Infoplaner. FEM: Software Support Seminare Berechnung im Auftrag. FEM-Simulation in der Medizintechnik, Biomechanik, Prothetik, Implantologie

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1 Ausgabe 01/ /2010 Infoplaner FEM: Software Support Seminare Berechnung im Auftrag FEM-Simulation in der Medizintechnik, Biomechanik, Prothetik, Implantologie ANSYS im Dienste der Gesundheit Optimierung medizinischer Produkte bei Siemens Auslegung von Zahnimplantaten: 2 Millionen Mal kraftvoll zubeißen CFD-Simulation eines Inhalators: Einfach tief durchatmen

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3 Familienunternehmen: Übergabe an die nächste Generation Editorial A-ha, a-ha, ich geh zum Se-mi-nar diesen Satz, rhythmisch wiederholend, bin ich, vergleichbar mit dem Rumpelstilzchen, im Kreis gelaufen und hatte dabei eine gelbe ANSYS Plastiktüte in der Hand. Das sind die ersten Erinnerungen, die ich mit CADFEM, ANSYS und der Finiten Elemente Methode in Verbindung bringe. Ich muss ungefähr fünf Jahre alt gewesen sein. Meine Mutter lag damals krank im Bett und ich versuchte, sie damit aufzuheitern. Denn mein Vater war wie so oft geschäftlich unterwegs. Ich vermute, er gab ein ANSYS-Seminar. Heute, viele Jahre später hat die Firma ihren 25. Geburtstag gefeiert (vgl. Editorial Infoplaner 01/2010). In diesen 25 Jahren ist aus dem Zwei-Mann-Betrieb eine Firma mit ca. 40 Mio. Euro Umsatz und 130 Mitarbeitern in Deutschland geworden; zudem ist mein Vater jetzt, wie er zu sagen pflegt, Rentenbezugsberechtigter. Insgesamt gibt es über 3 Mio. familiengeführte Unternehmen, die früher oder später vor einer ähnlichen Situation stehen: der Unternehmensnachfolge. Allein in den Jahren sollen es laut dem IfM Bonn ca Unternehmen pro Jahr sein. Auf den ersten Blick scheinen wir, also generell Kinder von Unternehmern, von außen betrachtet privilegiert zu sein. Haben wir doch das große Glück, eine Firma zu erben. Wir können uns ohne eigene Leistung alleine durch Erbschaft auf den Chefposten befördern. So einfach könnte es sein, ist es aber leider nicht. Wir Kinder, in diesem Fall meine Schwester und ich, haben in den letzten 25 Jahren erlebt, dass eine Firma ein hohes Maß an Arbeitseinsatz, Disziplin und Verantwortung bedeutet. Den Feierabend, Samstag oder Sonntag gibt es so, wie viele ihn kennen und schätzen, nicht. Das Geschäft trägt man wie in einem Rucksack bei sich. So erinnere ich mich z.b. an Urlaubsfahrten, die geschickt mit einem kurzen Geschäftsbesuch verbunden wurden. Bei gemeinsamen Bergwanderungen oder Autofahrten entstanden oftmals die Ideen für das anstehende Users Meetings oder die nächste Firmenfeier. Eine naheliegende und durchaus attraktive Option ist, die Firma zu verkaufen. Kaufangebote erhalten wir mehrmals im Jahr. Mit einem Verkauf wären wir frei von Sorgen, man könnte sich selber verwirklichen, eigene Wege gehen, wie es immer so schön heißt. Diese Möglichkeit war meiner Schwester und mir immer freigestellt. Auf der anderen Seite: wäre es nicht traurig, eine intakte Firma in fremde Hände zu geben, alles was über Jahre aufgebaut wurde, aufzugeben? Außerdem bietet eine eigene Firma auch zahlreiche schöne Seiten, wie wir ebenfalls erfahren durften. Als ich damals mit der gelben ANSYS Plastiktüte im Kreis lief, hatte ich keine Ahnung, dass eine solche Entscheidung jemals anstehen würde. In den letzten Jahren wurde es aber langsam ernst, eine Entscheidung wurde fällig, denn nach eigener Aussage möchte mein Vater nicht bis zum letzten Schnapperer (Zitat!) in der Firma tätig sein. Am Ende vom Heft, auf Seite 54, können Sie mehr zu seinen Plänen lesen. Meine Schwester und ich haben entschieden, die Firma nicht zu verkaufen und waren uns immer einig, dass ich in der Firma weiter tätig sein sollte. Dennoch kam es für mich nie in Frage, mich in ein gemachtes Nest zu setzen. Wir haben Mitarbeiter, die unser Geschäft in vielen Jahren erfolgreich mit aufgebaut haben, und es gut verstehen eine Firma zu leiten. Zu diesen Mitarbeitern habe ich vollstes Vertrauen und lasse ihnen hier gerne den Vortritt bei der Geschäftsführung (vgl. Editorial Infoplaner 02/2009). Aber nicht ganz! Ich kenne die Firma seit Anfang an, habe die ersten Infoplaner persönlich mit (der Zunge abgeschleckten) Briefmarken beklebt und versandfertig gemacht, war als Handballtorwart Werbeträger der Firma, habe mit 18 Jahren meine erste ANSYS Berechnung durchgeführt, habe die Geschäftsberichte der letzten Jahre verfasst und habe die von meinem Vater geprägte Firmenphilosophie verinnerlicht. Ich fühle mich also bestens gerüstet, demnächst, als weiterer Geschäftsführer, die Aufgaben von meinem Vater zu übernehmen. Parallel dazu werde ich jedoch ein neues Nest bauen, mit dem ich mich verwirklichen und auch ein paar eigene Fußstapfen hinterlassen kann. Dieses Nest heißt FEM- Simulation in medizinischen Anwendungen, kurz Biomechanik. Mehr dazu finden Sie in diesem Infoplaner, dessen Schwerpunkt Medizintechnik und Biomechanik ist. Dieses neue Nest ist noch klein; so stehen wir mit der FEM-Simulation in der Biomechanik heute vielleicht dort, wo die Automobilindustrie Mitte der achtziger Jahre mit der FEM-Simulation stand. Ich erinnere mich an einen Satz, den ich mal aufgeschnappt hatte: Mitte der achtziger Jahre saßen in der Automobilindustrie die FEM-Simulanten im Flur hinten rechts und wurden für ihre Simulationen müde belächelt. Seit kurzem ist unser Biomechanik-Zimmer im Flur hinten rechts. Sie können jetzt gerne müde lächeln. Christoph Müller Infoplaner 02/2010 1

4 CADFEM 2 Infoplaner 02/2010

5 CADFEM Collage: Jan-Stefan Knick Infoplaner 02/2010 3

6 Inhalt Inhalt ANSYS im Dienste der Gesundheit Die numerische Simulation ist in der Medizinbranche angekommen: Während sie insbesondere bei den großen Namen der Medizintechnik wie Siemens oder Boehringer Ingelheim längst ihren festen Platz hat, ist sie in den Bereichen Implantologie und Prothetik, also in der patientenindividuellen Anwendung, auf dem besten Weg dazu. Seite Veranstaltungen zum Thema Simulation & Medizin/Biomechanik Seite 28 Robuster simulieren in ANSYS Workbench Vor allem Materialkennwerte und Lasten unterliegen in der realen Welt oft Streuungen, die schwer zu kontrollieren sind. ANSYS Workbench bietet Werkzeuge, die diese Phänomene berücksichtigen. 38 Seite 38 Neue Perspektiven in der Akustik-Berechnung ANSYS Workbench und ACTRAN von der Firma FFT bilden eine perfekte Einheit aus effizientem Preprocessing und modernster Solvertechnologie im Bereich der Akustik-Berechnung. 40 Seite 40 efem für Praktiker: Denn sie wissen, was sie tun! Mit der berufsbegleitenden CAE-Weiterbildung efem für Praktiker können Techniker, Konstrukteure und Versuchsingenieure Wissenslücken im Bereich der FEM-Grundlagen schließen. 46 Seite 46 Nachweis der Festigkeit für Bauteile mit Defekten Aus katastrophalen Schäden infolge von Sprödbruch entwickelte sich das Fachgebiet Bruchmechanik als die Wissenschaft vom Verhalten rissbehafteter Körper. Eine Einführung. 48 Seite 48 4 Infoplaner 02/2010

7 Inhalt / Impressum 01 Editorial CADFEM 02 CADFEM wird 25 Jahre jung! 06 Batterieentwicklung: Partnerschaft mit dem ZSW 08 CADFEM News Nachrichten von CADFEM & aus der CAE-Welt 30 ANSYS Conference & 28. CADFEM Users Meeting 2010 in Aachen 54 Was macht jetzt eigentlich der GuM? Themenschwerpunkt Medical 14 FEM-Simulation im Dienste der Gesundheit 16 Siemens: Designanalyse moderner Hochleistungsröntgenröhren mit ANSYS Workbench 18 Dentaurum: 2 Millionen Mal kraftvoll zubeißen Innovative Zahnimplantate, mit ANSYS optimiert und dauerfest ausgelegt 20 Boehringer Ingelheim: Einfach tief durchatmen Optimierung eines Einzelkapsel-Inhalators 22 Auf einem guten Weg: AnyBody und ANSYS in der Fußchirurgie 24 Patienten-individuelle Simulationen 26 Von der Computertomografie zum FEM-Simulationsmodell 27 Leichter bergen durch Composites 28 Simulation & Biomechanik: Veranstaltungen im Herbst ANSYS & komplementäre CAE-Software 32 ANSYS & CADFEM Ihr ANSYS Competence Center FEM 34 ANSYS Produkte & komplementäre CAE-Lösungen 36 Vernetzung strukturmechanischer Modelle in ANSYS Workbench 38 Robuster Simulieren in ANSYS Workbench 40 ANSYS Workbench und FFT ACTRAN: Neue Perspektiven in der Akustik-Berechnung 42 Integrative Werkstoffmodellierung von Kunststoffen in ANSYS Workbench esocaet European School of Computer Aided Engineering Technology 44 esocaet setzt neue Standards 44 Berufsbegleitend zum Master of Engineering CAE-Forum widmete sich der Robustheit 46 efem für Praktiker: Denn sie wissen, was sie tun! Grundlagen & Technologie 48 Nachweis der Festigkeit für Bauteile mit Defekten CADFEM Empfehlungen 52 Kurzfilm überzeugt Publikum und Jury 55 Kurze Prozesse mit der CRM-Software Vemas.NET 56 Bestellformular für Bücher und Software U2 Anzeige Deutsche Bank 29 Anzeige HP 41 Anzeige IBM U3 Anzeige Hoppenstedt Publishing 8-13 Anzeigen unserer Geschäftspartner zum CADFEM Jubiläum Wir bedanken uns herzlich bei allen Anzeigenkunden für die Schaltung und die guten Wünsche! Impressum Herausgeber: CADFEM GmbH Marktplatz Grafing b. München Tel. +49 (0) Fax +49 (0) Anzeigen/Koordination/Redaktion: Alexander Kunz, Gerhard Friederici, Layout: christian loose grafik design, Aßling/Lorenzenberg Produktion: Bechtle Druck & Service, Esslingen Auflage Exemplare Copyright: 2010 CADFEM GmbH. Alle Rechte vorbehalten. Gedruckt in Deutschland. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsschutzes ist ohne Zustimmung der CADFEM GmbH unzulässig. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Warenzeichen/eingetragene Warenzeichen: ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS, ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics, ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench, ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN, ANSYS FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer, RMxprt, PExprt, ANSYS ncode DesignLife, ANSYS Rigid Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite PrepPost, ANSYS HPC und alle Produkt- oder Dienstleistungsnamen von ANSYS, Inc. sind registrierte Warenzeichen oder Warenzeichen von ANSYS, Inc. und Ansoft Corp.. LS-DYNA, LS-OPT und LS-PrepPost sind registrierte Warenzeichen der Livermore Software Technology Corp.. Sämtliche in diesem Heft genannte Produktnamen sind Warenzeichen oder registrierte Warenzeichen ihrer jeweiligen Eigentümer. Aus dem Fehlen der Markierung kann nicht geschlossen werden, dass eine Bezeichnung ein freier Warenname ist. Irrtümer und Änderungen vorbehalten. Trademarks: ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS, ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics, ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench, ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN, ANSYS FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer, RMxprt, PExprt, ANSYS ncode DesignLife, ANSYS Rigid Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite PrepPost, ANSYS HPC and all ANSYS, Inc. product and service names are registered trademarks or trademarks of ANSYS, Inc. and Ansoft Corp.. LS-DYNA, LS-OPT, and LS-PrepPost are registered trademarks of Livermore Software Technology Corp.. All other trademarks or registered trademarks are the property of their respective owners. Missing trademark symbols do not indicate that names of companies or products are not protected. All information subject to mistakes and alteration. Infoplaner 02/2010 5

8 CADFEM Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Zusammen mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen gründete das Land Baden- Württemberg 1988 das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) als gemeinnützige Stiftung des bürgerlichen Rechts. Zweck der Stiftung war, Erkenntnisse der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien und der rationellen Energiewandlung beschleunigt in vermarktungsfähige Anwendungstechnik umzusetzen und an die Wirtschaft des Landes zu transferieren. Heute genießt das ZSW mit mehr als 200 Mitarbeitern an den Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall als eines der führenden europäischen Energieforschungsinstitute weit über die Grenzen Baden-Württembergs hinaus einen exzellenten Ruf. Joint-Ventures und der wachsende Anteil von Industrieaufträgen demonstrieren die konsequente Anwendungsnähe. Ziele der Arbeit des ZSW sind: Forschung und Entwicklung für Technologien zur nachhaltigen und klimafreundlichen Bereitstellung von Strom, Wärme und regenerativen Kraftstoffen Umsetzung von F&E-Ergebnissen in markttaugliche Produkte (Technologietransfer) Beratung von politischen Entscheidungsträgern und Fachverbänden Öffentlichkeitsarbeit zu erneuerbaren Energien Aktuelle Schwerpunkte sind: Photovoltaische Materialforschung und -Entwicklung für Dünnschicht- Technologien Photovoltaische Modul- und Systemtechnik sowie Modul- und Anlagencharakterisierung Wasserstofftechnologie Batterietests und Batteriesicherheitstest Produktionstechnologien und neue Materialien für Lithium-Ionen-Batterien Brennstoffzellenentwicklung und -herstellung und Testzentrum Regenerative Kraftstoffe und Verfahrenstechnik Modellierung und Simulation Energiewirtschaftliche Systemanalyse Das ZSW ist eingebunden in zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsnetzwerke im In- und Ausland. Beispiel Batterieentwicklung Im Bereich der Batterien entwickelt das ZSW immer leistungsfähigere Aktivmaterialien, um die Kosten zu verringern und gleichzeitig die Speicherkapazität zu erhöhen. Neueste Materialkombinationen werden zusammengesetzt, analysiert und ihre Eigenschaften über mathematische Modelle simuliert. Erweist sich eine Materialkombination für eine bestimmte Anwendung als besonders geeignet, stehen Fertigungsanlagen für die Herstellung von Prototypen verschiedener Bauarten von Zellen zur Verfügung. Damit diese sich in der Praxis unter extremsten Bedingungen bewähren, wie z.b. bei einem Autounfall oder im Winter bei Minusgraden, werden sie in professionellen Testständen permanent be- und entladen, enormer Hitze und Kälte ausgesetzt und mit mechanischen Kräften belastet. Langlebige und kostengünstige Akkumulatoren sind auch für die netzunabhängige Stromversorgung von Gebäuden, Mobilfunkstationen usw. eine zukunftsfähige Alternative. Im Falle eines Stromausfalls sorgen Energiespeicher auch im Notfall für einen zuverlässigen Betrieb. Hier bieten die neuen Lithium-Ionen-Batterien interessante Möglichkeiten. Und um auch zukünftig Lösungen zu entwickeln, geht das ZSW alle Forschungsthemen von Materialien bis hin zur Produktionstechnologie für große Zellen an. << REM-Funktionsmaterial 6 Infoplaner 02/2010

9 CADFEM Partnerschaft ZSW und CADFEM Im Bereich der innovativen Batterietechnologien gehört das ZSW seit Jahren zu den führenden Entwicklungszentren. Fundiertes Know-how des eigenen Expertenteams, enge Kontakte in die universitäre und industrielle Forschung sowie eine einzigartige Anlageninfrastruktur für experimentelle Untersuchungen versetzen das ZSW in die Lage, zielgerichtet an effizienten und marktfähigen Lösungen zu arbeiten. Ab dem Jahr 2011 werden diese zudem in einem neuen hochmodernen Gebäudekomplex in Ulm konzentriert. Auch die numerische Simulation hat am ZSW seit vielen Jahren ihren festen Platz. Um deren Potential noch intensiver als bisher zu nutzen, haben das ZSW und die CADFEM GmbH im Sommer 2010 eine Kooperation im Bereich Batteriesimulation vereinbart. Neben der Zusammenarbeit in der Forschung, bei der beide Partner ihre Kernkompetenzen nutzen, werden das ZSW und CADFEM ihr Wissen in Form von Projekten und Seminaren auch Dritten zur Verfügung stellen. Zusatzinformation Infoplaner 02/2010 7

10 CADFEM News 2010 das Jahr der Jubiläen Die CADFEM GmbH feiert in diesem Jahr das erste Vierteljahrhundert ihres Bestehens! Was 1985 von zwei Ingenieuren in der Umgebung von München begonnen wurde, hat sich 25 Jahre später zu einem Unternehmen entwickelt, das selbst 130 Mitarbeiter beschäftigt und darüber hinaus aktiv an der Gründung und dem Aufbau von weiteren Firmen im In- und Ausland beteiligt war. Einige davon können ihrerseits ebenfalls in diesem Jahr auf runde Geburtstage verweisen: 25 Jahre CADFEM Die CADFEM (Suisse) AG wird 15, die inutech GmbH wird 10 und die CADFEM (Austria) GmbH wird bereits 5 Jahre jung! Doch damit nicht genug: Auch unser wichtigster Partner ANSYS, begeht ein besonderes Jubiläum: 40 Jahre ANSYS! 1970 gründete Dr. John Swanson seine Firma, die sich über die Jahrzehnte durch eigenes Wachstum und strategische Zukäufe zum größten unabhängigen Anbieter von Technologie für die numerische Simulation entwickelt hat. 1985: Home Office Günter Müller Die CADFEM GmbH ist als ANSYS Competence Center FEM seit ihrer Gründung der Partner von ANSYS im deutschsprachigen Raum und hat ANSYS auch schon vor dieser Zeit in Person des CADFEM Gründer Dr.-Ing. Günter Müller in Europa vertreten. Zu den Kunden von ANSYS gehört das weltweite Who is Who der produzierenden Industrie aus praktisch allen Branchen genauso wie der Mittelstand, kleine Firmen und Ingenieurbüros. Anlässlich des Jubiläums blickt das Unternehmen ANSYS, Inc. auf seiner Homepage auf vier erfolgreiche Jahrzehnte zurück. Information: Abgerundet wird das Jahr der Jubiläen durch den 90. Geburtstag von Professor Ray W. Clough, der 1960 also vor genau 50 Jahren den Begriff Finite Element Method schuf. 2010: CADFEM Zentrale Grafing b. München Feiern Sie mit uns! Auf dem diesjährigen Users Meeting wollen wir die zahlreichen Jubiläen gemeinsam mit Ihnen feiern. Wir hoffen, Sie dazu vom November im Eurogress Aachen begrüßen zu dürfen!

11 CADFEM News 40 Jahre ANSYS 1970: Home Office John Swanson 2010: Headquarters ANSYS, Inc., Canonsburg

12 CADFEM News Nachrichten von CADFEM & aus der CAE-Welt ANSYS für Konstrukteure: Kostenfreie Webinare Wichtige Herbstmessen: CADFEM on Tour COMPOSITES EUROPE 5. Europäische Fachmesse & Forum für Verbundwerkstoffe, Technologie und Anwendungen September 2010 in Essen CADFEM in Halle 5 an Stand C78 Husum WindEnergy The Leading Wind Energy Trade Fair September 2010 in Husum CADFEM an Stand 2F18 (ANSYS Stand) AMB 2010 Internationale Ausstellung für Metallbearbeitung 28. September 2. Oktober 2010 in Stuttgart CADFEM in Halle 4 an Stand B14 (Bei Fa. Cinteg) Internationale Zuliefererbörse Connecting Car Competence Oktober 2010 in Wolfsburg CADFEM in Halle 3 an Stand 315 An CAD-Anwender, die sich für die konstruktionsbegleitende FEModer CFD-Simulation mit ANSYS Produkten interessieren, richten sich die Webinare, die CADFEM und ANSYS Germany im September anbieten. Kompakt, kostenlos und interaktiv informieren Simulationsexperten, die selbst einen Konstruktionshintergrund haben, über die Möglichkeiten, die die ANSYS Produkte ganz speziell für die konstruktionsbegleitende, CAD-nahe Simulation bieten: Struktur: Konstruktionsbegleitende FEM-Simulation Veranstalter: CADFEM GmbH Termine: 22. und 29. September 2010 Details, Anmeldung: Strömung: Konstruktionsbegleitende CFD-Simulation Veranstalter: ANSYS Germany GmbH Termine: 21. und 23. September 2010 Details, Anmeldung: Was ist WOST? Das Kürzel WOST steht für Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage, die Anwendertagung unseres Partners Dynardo GmbH. In diesem Jahr finden die WOST bereits zum 7. Mal statt. Mit wachsendem Erfolg lädt Dynardo Anwender und an Optimierungsthemen Interessierte nach Weimar ein, die sich dort anhand von Fachvorträgen, Seminaren und informellen Gesprächen unter Gleichgesinnten fundiert informieren und weiterbilden können. Information: CADFEM ist Mitglied im OWL ViProSim Euroblech 21. Internationale Technologiemesse für Blechbearbeitung Oktober 2010 in Hannover CADFEM in Halle 14 an Stand F66 electronica Elektronikmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen November 2010 in München CADFEM in Halle A1 an Stand 346 (ANSYS Stand) Das OWL Kompetenzzentrum für Virtual Prototyping & Simulation e.v., kurz: OWL ViProSim, wurde am 8. September 2006 im Heinz Nixdorf Institut in Paderborn von Unternehmen und Hochschulen der Region OstWestfalen-Lippe auf Initiative des OWL Maschinenbau e.v. gegründet. Aufgabe von OWL ViProSim ist es, vor allem mittelständische Unternehmen der Region OWL bei dem Erwerb von Grundlagen- und Anwendungswissen über Virtual Prototyping & Simulation (VPS) im Entwicklungs- und Produktionsplanungsprozess zu unterstützen. Dadurch werden das Innovationstempo und die Innovationskraft auch in Zukunft auf Spitzenniveau gehalten. Die Wettbewerbsfähigkeit der Mitgliedsunternehmen wird gesichert. 10 Infoplaner 02/2010

13 CADFEM News Das bereits in den Hochschulen und bei größeren Unternehmen vorhandene Erfahrungswissen über Virtual Prototyping & Simulation wird im Rahmen des Projektes aufbereitet und transferiert. Eine Schlüsselstellung nehmen dabei die Mitarbeiter der Unternehmen ein: Sie erlernen in Seminaren und Workshops, diese Methodensammlung in ihrem Arbeitsumfeld anzuwenden und erwerben damit wichtige Schlüsselqualifikationen, um so ihre zukünftigen Chancen auf dem Arbeitsmarkt zu erhöhen. Die CADFEM GmbH hat sich der Initiative angeschlossen um die Mitglieder des Vereins fundiert und praxisnah zum Thema FEM- Simulation zu informieren. Information: 25 Wow. Herzlichen Glüchwunsch zum 25-jährigen Firmenjubiläum! christian loose grafik design tel. +49 (0) CADFEM (Suisse) Users Meeting in Zürich Das 15. CADFEM (Suisse) Users Meeting fand mit über 100 Teilnehmern Mitte Juni 2010 in Zürich statt. Das Vortragsprogramm lieferte eine gewohnt große Vielfalt und wurde in drei parallelen Sessions durchgeführt. Schwerpunktthemen waren Biomechanik, Composites und Strömungssimulation. Als speziellen Gast konnten Veranstalter und Teilnehmer einen produktverantwortlichen Manager der Ansoft-Linie begrüßen. Solche direkten Gesprächsgelegenheiten wurden genutzt und sind für Anwender wichtig, sofern sie Einfluss nehmen wollen auf zukünftige Entwicklungen. In den letzten 15 Jahren hat sich das ANSYS Conference & CADFEM (Suisse) Users Meeting etabliert und ist zum Treffpunkt der Simulanten aus der Schweiz geworden. Es wird in Kooperation mit ANSYS Germany durchgeführt. Die nächste Auflage findet vom 30. Juni 1. Juli 2011 in Zürich statt bitte vormerken! Informationstage ANSYS Strukturmechanik im Herbst Von September bis November richtet CADFEM wieder in vielen Städten die kostenfreien Informationstage zu ANSYS in der Strukturmechanik aus. Kompakt an einem Tag erhalten die Teilnehmer einen Überblick über das Spektrum von ANSYS in linearen und nichtlinearen, statischen und dynamischen sowie impliziten und expliziten Strukturmechanik Information: Forming Technologies GmbH (D) und ihre Muttergesellschaft Forming Technologies Inc. gratulieren ihrem langjährigen Partner CADFEM zum 25-jährigen Jubiläum und freuen sich auf eine weiterhin erfolgreiche Zusammenarbeit im Themenbereich Machbarkeitsanalyse und Kostenoptimierung in der Umformtechnik. Forming Technologies GmbH Zeilring 8, Eppstein, Tel: 0049-(0)

14 CADFEM News Ehemaliger Gewinner des CADFEM Schülerpreises erfolgreich in der Umwelttechnik Als Schüler beschäftigte sich Christoph Gebald einst in einer Studienarbeit mit der FEM und setzte sich daher mit der CADFEM GmbH in Verbindung. Es entstand ein regelmäßiger Kontakt und eine exzellente Studienarbeit zur Geschichte der FEM, die von CADFEM auf dem Users Meeting 2002 in Friedrichshafen mit dem Schülerpreis für herausragende Arbeiten belohnt wurde. Mittlerweile ist Christoph Gebald Doktorand an der ETH Zürich und beschäftigt sich mit seiner Spin-Off Firma Climeworks mit der Lösung einer der drängendsten Fragen der Menschheit: Der Reduktion von CO 2. Gemeinsam mit seinem Kollegen Jan Wurzbacher hat er ein vielversprechendes Verfahren entwickelt, um Kohlendioxid umweltfreundlich und emissionsfrei aus der Luft zu filtern. Information: 5. CADFEM (Austria) Users Meeting im Schloss Schönbrunn in Wien Über 100 Kunden haben ausgiebig mit den mittlerweile 10 CADFEM-Mitarbeitern vom April 2010 im kaiserlichen Ambiente des Schloss Schönbrunn Tagungszentrums sowie im modernen CADFEM-Büro im Euro Plaza Wien getagt. Auf diesem Wege dankt CADFEM (Austria) den Kunden und freut sich auf die nächsten 5 Anwendertagungen! Strahlschmelzverfahren: Forschungsprojekt SIMUSINT Unter der Federführung des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München und gemeinsam mit der BMW Group, FESTO und den Firmen EOS, MTT und ConceptLaser war CADFEM Partner beim Forschungsprojekt SIMUSINT, das am 9. Juli 2010 vorgestellt wurde. Das modulare Simulationssystem SIMUSINT berechnet mit Hilfe der FEM fertigungsbedingte Temperaturfelder, Bauteilverformungen und -eigenspannungen für verschiedene Strahlschmelzverfahren. SIMUSINT basiert auf ANSYS Multiphysics und kann für das Selective Laser Melting, das Direct Metal Laser Sintering und das LaserCusing eingesetzt werden. CADFEM hat ANSYS und das Simulations-Know-how in das Projekt eingebracht. Eine automatisierte Schnittstelle zwischen den verschiedenen Fertigungsanlagen und der Simulation garantiert realitätsnahe Ergebnisse. Dadurch können bauteilspezifische Prozessparameter simulationsgestützt identifiziert werden, wodurch ein wertvoller Beitrag zur first-time-right-fertigung ohne Ausschuss resultiert. Weitere Information: ANSYS Seminar Simulationswerkzeuge für die Solar-Industrie ANSYS Germany zeigt am 16. September 2010 in Leipzig im Rahmen einer Seminarveranstaltung, wie die Simulationswerkzeuge aus der ANSYS Produktfamilie zielgerichtet für die verschiedenen Aufgabenstellungen in der Solar-Industrie eingesetzt werden. Referenten sind Mitarbeiter einschlägiger Fraunhofer-Institute sowie von ANSYS Germany und CADFEM. Die Teilnahme ist kostenfrei. Information: Neues Release von FTI FormingSuite Mit dem neuen Release von FormingSuite 8.2 wird die bisherige Modulstruktur des FTI-Angebots überarbeitet. Erstmals werden neue CostOptimizer und MultiStage Bundle-Angebote allen Anwendern deutlich erweiterte Funktionalität zu signifikant günstigeren Konditionen zur Verfügung stellen. Der neue CostOptimizer beinhaltet z.b. die Möglichkeit der Materialkostenoptimierung von Folgeverbundbauteilen. Hiermit sind die Planer frühzeitig in der Lage, die optimale Methode für die Fertigung der Blechbauteile zu analysieren und die Materialkosten deutlich zu senken. Diese Funktionalität steht nun auch für existierende Fastblank- und Blanknest-Kunden als attraktives Upgrade bereit. Multistage bietet dem Methodenplaner ein starkes Tool zur detaillierten Analyse der unterschiedlichen Fertigungsstrategien. Aufgrund der kurzen Rechenzeiten kann der Planer schnell Strategien analysieren und Entscheidungen treffen. Auf bestehende Kunden mit Fastform/Fastform Advanced wartet ein interessantes Upgradeangebot. Aber auch für neue Anwender bieten die Bundles ein völlig neues Preis-Leistungsverhältnis. Gerne stehen wir Ihnen für weitere Informationen in einem persönlichem Beratungsgespräch zur Verfügung. Ansprechpartner: Tobias Menke, CADFEM GmbH Hannover Tel. +49 (0) Infoplaner 02/2010

15 CADFEM News Schweiz: 3-tägiger Werkzeugmaschinen-Workshop Die CADFEM (Suisse) AG hat einen 3-tägigen Workshop speziell für Anwender aus der Werkzeugmaschinen-Branche entwickelt. Er vermittelt anhand von 6 Praxis-Beispielen wie typische Aufgabenstellungen wie die Modellierung von Lagern korrekt abgebildet wird und wie Steifigkeiten, die Festigkeit, Temperatureinflüsse, harmonische Anregungen oder Eigenfrequenzen berechnet werden. Der Workshop richtet sich an Konstrukteure und Berechner im Umfeld von Werkzeugmaschinen. Sie erhalten eine Rezeptbuchanleitung wie State-of-the-Art FEM-Analysen für Werkzeugmaschinen durchgeführt werden. Termine: September 2010 in Lausanne (CH) September 2010 in Aadorf (CH) CADFEM US, Inc. gegründet Seit Juli 2010 gibt es CADFEM auch in den USA. In Greenville, South Carolina, direkt im CU-ICAR (Clemson University International Center for Automotive Research), dem High-Tech-Zentrum der renommierten Clemson University. Das CU-ICAR verfügt über eine hervorragende Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur und hat sich zu einem bevorzugten R&D-Standort vieler Großkonzerne aus dem Automobilsektor entwickelt. Das CADFEM Büro wird geleitet von Steve Junor, der zuvor bei CADFEM in Deutschland gearbeitet und Anfang des Jahres erfolgreich den berufsbegleitenden Masterstudiengang Applied Computational Mechanics abgeschlossen hat. CADFEM US, Inc. CU-ICAR Partnership Office 5, Research Drive Greenville, SC USA Tel Informationen zum CU-ICAR: Ihr international akkreditierter Zertfizierer für die Qualitätsmanagementsysteme nach ISO 9001:2008 und Umweltmanagementsysteme nach ISO 14001:2005 Zertifizierungsgesellschaft für Managementsysteme mbh Prinzenstrasse 10A Hannover Kontakt: Tel. +49 (0)

16 Themenschwerpunkt: Medical FEM-Simulation im Dienste der Gesundheit Die Ausgaben für das Gesundheitswesen liegen in Deutschland bei über 10% des gesamten Bruttoinlandproduktes (BIP). Damit nimmt die Gesundheitsbranche die Spitzenposition ein und ist eine der wenigen Branchen, die unabhängig von allgemeinen ökonomischen Krisen ein kontinuierliches Wachstum vorweisen können. Ein Teil dieser Ausgaben bzw. Umsätze entfallen auf die Medizintechnik, die für Deutschland einen attraktiven Zukunftsmarkt darstellt. Der Umsatz lag im Jahr 2009 bei ca. 17 Mrd. EUR und ist seit 1995 mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 7% erheblich stärker gewachsen als die Industrie insgesamt (ca. 4% pro Jahr)*. Außerdem kann die Medizintechnik in Deutschland eine besonders hohe Exportquote von 63% vorweisen, wobei die deutschen Hersteller von Medizintechnik einen Weltmarktanteil in der Größenordnung von 10% erreichen. Sie profitieren insbesondere von ihren innovativen und wettbewerbsfähigen Produkten. Damit die Firmen ihren Vorsprung aber halten können, sind sie gezwungen, stetig neue Produkte zu entwickeln und die bestehenden weiter zu optimieren. Gleichzeitig muss der gesamte Produktentstehungsprozess effizienter gestaltet werden und trotzdem die hohe Qualität gesichert sein. Simulation in der Medizintechnik Mehr Effizienz bei mindestens gleichbleibend hoher Qualität lässt sich unter anderem durch eine umfassende Einbindung der FEM-Simulation in den Produktentwicklungsprozess erreichen. Außerdem kann dies dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens grundlegend zu verbessern. Erstaunlicherweise ist in der Medizintechnik im Vergleich zu den Unternehmen aus dem klassischen Ingenieurwesen wie dem Maschinenbau oder der Automobilindustrie die Durchdringung der FEM-Simulation noch gering. Ein Grund kann darin liegen, dass der Markt von kleineren Unternehmen dominiert wird. In Deutschland haben 90% der Unternehmen aus der Medizintechnik weniger als 100 Mitarbeiter und nur 2% mehr als 500 Mitarbeiter. In kleineren Unternehmen herrscht häufig noch die Meinung, dass zur Nutzung der FEM-Simulation hohe Investitionen notwendig sind, dass sich der Einsatz nur für große Unternehmen lohnt und die Systeme nur von Experten bedient werden können. Dass sich die Investitionen schnell amortisieren und mit guter Schulung und bedarfsgerechter Anwen- derunterstützung seitens des Software-Anbieters auch normale Konstrukteure von den FEM-Anwendungen ohne weiteres profitieren können, konnte schon in vielen Fällen bewiesen werden. Die Fragestellungen, die im medizinischen Bereich mit Hilfe von FEM-Lösungen effizienter beantwortet werden können, sind sehr vielfältig. Einige konkrete Anwendungsbeispiele finden Sie auf den folgenden Seiten. Simuliert wird unter anderem das Verhalten von diversen medizinischen Geräten bei Siemens Healthcare. Ein weiterer anschaulicher Anwendungsfall sind Einzelkapsel-Inhalatoren von Boehringer Ingelheim, mit denen Medikamente in Pulverform bereitgestellt und mit einem Atemzug in die Lunge des Patienten gelangen sollen. Hier hilft den Ingenieuren die Strömungssimulation, um eine optimierte Kapselentleerung und Gestaltung der Luftströmungen realisieren zu können. Aber auch bei der Bildgebung mittels Computertomographie (CT) werden Simulationslösungen eingesetzt, denn bei der CT-Röntgenröhre wird lediglich etwa 1% der Energie in Röntgenstrahlen umgesetzt, der Rest muss als Wärme abgeleitet werden. Aufgrund der hohen Temperaturen und Umdrehungsgeschwindigkeiten unterliegt die Drehanode höchsten thermomechanischen Wechselbelastungen die Optimierung des Designs ist eine große Herausforderung. Simulation in der Medizin Andere Fragestellungen ergeben sich im Bereich der Implantate, also Produkten, die mit dem menschlichen Körper interagieren. Zu Implantaten zählen zum Beispiel künstliche Hüftgelenke oder Platten (Osteosynthesen), die eingesetzt werden um gebrochene Knochen zu verbinden. Viele kennen auch dentale Zahnimplantate, die als Zahnersatz genutzt werden. Hier sind als Kernmerkmale maximale Sicherheit, 14 Infoplaner 02/2010

17 Themenschwerpunkt: Medical eine perfekte Ästhetik und die einfache Handhabung zu nennen. All diese Produkte haben gemeinsam, dass hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt werden. Ein Versagen eines Implantates kann für den betroffenen Patienten unangenehm und unter Umständen sehr schmerzhaft sein. Um die Zuverlässigkeit der Implantate zu gewährleisten müssen sie nach bestimmten Normen getestet werden. Solche Tests können teilweise Wochen bzw. Monate dauern. Versagt ein Bauteil erst am Ende einer Testphase, ist jedoch schon viel wertvolle Zeit vergangen. Das Beispiel der Firma Dentaurum zeigt, dass eine FEM-Analyse, die den in den Normen definierten Test simuliert, bereits in einer frühen Entwicklungsphase wertvolle Informationen liefern kann, inwieweit das Implantat die Testanforderungen erfüllt. Außerdem sind die im Test definierten Normen sehr allgemein gehalten und geben nicht unbedingt im vollen Umfang die tatsächliche Belastung wieder. Um der Realität etwas näher zu kommen, können alternativ die während einer menschlichen Bewegung auftretenden Kräfte mit Hilfe von Computermodellen bestimmt werden. Für solche Anwendungsfälle hat die Firma AnyBody Tech die Software AnyBody Modelling System entwickelt. Mit AnyBody lassen sich bei einer beliebigen Bewegung, beispielsweise beim Treppensteigen oder beim Ein-und Aussteigen aus einem Fahrzeug, die wirkenden Muskel- und Gelenkkräfte bestimmen. Diese Kräfte können dann als Eingangsgröße für eine FEM-Simulation dienen. Auf diese Weise ist es denkbar, dass Implantathersteller ihre Produkte, nicht nur bezüglich der geforderten Norm untersuchen, sondern sie auch auf Belastungsszenarien aus dem täglichen Alltag hin analysieren. Mittelfristig wäre auch denkbar, dass die oben erwähnten Implantate patienten-individuell mit FEM-Anwendungen simuliert werden, um die mechanische Stabilität zu sichern. Berücksichtigt werden könnte dabei der tragende Knochen des Patienten und die Einbausituation des Implantates. Mit solchen patienten-individuellen Simulationen ließen sich dann Operationen im Vorfeld planen und hinsichtlich biomechanisch relevanter Größen optimieren. Das wäre dann der Schritt von der Simulation in der Medizintechnik hin zur Simulation in der Medizin, also am Patienten. Für solche patienten-individuellen Anwendungen in der FEM-Simulation sind zahlreiche weitere Einsatzgebiete vorhanden. Der Artikel ab Seite 24 geht näher auf die entsprechenden Fragestellungen ein. Zusätzlich zur fachlichen Expertise sind für patienten-individuelle FEM-Simulation spezielle Softwarelösungen erforderlich, die den gesamten Workflow von der Tomografie bis zur Nutzung der FEM-Ergebnisse unterstützen (siehe Seite 26). Gemeinsam mit der Forschungsgruppe CAPS unter der Leitung von PD Dr. med. Laszlo Kovacs vom Klinikum rechts der Isar identifiziert CADFEM solche Fragestellungen und entwickelt gemeinsam mit den Ärzten entsprechende Lösungsansätze. Die patienten-individuelle FEM-Simulation kann somit zukünftig dazu beitragen, die Kosten im Gesundheitssystem zu reduzieren. Autor Autor und Ansprechpartner Christoph Müller, CADFEM GmbH Grafing Tel. +49 (0) i Information * Quellen: Statistisches Bundesamt, SPECTARIS Computer Aided Medical Engineering (CAME) Die Zeitschrift CAME aus dem expert-verlag zeigt anhand aktueller technischer Fachbeiträge und Aufsätze, wie im Ingenieurwesen etablierte Simulationsmethoden in der Medizin eingesetzt werden. Herausgeber sind Christoph Müller, CADFEM GmbH, PD Dr. med Laszlo Kovacs, Klinikum rechts der Isar, München und Nabil Ben Salah, Materialise GmbH. Ein Freiexemplar können Sie per anfordern: << Infoplaner 02/

18 Themenschwerpunkt: Medical Designanalyse moderner Hochleistungsröntgenröhren mit ANSYS Workbench Die numerische Simulation hat sich in den letzten Jahren als ein wesentliches Tool bei der Entwicklung medizintechnischer Produkte etabliert. Neben der klassischen Analyse durch den Berechnungsingenieur spielt die softwareunterstützte Parametervariation eine immer wichtigere Rolle. Als Dienstleister für Simulationsrechnungen innerhalb des Siemens Healthcare Sektors ist unsere Arbeitsgruppe für die Durchführung der Berechnungsaufgaben aus der Entwicklung und Produktion verantwortlich. Eine breite Ausstattung mit kommerziellen Softwaretools ermöglicht Anwendungen in der Struktur- und Strömungsmechanik, thermische Analysen, elektromagnetische Simulationen sowie Strahlendosis Berechnungen. Generell können in den letzten Jahren zwei wesentliche Trends beobachtet werden: Zum einen ermöglicht die Ausstattung mit leistungsfähigen 64bit Rechensystemen die Verwendung immer detailliertere Modelle, zum anderen wird die Variation der eingehenden Modellparameter im Sinne einer Design Exploration immer wichtiger, was im Folgenden an einem Beispiel aus der Röntgenstrahlerentwicklung illustriert werden soll. Bild 1:Medizinische Bildgebung mittels Computertomographie Virtual Reality Darstellung des Typs Siemens SOMATOM Definition Flash. Bildgebung mittels Röntgenstrahlen Röntgenröhren als Strahlenquelle im Röntgengerät haben auf die Bildqualität des Systems einen wesentlichen Einfluss. In der modernen Radiologie werden zwei Typen von Röntgenaufnahmesystemen eingesetzt. Fest- oder Stehanoden bei niedrigen Leistungen, z.b. für die endorale Aufnahmetechnik (Dental) und Drehanoden für Hochleistungsstrahler bei Kardangiographie- und Computertomographie-Systemen (CT) (Bild 1). Die grundsätzlichen Elemente einer Röntgenröhre sind die Vakuumhülle, der Kathodenaufbau, die Anode einschließlich der Brennbahn und das Kühlsystem (Bild 2). Die im Kathodenaufbau freigesetzten und fokussierten Elektronen werden durch die angelegte Hochspannung beschleunigt und im Wolframtarget der Anode abrupt abgebremst. Bei diesem Vorgang wird nur ein geringer Bruchteil der Elektronenenergie <1% in Röntgenstrahlung umgesetzt, der überwiegende Anteil muss als Verlustwärme abgeführt werden. Insbesondere bei CT-Anwendungen müssen große Energiemengen während den Patientenuntersuchungen in der Anode gespeichert und durch ein Kühlsystem effizient abgeführt werden. Die Aufnahmezeiten variieren stark mit der jeweiligen Anwendung und können z.b. bei der Einzelschicht-Spiral-CT, mit entsprechend angepassten Betriebsparametern, bis zu einer Minute betragen [1-3]. Komplexe physikalische Modelle Eine Vielzahl physikalischer Effekte ist in den implementieren Strahlermodellen integriert, angefangen vom nichtlinearen Materialverhalten durch die hohen Belastungen, Wärmestrahlung aufgrund der hohen Temperaturen und Strömungsmechanik beim Wärmetauscher bis hin zu thermoelektrisch-mechanischen Simulation der Kathode des Strahlers (Bild 2). Hohe thermische und mechanische Belastungen Das thermomechanisch am höchsten beanspruchte Element einer Röntgenröhre ist der Anodenteller. Bei Verbundanoden besteht der Grundkörper aus einer Molybdänlegierung, als zusätzlicher Wärmespeicher dient ein angebrachter Graphit Körper. Die Röntgenstrahlung wird in einer dünnen Schicht aus einer Wolframlegierung, der Bild 2: Temperaturverteilung für ein qualitatives Strahlermodell mit den Komponenten Kathode (A), Anode (B) und Lager (C). 16 Infoplaner 02/2010

19 Themenschwerpunkt: Medical Bild 3: Erwärmung der rotierenden Anode im klinischen Einsatz. Bild 4: Darstellung von Parameterabhängigkeiten mittels Antwortflächen im DesignXplorer. Brennbahn der Anode, erzeugt. Die Betriebszeit einer Röntgenröhre wird wesentlich durch die thermische Erwärmung der Anode bestimmt. Der kontinuierlichen Erwärmung der rotierenden Anode während einer klinischen Anwendung ist der zeitlich kurze Temperatursprung am Ort der Röntgenstrahlentstehung, dem Brennfleck, überlagert (Bild 3a). Die Materialeigenschaften der Brennbahn definieren die maximale Einsatztemperatur. Mechanische Belastungen entstehen aufgrund der thermischen Ausdehnung der Materialien und den hohen Fliehkräfte während der Rotation der Anode. Parametrisierte Rechenmodelle Moderne Röntgenröhren müssen für unterschiedlichste klinische Belastungsszenarien konzipiert werden, mit kontinuierlich steigenden Anforderungen an die Flexibilität des Systems. Prinizipiell können Kurzzeitbelastungen mit höchsten Wärmeströmen und Langzeitbelastungen mit geringeren Wärmeeinträgen unterschieden werden, wodurch unterschiedliche Anforderungen an das Anodenkonzept resultieren (Bild 3b). Verschiedene Design Ziele können allerdings gegenläufig sein, z.b. kann generell durch eine Erhöhung der Anodenmasse die Wärmespeicherfähigkeit der Anode vergrößert werden, gleichzeit können aber die auftretenden Spannungen zunehmen und die Belastung des Lagers steigt aufgrund der erhöhten Masse an. Zur Unterstützung unserer aktuellen Entwicklungsprojekte haben wir in der ANSYS Workbench eine voll parametrisierte Strahlergeometrie implementiert. Die Umsetzung in der Workbench erlaubt eine einfache Variation aller relevanten Modellparameter zum Anodenaufbau, den Prozessparametern und den Kühlungsbedingungen. Wesentliche Rechenergebnisse sind die maximal mögliche Belastungszeit, sowie Temperatur- und Span- nungsverteilungen. Typische Fragestellungen bei der Analyse verschiedener Designvarianten sind: Wie groß ist die maximale Belastungszeit bei einer gegebenen Wärmestromdichte? Was ist die geringst mögliche Anodenmasse bei gleichbleibendem thermischen Verhalten? Führt eine Erhöhung der Kühleffizienz zu einer Reduktion der Brennbahntemperatur? Was ist die maximal mögliche Rotationsfrequenz der Anode? Neben den Standardfunktionalitäten der Workbench sind einige spezielle Erweiterungen mittels Commando Objekten integriert. Z.B. ist zur Unterstützung der Datenanalyse ein Commando Objekt zum automatisierten speichern der zuvor mit dem Befehl \plnsol erzeugten tif-grafiken implementiert. Die zu einer Design Variante gehörigen Screenshots werden bei der Evaluierung der Parametersätze (Design Of Experiments) in einem Verzeichnis abgelegt, so dass die Simulationsergebnisse den verschiedenen Design Points leicht zugeordnet und damit auch visuell ausgewertet werden können. Durch die Parametervariation kann der Einfluss unsicherer Materialparameter und Randbedingungen leicht quantifiziert werden, Minimal- und Maximalwerte ermöglichen einen schnellen Überblick über die mit einem Design prinzipiell erreichbaren Werte, z.b. zur maximalen Belastungszeit. Parameterabhängigkeiten können mit den Analysetools des DesignXplorers mittels Antwortflächen visualisiert werden, z.b. die Erwärmung der Anode für ein bestimmtes Anwendungsszenario in Abhängigkeit zweier wesentlicher Designparameter (Bild 4). Fazit Es hat sich gezeigt, dass aufgrund der Komplexität moderner Röntgensysteme die benötigte Entwicklungszeit durch die Anwendung der Optimierungstools des ANSYS DesignXplorers reduziert werden kann. Mit Hilfe der deterministischen Analyse wurde eine vollständig parametrierte Anodengeometrie hinsichtlich des thermomechanischen Verhaltens für eine Vielzahl von Belastungsszenarien analysiert. Kritische Designparameter können identifiziert und das ingenieursmäßige Verständnis des Produkts erhöht werden. Eine weitere Erhöhung der Stabilität bei der Evaluierung von Designvarianten und des Benutzerkomforts bei der Auswertung dieser Ergebnisse ist unserer Meinung nach entscheidend dafür, dass sich die parametrisierte Modelloptimierung im Berechnungsalltag auf breiter Basis durchsetzen wird. << Autoren Dr. Marc Hainke, Siemens AG, Healthcare Sektor Thomas, Ohrndorf, Siemens AG, Healthcare Sektor Literatur [1] Morneburg, H.: Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik, Publicis, Erlangen, [2] Hertrich, P.: Röntgenaufnahmetechnik Grundlagen und Anwendungen, Publicis, Erlangen, [3] Kalender, W.A.: Computertomographie, Publicis, Erlangen, Infoplaner 02/

20 Themenschwerpunkt: Medical Innovative Zahnimplantate, mit ANSYS optimiert und dauerfest ausgelegt 2 Millionen Mal kraftvoll zubeißen tiologic ist ein innovatives Implantatsystem der Firma Dentaurum, in dem langjährige klinische und prothetische Erfahrungen und zukunftsweisende implantologische Aspekte umgesetzt sind. Das Implantatdesign hat ein mehrstufiges Entwicklungskonzept durchlaufen, bei dem FEM-Berechnungen mit dem Programm ANSYS wichtige Informationen geliefert haben, um den Dauerfestigkeitsnachweis nach DIN EN ISO auf Anhieb zu bestehen. Die Dentaurum-Gruppe entwickelt, produziert und vertreibt weltweit Produkte für Zahnärzte, Kieferorthopäden und Zahntechniker. Als inhabergeführtes Familienunternehmen mit Hauptsitz in Ispringen bei Pforzheim ist Dentaurum nicht nur eines der führenden, sondern mit seiner fast 125-jährigen Firmengeschichte auch das älteste Dentalunternehmen der Welt. Damit sich die Kunden stets auf Hochwertiges verlassen können, investiert Dentaurum sehr viel in Produktion und Qualitätssicherung. Unter anderem gehört Dentaurum zu den ersten Firmen der Dentalbranche, die nach den Bestimmungen der Medizinprodukterichtlinie und des EG-Öko-Audits zertifiziert wurden. Das zahntechnische Programm von Dentaurum umfasst Verbrauchsmaterialien, High-Tech Geräte, Dentallegierungen und Hochleistungskeramiken. In der Kieferorthopädie deckt das Produktangebot den gesamten Bereich der festsitzenden und herausnehmbaren Technik ab. In der Implantologie überzeugt das innovative tiologic Implantatsystem gleichermaßen durch Vielfältigkeit und Überschaubarkeit. Kernmerkmale sind seine maximale Sicherheit, eine perfekte Ästhetik und das einfache Handling. Dieser Beitrag beschreibt, wie FEM-Berechnungen mit ANSYS zur Qualitätssicherung der tio- Logic -Produktfamilie beigetragen haben. Das tiologic Implantatsystem Die Implantate des tiologic Implantatsystems sind zur Insertion im Ober- und Unterkiefer geeignet. Auf den Implantaten Bild 1: Kieferschnitt mit tiologic -Implantat Bild 2: Schema des tiologic Implantatsystems werden je nach Indikation Aufbauten fixiert und mit einer prothetischen Suprakonstruktion versorgt (Bild 1). Die Besonderheiten dieses neuen Systems berücksichtigen neueste implantologische und ästhetische Erkenntnisse. So wurde der Übergang vom Implantat zum prothetischen Aufbau nach innen verlagert. Das Implantat selbst ist ein konisch-zylindrisches Schraubenimplantat mit einer speziellen Innenverschlüsselung zur rotationsstabilen Aufnahme der prothetischen Aufbauten über eine Schraube. Es weist zwei übereinander gelagerte Gewinde auf, ein Grobund ein Feingewinde. Beide Gewinde wurden so konzipiert, dass Spannungsspitzen sowie lokale gestaltungsbedingte Überbelastungen im Knochenlager vermieden werden. Um diese innovativen Eigenschaften des Systems abzusichern und gleichzeitig Optimierungsmöglichkeiten gegenüber dem über viele Jahre erfolgreichen Vorgängersystem TIOLOX zu ermitteln, wurden FEM-Berechnungen mit ANSYS vorgenommen. Diesen schließt sich ein Dauerfestigkeitsnachweis nach DIN EN ISO an. Ein Dentalimplantat muss auf lange Zeit hohen funktionellen Belastungen widerstehen, d.h. es muss eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Um dies zu gewährleisten werden dentale Implantate experimentell nach der internationalen Norm DIN EN ISO (Ermüdungsprüfung für enossale dentale Implantate) überprüft. Die Norm schreibt vor, dass das Implantat 2 Millionen Belastungszyklen unbeschadet übersteht. 18 Infoplaner 02/2010

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