Wenn ein Unternehmen einen Kunststofftechniker als Senior Product Developer einstellt, dann muss man über seine Aufgabe nicht lange spekulieren: das Aufspüren der Einsparpotenziale von Metallersatz durch Kunststoff. Maximale Einsparpotenziale winken, wenn es sich um komplexe und relativ teure Sonderanfertigungen handelt. Doch unverzichtbar ist die Fähigkeit des Entwicklers, sowohl das Zusammenspiel der Baugruppenteile als auch deren Herstellung vollkommen neu denken zu können. Eine in diesem Sinne kleine Sensation gelang dem Projektmanager Jochen Zöller von Brita Professional in Taunusstein. Seine Neukonstruktion eines Zweiwege-Hahns für ein Wasserfiltersystem, das in Kaffee-Großautomaten und ähnliche Geräte eingebaut wird, erreichte eine Einsparquote von 83% bei mindestens gleicher, wenn nicht sogar höherer Produktqualität. Das brachte ihm neben besonderer Anerkennung der Geschäftsleitung den begehrten Metallersatz-Award 2010 ein, der alljährlich von Barlog Plastics auf deren Engelskirchener Technologietag vergeben wird.

Begonnen hatten die ersten Metallersatz-Projekte 2002, als Zöller bei Brita Professional die Aufgabe der Produkt- und Prozessoptimierung übernahm. Zum Beispiel ein Reduzierstück aus Messing, das durch ein Kunststoff-Bauteil ersetzt werden sollte. Dabei lernte er viel über weltweit bestehende unterschiedliche Trinkwasserverordnungen, Werkstoffzertifizierungen und die hohen Ansprüche seiner Firma, in jeder Hinsicht maximale Qualität sicher zu stellen. Und die Ergebnisse der ersten Projekte, die jeweils etwa 60% Kosteneinsparungen brachten, machten Mut für weitere Projekte dieser Art.

Weniger ist mehr oder wie aus 13 Bauteilen nur noch sechs werden

In den Folgejahren nahm Zöller den Spülhahn in einer Filteranlage ins Visier. Die Baugruppe aus Metall war – wie übrigens so manche Traditionslösung – nicht der Weisheit letzter Schluss. Zöller: „Dieser Zweiwege-Durchgangshahn war eine Sonderanfertigung und deshalb relativ teuer. Aber eigentlich war es nur ein simples Bauteil zum Entlüften des Filtersystems.“ Doch „von der Stange“ sei nichts zu bekommen gewesen. Der kleine Bauraum erforderte spezielle Teilegrößen und Gewindegeometrien, und bestimmte Teile mussten versilbert werden, da beispielsweise Chrom und Nickel nicht ins Wasser abgegeben werden dürfen. Doch damit nicht genug: Probleme während der Herstellung hatten immer wieder zu Undichtigkeiten geführt, die man erst bei den Tests am Ende der Prozesskette feststellen konnte und dann für teuren Ausschuss sorgten. Kurz: Zu hoher Aufwand für eine simple Aufgabe.
Bei dem „neu denken“ einer Kunststoff-Spritzgusskonstruktion hilft heute üblicherweise die CAD-Software, und so war das Grundprinzip der Neukonstruktion nach kurzer Zeit festgelegt. Doch dann scherte der Tüftler aus: „Papier und Kuli geben mir zunächst mehr Freiraum. Es ist wichtig, die Vorzüge und Schwächen beider Systeme zu kennen.“ Schon früh bindet Zöller Zulieferer und Serviceberater ein. Bei der Werkstoffwahl habe ihn beispielsweise Barlog Plastics aus Engelskirchen mit einem glasfaserverstärktem Polyphthalamid (PPA) vom EMS Grivory beim Material unterstützt. Füllsimulationen der Bauteile, Festigkeitsberechnungen, Belastungssimulationen und weitere Untersuchungen führten zu einem zügigen Fortschritt der Entwicklung. Das war auch gut so, denn das Tracking des Projektes verlangte einen monatlichen Rapport mit Darstellung aller Kostenfaktoren, Montagekosten, Teilepreise und so weiter. Der Projektmanager: „Bei einem Einsparprojekt werden mit jeder wesentlichen Iteration die Preise aktualisiert, die stets ein transparentes Bild des Ganzen geben.“ Aber mit etwa 70 Prozent Einsparpotenzial schon zu Projektbeginn hatte er reichlich Luft für langen Atem.
Das Ergebnis der Neukonstruktion waren zwei Zweifachwerkzeuge, eines für den drehbaren Einsatz und eines für das Gehäuse. Zwei Kunststoff-Spritzgussteile erreichen dieselbe Funktion wie zuvor elf, davon sechs aus Metall speziell gefertigte Bauteile. Nicht nur bei Material und Herstellung, sondern vor allem beim Fügen der Bauteile ergeben sich enorme Kosteneinsparungen, bei einem Bauteil 54% und beim anderen 70%. Die Frage nach einem Familienwerkzeug klärt der Konstrukteur schnell: „Das war schon maximale Funktionsintegration. Bei dem Gehäuse werden im Werkzeug die innenliegenden Gewindekerne herausgedreht, um werkzeugfallende, montagefertige Teile zu bekommen.“

Problem mit der Schnappverbindung

Doch ganz so einfach lief das Projekt nicht im Ziel ein. Zöller: „Das war alles andere als ein Durchmarsch.“ Für die Befestigung des Einsatzes im Gehäuse hatte er eine Schnappverbindung konstruiert. Die Frage, ob die Spannungen und Dehnungen richtig berechnet waren und ein Kunststoffteil entstanden sei, das gleichzeitig flexibel und steif genug ist, sollte ein Modellversuch beantworten, der gemeinsam mit den Engelskirchener Werkstoffspezialisten durchgeführt wurde. Zöller resümiert: „Wir bewegten uns auf einem maximalen Niveau der Auslenkung der Clipnase versus optimaler Stabilität.“ Dieser Versuch machte allen Beteiligten einen Strich durch die Rechnung. Der Kunststoff-Clip hatte keine Chance, die Montage zu überleben. Nun war guter Rat teuer. Die Rettung war die altbewährte Verschraubung, die allerdings die gewünschten Kosteneinsparungen konterkarierte. Wider Willen aber musste der Kunststoffexperte ein Metallteil wieder zulassen. Die Kalkulation musste folglich nach oben korrigiert werden – plus ein Bauteil, plus eine Montage.

Und dann noch eine Tropfleckage

Obwohl in der Brita-Produktion die Umstellung auf diese Kunststoff-Variante wie geplant und ohne Probleme verlief, blieb der Konstrukteur unzufrieden. Er erinnerte sich noch einmal an die Hinweise von Peter Barlog von Barlog Plastics: „Mach‘ den Clip etwas länger, gib ihm mehr Weg und mach‘ ihn dünner.“ Der Tipp mit dem Weg gab dann den Ausschlag. Zöller fand eine Möglichkeit, die Position des Clips zu verlegen und wichtige Millimeter in der Länge zu gewinnen. Trotzdem blieb die FEM-Berechnung stur und im Ergebnis bei der Signalfarbe rot. Doch just in diesem Moment erreichte den Tüftler die Nachricht, dass sich einige wenige Verschraubungen bei dem Hahn wieder gelöst hatten – und das waren einige zu viel für ein Null-Fehler-Projekt. Zöller erinnert sich: „Diese Spülhähne hatten alle internen Tests mit 500 Mal Öffnen und Schließen klaglos überstanden, was weit über der Spezifikation liegt. Vielleicht hat der Kunststoff im ein oder anderen Fall doch soweit relaxiert, dass sich die Schraube lösen konnte. Und auch eine Tropfleckage ist ärgerlich genug, denn das ist im Premiumbereich nicht akzeptabel.“ Die naheliegende Lösung des Problems mit einem Spezialkleber war schnell gefunden, und auch die nochmals leicht gestiegenen Kosten waren nicht das Problem.

Tüftler-Ehrgeiz führt zum Ziel

Das Problem mit dieser Lösung war die Unzufriedenheit des Erfinders, der Ehrgeiz des „richtig machen Wollens“, der unbedingt den Schnappverschluss durchsetzen wollte. Der Brita-Entwickler optimierte noch einmal die kritischen Bereiche und wagte es dann, trotz immer noch „roter Stellen“ die reine Kunststoffvariante für die Produktion auf grün zu schalten. Sein Hintergedanke: „Der Clip wird ja nur einmal im kritischen Bereich beansprucht, dann liegt er ohne Spannung an, die Verbindung ist form- und nicht kraftschlüssig.

Dieser Mut zahlte sich aus. Jetzt sind wieder alle Metallteile ersetzt – keine Schraube, kein Kleber, keine zusätzliche Montage sind erforderlich. Und das Wichtigste: Bis jetzt kein Ausschuss. Damit landete Zöller bei der unerwartet hohen Einsparquote von insgesamt 83 Prozent. Und er verrät augenzwinkernd: „Wir erreichen mit dem Kunstoffhahn Berstdrücke von über 80 bar, brauchen aber nur 35. Da müsste ich mir doch den Vorwurf gefallen lassen, das Ding ist viel zu stabil, oder?“

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Über den Autor

Heinz-Jürgen Rottig, freier Journalist, Dinslaken