Hersteller erzielt 15 Prozent höhere Webproduktivität mit Siemens Digital Industries Software-Lösung und -Services

Gesteigerte Produktivität

Picanol, ein führender Webmaschinenhersteller, arbeitete mit Siemens Digital Industries Software zusammen, um bei seinen Greiferwebmaschinen der nächsten Generation eine höhere Produktivität und optimierte Lärm- und Schwingungsstandards zu verwirklichen. Zur Optimierung des neuen Greifer-Antriebsmechanismus für Picanols kommenden Rapier-Webstuhl kamen Simcenter Engineering-Services und das Simcenter-Portfolio zum Einsatz.

Simcenter Engineering nutzte dynamische Auswertungen in der Bewegungs-Simulationslösung des Simcenter-Portfolios, damit Picanol interne Kraftspitzen reduzieren, Lagerverschleiß vorbeugen, das Gewicht schwingender Teile verringern und die Ermüdungslebensdauer kritischer Bauteile verlängern konnte. Hierdurch konnte Picanol die Bewegung des Greifers beim Durchlaufen der Kettfäden deutlich beschleunigen, was zu einer 15 Prozent höheren Webproduktivität führte.

Qualitätsgeräte entwickeln

Industrielle Webereien, die im Dauerbetrieb mit Hunderten Picanol-Webmaschinen arbeiten, tragen einen erheblichen Teil zur täglichen globalen Stoffproduktion bei. Als führender Hersteller von Webmaschinen verfügt Picanol über mehr als 110.000 Maschinen, die bei circa 2.600 Kunden weltweit im Einsatz sind. Textilproduzenten aller Größen nutzen Webmaschinen von Picanol, um hochwertige Stoffe effizient herzustellen, wobei wenige Produktionsunterbrechungen und einfache Umrüstvorgänge eine konstant hohe Produktivität gewährleisten.

Modetrends und -vorlieben wandeln sich ständig, daher ist für Hersteller höchste Flexibilität erforderlich. Um auf sich schnell verändernde Webeanforderungen effizient reagieren zu können, sind die Greiferwebmaschinen von Picanol für den flexiblen Umgang mit kurzen Serien, verschiedenen Stilen, farbenfrohen Konstruktionen und diversen Stoffen – einschließlich Baumwolle, Voile, Krepp, Wolle, Glas und DuPont™ Kevlar®-Aramidfaser – ausgelegt.

„Letztendlich ist es eine reine Geldfrage“, sagt Kristof Roelstraete, Leiter der Entwicklung von Greiferwebmaschinen bei Picanol. Je mehr Webmaschinen ein Weber steuern kann, desto niedriger sind die Gesamtbetriebskosten für den Textilhersteller. Unser strategischer Ansatz ist die Entwicklung hochwertiger Anlagen mit ausgezeichneter Webqualität und hoher Betriebssicherheit, wodurch Premium-Stoffe entstehen und Webunterbrechungen auf ein Minimum reduziert werden.

Die modulare Konstruktion und elektronische Steuerung von Greiferwebmaschinen ermöglichen zudem vereinfachte Umrüstverfahren bei der Einrichtung des Webstuhls für einen neuen Artikel. Um maximale Produktivität und Flexibilität bei unseren Greiferwebmaschinen zu erzielen, haben wir eine Reihe revolutionärer technischer Verbesserungen konzipiert und umgesetzt. Als Beispiel dient der patentierte Sumo-Direktantrieb – elektronisch gesteuert, mit sofortiger Stopp- oder Verlangsamungsfunktion bei Bedarf und einer Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs um 10 Prozent.

Strategische Partnerschaft nutzen

Picanol kooperierte mit Siemens Digital Industries Software, um die akustische Abstrahlung der Greiferwebmaschinen zu evaluieren. Picanol und Simcenter Engineering gelang es, die einzelnen betriebsbedingten Geräuschquellen mithilfe von operativer Modalanalyse, Bewegungs- und Verformungsanalyse unter Betriebsbedingungen sowie Schallintensitäts- und Lärmabstrahlungsmessungen genau zu bestimmen.

Die Messungen zeigten, dass die höchste Lärmemission bei rund 1.200 Hertz liegt – einer Frequenz, die Unterhaltungen in der Umgebung der Webmaschine erheblich erschwert. Es wurde festgestellt, dass die Natur des überhöhten Schalls bei dieser Frequenz ausschließlich kinematischen Ursprungs war und mit dem durch den Kontakt der Zahnräder generierten Geräusch korrelierte. Die Untersuchungen wiesen ebenfalls darauf hin, dass sich im laufenden Betrieb sowohl die Ausrichtung als auch die Vorspannung der Lager ungünstig veränderten.

„Im Rahmen der Entwicklung des GamMax-Nachfolgemodells ging Picanol eine Partnerschaft mit Siemens Digital Industries Software ein“, so Roelstraete. Die früh in der Entwicklung durchgeführten gemeinsamen Konstruktionsaktivitäten haben es uns ermöglicht, die Produktivität unserer Webmaschinen zu steigern und gleichzeitig Lärm und Vibrationen in einem akzeptablen Bereich zu halten. Ein wesentliches Bauteil ist hierbei der innovative Rapier-Antriebsmechanismus, der die Arbeitsgeschwindigkeit erheblich steigerte und dadurch die Lärmabstrahlung beträchtlich erhöhte. Die kreisförmige Bewegung dieses Mechanismus erzeugt die bidirektionale geradlinige Bewegung des Greifers – einer speziellen Komponente, die den Längsfaden durch die gespannten Querfäden des zu webenden Gewebes befördert.

„Simcenter Engineering verbesserte die Konstruktion des Greifer-Antriebsmechanismus und erzielte eine signifikante Verringerung der Lärmabstrahlung. Dies war eine große Herausforderung für die Konstruktion, da aktuelle industrielle Greiferwebmaschinen den Rapier kontinuierlich bis zu 25.000 Mal pro Stunde hin und her bewegen. Die verblüffend hohen Beschleunigungen der Greifervorrichtungen im Webverfahren übertreffen sogar die Kolbenbeschleunigung von Formel-1-Rennwagenmotoren!“

Leistungssteigerung durch Simulation

Die durch diese Hochgeschwindigkeitsbewegung verursachten extremen Kräfte setzen den gesamten Greifer-Antriebsmechanismus unter erheblichen Druck. Die Simcenter Engineering modellierte die Greifer-Antriebsbaugruppe und optimierte zeitgleich die Leistungsmerkmale des Subsystems – mit der Absicht, das Gewicht der Baugruppe zu verringern, Komponentenverschleiß vorzubeugen, Materialermüdungseffekte auszuschließen und akustische Abstrahlung zu reduzieren.

Das Antriebsrad in Picanols neuer kompakter Konstruktion für Greifer-Baugruppen erzeugt eine Kreisbewegung an der Verbindungsstelle zum Gabelelement. Dieses Gabelelement hält ein Querträgerstück, das auf das Schwenken in einer festen Ebene beschränkt ist. Die oszillierende Bewegung des Gabelelements bewirkt eine Schwenkbewegung des Querelements (und des Greiferrads) im und gegen den Uhrzeigersinn, wodurch das Rapier schlussendlich mit hoher Geschwindigkeit durch die Querfäden geschoben und gezogen wird.

Um die starken dynamischen Kräfte abzuschwächen, nutzten die Konstrukteure Methoden der starren Modellierung, um den Massenschwerpunkt der beweglichen Montagekomponenten zu versetzen. Zu diesen Maßnahmen zählten Anpassungen von Position, Größe, Form und Gewicht der Bauteile.

Da sich die Teile der Greifer-Antriebsbaugruppe im Betriebszustand leicht verformen, wurde ein dynamisches Mehrkörpermodell für den gesamten Rapier-Antriebsmechanismus konzipiert. Durch die Modellierung von Schlüsselkomponenten als flexible Körper mit der Finite-Elemente-Analyse (FEA) wurden die Auswirkungen von Durchbiegung und Resonanz bei der Simulation der dynamischen Baugruppenlastfälle automatisch berücksichtigt.

Bei Betrieb führte die Verformung der Komponenten zu einer leichten Veränderung in Position und Ausrichtung der Lager, wodurch eine geringfügige Fehlausrichtung sowie axiale Lagerkräfte entstanden. Mithilfe von Simulationen, die mit der Bewegungslösung aus dem Simcenter-Portfolio durchgeführt wurden, konnte Picanol eine optimale Lagerleistung etablieren.

Die Lösung zur Bewegungssimulation aus dem Simcenter-Portfolio diente als Fundament für die Umsetzung maßgeblicher Verbesserungen in den Bereichen Lebensdauer, Lärm und Vibrationen. Dies wurde durch die Erhöhung der Lager- und Gehäusesteifigkeit, die Verbesserung der Lagerausrichtung und die Anwendung einer geeigneten Lagervorspannung erreicht. Dynamische Bewegungssimulationen unterstützten Picanol außerdem bei der Verringerung der radialen Lagerkräfte durch zusätzliche Gewichtsreduktion von bewegten und oszillierenden Bauteilen.

Die Simcenter Bewegungssimulationslösung trug zur Verringerung der radialen Lagerkräfte bei, indem das Gewicht der beweglichen und oszillierenden Bauteile weiter optimiert wurde.

Verlängerung der Ermüdungslebensdauer

Mithilfe von Simulationen, die durch die Bewegungslösung aus dem Simcenter-Portfolio erstellt wurden, bewertete Picanol die Ermüdungslebensdauer der Greifer-Antriebskomponenten. Mithilfe simulierter dynamischer interner Lasten konnten die Konstrukteure die maximalen lokalen Spannungswerte für alle FEA-modellierten Komponenten abrufen. Betriebsfestigkeits-Hotspots wurden für Positionen identifiziert, die Spannungsschwankungen ausgesetzt waren, die sich der materialspezifischen Dauerfestigkeit annäherten oder diese überstiegen. Um die Lebensdauer der Schlüsselkomponenten zu verlängern, mussten die Funktionsbohrungen dieser Teile neu positioniert und in der Größe geändert werden. Die Aufrechterhaltung hoher Lebensdauer-Standards ist entscheidend, damit Webmaschinen über einen Zeitraum von 7 bis 10 Jahren quasi unterbrechungsfrei arbeiten können, ohne dass Teile wegen unzureichender Ermüdungslebensdauer versagen.

Eine weitere wesentliche Leistungskenngröße ist die Geräuschemission von Webmaschinen. Eine der primären Geräuschquellen ist die Zahnstangen-Ritzel-Übersetzung, die als Komponente der Greifer-Antriebsbaugruppe zum Einsatz kommt. Das Zahnprofil am drehbaren Greiferrad bewirkt die geradlinige Bewegung des Greifers. Wann immer der Greifer die Bewegungsrichtung ändert, entsteht durch das Toleranzspiel zwischen Zahnstangen- und Ritzelzähnen eine Stoßanregung, die durch einen hochfrequenten Frequenzbereich charakterisiert wird. Die Anregung durchläuft systematisch die Lager und löst Schwingungen in der Gehäusestruktur aus, die wiederum Geräusche abstrahlen.

Picanol löste dieses Problem durch die Erstellung eines speziellen Mehrkörpermodells in der Simulations-Bewegungslösung aus dem Simcenter-Portfolio, das die Toleranzen von Zahnrädern und Zahnstangen/Ritzeln sowie die variable Kontaktsteifigkeit der dynamisch ineinandergreifenden Zähne in Betracht zog. Hierdurch war Picanol in der Lage, die dynamischen Lagerkräfte durch Mehrkörper-Simulation zu bestimmen und diese auf das Finite-Elemente-Modell des Gehäuses zu übertragen. Anschließend wurde der Durchschnittswert der resultierenden Oberflächenschwingungen als Maß für das abgestrahlte Geräusch verwendet. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass Picanol die Geräuschemission durch eine verbesserte Dämpfung der Gehäusestruktur reduzierte und durch den Einsatz kostspieliger Zahnräder, die mit präziseren Toleranzen und fortschrittlicheren Techniken zur Zahnflächenbearbeitung produziert wurden.

Schwachpunkte hinsichtlich der Lebensdauer wurden für die Bereiche ermittelt, in denen die auftretenden Spannungsvariationen die materialspezifischen Dauerfestigkeitsgrenzen erreichten oder überschritten.

Unterstützung bedeutender Optimierungen

„Die Verbindung von realistischer virtueller Simulation mit umfassendem Prüf-Know-how ist maßgeblich für die Konstruktion leistungsfähigerer Webmaschinen“, erklärt Roelstraete. Technische Exzellenz half uns im fortlaufenden Entwicklungsprozess dabei, die Produktivität unserer Greiferwebmaschinen der nächsten Generation um 15 Prozent zu verbessern. Dieser Effizienzgewinn resultierte aus höherer Maschinengeschwindigkeit und verringerter Ausfallzeit, der Möglichkeit, ein breiteres Spektrum an Textilien zu weben, gesteigerter Flexibilität beim Artikelwechsel und reduzierten Produktionskosten beim Weben.

„Wir wissen den Beitrag, den Siemens Digital Industries Software leistet, sehr zu schätzen. Fortgeschrittene Tests lieferten präzise Erkenntnisse zur weiteren Verbesserung der Maschinenleistung, während die frühzeitige Prozess-Simulation den Echtbetrieb unseres neuen Greifer-Antriebsmechanismus optimierte.

Die Lösung zur Bewegungssimulation aus dem Simcenter-Portfolio diente als Fundament für die Umsetzung maßgeblicher Verbesserungen in den Bereichen Lebensdauer, Lärm und Vibrationen. Dadurch konnten wir mindestens einen kompletten Iterationsschritt des Prototyps eliminieren, was sowohl die Entwicklungsdauer als auch die Ausgaben reduzierte.“