der einfachen Handhabung und Erlernbarkeit für die Grohe-Anforderungen am besten geeignet. Uns war von vornherein klar, dass wir keine eigene Vollzeit-Berechnungsgruppe bilden wollten, sondern der jeweilige Mitarbeiter sollte rund 30 bis 50 Prozent seiner Entwicklungstätigkeit mit der CFD-Lösung arbeiten.”

Der Erfahrungsaustausch zwischen den Anwendern erleichtert den Einstieg Bei anderen Lösungen, die zur Auswahl standen, gestaltete sich die Netzgenerierung und Programmbeherrschung viel aufwendiger, so dass mit nicht vorhersehbaren zeitlichen Verzögerungen zu rechnen gewesen wäre. Für alle Neueinsteiger in die Strömungssimulation sieht Kai Huck die Auswertung der Ergebnisse als größte Herausforderung. “Diesbezüglich haben mein Kollege Stefan Steinhoff und ich Schritt für Schritt laufen gelernt und in der Anfangsphase die Simulationsergebnisse immer wieder mit realen Testergebnissen von Prototypen oder Serienprodukten verglichen”, betont er. “Aus diesem Grunde wurden von Anfang an zwei CFD-Arbeitsplätze installiert, so dass immer ein Austausch zwischen den Anwendern erfolgen konnte. Mit den vielen Fragen, die während der täglichen Simulation auftauchten, hätten wir sonst das Support-Team von NIKA, das eine sehr gute Arbeit leistet, heillos überlastet.” Bezüglich der Durchführung von Strömungssimulationen werden bei Grohe zwei unter- schiedliche Wege beschritten. Beim ersten erhalten die Berechnungsspezialisten komplette Produkte, das heißt Baugruppen aus der Konstruktion, die dann eingelesen, für die Berechnung aufbereitet und anschließend analysiert werden. Diese Vorgehen gilt aber nicht nur für die Produktentwicklung, sondern beispielsweise auch für die Werkzeugkonstruktion von Gussteilen,

um Strömungsanalysen im Gusskern durchzuführen. Als Austauschplattform dient jeweils der Parasolid-Kern von UGS, denn EFD.Lab, die CFD-Lösung von NIKA, hat als Geometriemodellierer die CAD-Software von SolidWorks integriert und sowohl SolidWorks als auch Solid Edge und Unigraphics basieren auf dem Parasolid-Kern. Beim zweiten Weg, der mindestens genauso oft wie der erste beschritten wird, beginnt die Berechnungsabteilung selbst mit der Geometrieerzeugung für Konzeptstudien, mit denen dann Strömungsuntersuchungen durchgeführt werden, um die Geometrie entsprechend der erzielten Ergebnisse zu optimieren. Die so erzeugten Konturen der Konzept- Studien werden anschließend an die Konstruktionsabteilung übergeben und dort in das CAD-Produktmodell innerhalb von Solid Edge integriert. Bei diesem Funktionsmuster eines Einhebel- mischers wurde das Geräuschverhalten mit EFD.Lab optimiert. Bild: Grohe

Gesamtes Grundprinzip der Strömung wurde ermittelt Im Thermostatbereich wurde von den Strömungsspezialisten bei Grohe zunächst das bestehende Gesamtsystem analysiert, um dann die daraus gewonnenen Erkenntnisse in die Neuentwicklung mit einzubringen. Auf diese Weise ist die komplett neue Thermostatgeneration Grohtherm entstanden, die in diesem Jahr auf den Markt kommt. Herzstück der neuen Thermostatgeneration ist die Thermostatkartusche, eine komplette Neuentwicklung, wobei mit EFD.Lab im vorhinein das gesamte Grundprinzip der Strömung ermittelt wurde. “Oft sind nur wenige Konturen notwendig, um zu berechnen, ob die getroffenen Annahmen auch den Ergebnissen der Strömungsanalyse entsprechen”, erläutert Kai Huck. “Dieses Herangehen bietet speziell in der frühen Entwicklungsphase eine sehr große Hilfe, wenn es etwa um die Verbesserung der Regelgüte geht. Beispielsweise reagiert die neue Kompaktkartusche doppelt so schnell auf Druckschwankungen wie ihre Vorgängerin.” Außerdem wurde bei der Kartusche eine strikte Trennung eingehalten. Für die Teile, die durchströmt werden und wo es wichtig ist, dass die Konturen genau eingehalten werden, wurde ein besonderer temperaturbeständiger Kunststoff gewählt. Die anderen Teile, die Kraft aufnehmen müssen, zum Beispiel Anschlagkräfte, wurden dagegen in Edelstahl ausgeführt. Beide Komponenten sind wiederum mit einem Formschluss miteinander verbunden. Sollte bei der Kompaktkartusche wirklich einmal ein Servicefall auftreten, kann der Handwerker vor Ort schnell reagieren, entweder die Kartusche austauschen oder deren Funktionsfähigkeit einfach überprüfen.

Die Pfeile weisen auf den modifizierten Bereich, der durch die gezeigten Veränderungen der Geometrie und der damit verbundenen Änderung der Fließgeschwindigkeit zu einer Verbesserung des Geräuschverhaltens der Armatur um eine gesamte Geräuschklasse führte. Bilder: Grohe

Eine weitere Neuheit wird als “cool touch” bezeichnet. Sie gewährleistet, dass die Außentemperatur an jeder Stelle des Thermostaten maximal ein Grad über der gewählten Temperatur des auslaufenden Wassers liegt. Dieses wird erreicht, indem der Zulauf für das Kaltwasser als kompletter Kühlmantel innerhalb der Thermostatarmatur fungiert. “Dazu haben wir mit EFD.Lab die Oberflächentemperatur einer komplett durchströmten Armatur simuliert, um zu erkennen, welche Temperaturfelder an welchen Stellen auftreten und in welchen Bereichen die Strömungsführung verändert werden musste, um das jeweilige Temperaturziel zu erreichen”, erläutert Kai Huck.Weitere Innovationen der Grohtherm 2000 Wanne und 3000 Wanne sind der Aquadimmer mit Gefühlsraste, einem Handgriff , mit dem drei Funktionen gesteuert werden: der Wasserfluss, die Wassermenge und der Entnahmepunkt – sprich die Wanne oder die Handbrause. Ein zusätzlicher Eco-Button bei den Brausearmaturen reduziert die Wasserdurchflussmenge um zirka 50 Prozent.

Kaum Abweichungen zwischen Messergebnissen und Berechnungen “Bisher konnten wir alle gewünschten Berechnungen mit EFD.Lab durchführen, indem wir die entsprechen- den Ersatzmodelle generierten”, berichtet Kai Huck. “Eine der wichtigsten Kenngröße ist bei uns immer der Durchfluss, der gut messbar ist. Außerdem haben wir ein ausgezeichnetes hydraulisches Labor zum Testen von Prototypen. Die Abweichungen zu unseren Berechnungen bleiben fast immer unter drei Prozent.” Als Beispiel nennt Kai Huck ein Gussgehäuse einer Armatur. Dieses wurde als Rapid-Prototyping-Modell gefertigt, damit die Geometrie in der Realität exakt mit dem CAD-Modell übereinstimmt. Die anschließenden Messungen im hydraulischen Labor lagen nur etwa 2 Prozent neben den Berechnungsergebnissen mit EFD.Lab. Außerdem wurden mit der NIKA-Software auch Geräuschuntersuchungen durchgeführt, zum Beispiel an einfachen Waschtischarmaturen. Dadurch konnte anhand von geringfügigen Geometriemodifikationen die Geräuschentwicklung um etwa die Hälfte reduziert werden. Trotz einfacher Handhabung und Erlern- barkeit sind umfangreiche Erfahrungen bei der Nutzung der CFD-Software erforderlich, speziell bei komplexeren Geometrien beziehungsweise Baugruppen. Das gilt wie schon erwähnt für die Beurteilung und Auswertung der Berechnungs- ergebnisse, aber auch für die vorbereitenden Arbeiten am Geometriemodell. “Die Hauptarbeit liegt oft in der Aufbereitung der Konstruktionsgeometrie für die Strömungsberechnungen”, schildert Kai Huck seine Erfahrungen. “Beispielsweise sind jegliche Tangentialkontakte zu vermeiden, O-Ringe sollten komplett gelöscht und diese Bereiche anschließend großflächig begradigt werden, so dass möglichst keine Spalten mehr vorhanden sind.” Dabei ist immer wieder zu überlegen, ob das betreffende Geometrie- detail einen strömungstechnischen Einfluss hat. Die jeweiligen Annnahmen lassen sich in den meisten Fällen anhand eines kleinen, einfachen Modells, das schnell erzeugt ist, überprüfen. Diese Druckausgleichssteuerung wurde von der kanadischen Grohe-Tochter Tempress entwickelt. Die Vernetzung mit EFD.Lab umfasst über eine Million Zellen. Bild: Grohe Der Schnitt durch die Druckaus- gleichssteuerung zeigt die Temperaturverteilung während der Strömungsanalyse. Bild: Grohe

Manuelle Netzanpassungen sind jederzeit durchführbar “Trifft die Vernetzungsfunktion von EFD.Lab auf einen Spalt, versucht sie möglichst feinstrukturierte Netze zu generieren, die unnötigen Speicherplatz belegen und Rechner- kapazitäten binden”, weiß Kai Huck zu berichten. “Dies führt dazu, dass entweder gar kein Ergebnis erzielt wird oder es erst nach “ewigen Zeiten” zustande kommt. In solchen Fällen muss der Anwender das automatisch erzeugte Netz manuell anpassen.” Insgesamt gesehen konnte in den letzten Jahren bei Grohe die Anzahl der realen Prototypen Schritt für Schritt reduziert und damit der Zeit- und Kostenaufwand erheblich verringert werden. Dazu haben das CFD-System EFD.Lab, aber auch der enge Kontakt zu den Strömungsspezialisten bei NIKA in Frankfurt sowie eine problemlose Verbindungen zur NIKA-Entwicklung in Moskau mit beigetragen. Einen weiteren wesentlichen Vorteil sieht Kai Huck in der vereinfachten Kommunikation mit dem Management von Grohe, wenn es um das Initiieren von neuen Projekten geht. Die grafischen Darstellungen sind einleuchtender als viele verbale Argumente von technisch komplexen Sachverhalten. Sie sind nicht nur bunte Bilder, sondern haben einen sehr hohen Realitätscharakter, so dass sich auch die Entscheider, die nicht aus dem technischen Bereich kommen, anhand von Darstellungen des Strömungsverlaufes überzeugen lassen. Auf dieser Grundlage können Techniker und Nicht-Techniker mit Hilfe der EFD.Lab-Software gemeinsam die Vorteile und auch die Zweifel bezüglich neuer Produktideen diskutieren. “Der Name Grohe steht für hohe technische Qualität, deshalb werden die technischen Komponenten selbst entwickelt und gefertigt, was wir als ein Alleinstellungsmerkmal sehen”, erklärt Kai Huck abschließend. “Um unseren hohen Qualitätsstand auch zukünftig zu vertretbaren Kosten realisieren zu können, sind Software-Werkzeuge wie EFD.Lab für uns zwingend notwendig.”

Links wird die Strömungs- geschwindigkeit in der Druckausgleichssteuerung dargestellt und rechts ist nochmals die Temperatur- verteilung bei einem schrägen Schnitt zu sehen. Diese Druckausgleichs- steuerung wurde von der kanad. Grohe-Tochter Tempress entwickelt. Die Vernetzung mit EFD.Lab umfasst über eine Million Zellen. Bild: Grohe