Der Ansaugstutzen eines Erntemaschinen-Motors ist ein Bauteil, welches der Systemkomponenten-Anbieter Vauth-Sagel, Brakel-Erkeln, im Zuge einer Produktkostenoptimierung überarbeiten sollte. Das Bauteil führt die während der Nutzung angesaugten Feststoffe der Luft ab. So wird vermieden, dass sich die Oberfläche des Kühlers zusetzt und gleichzeitig sichergestellt, dass der Motor optimal gekühlt wird und es nicht zu Leistungsverlusten durch Überhitzen des Motors kommt.

Produktionszeiten verkürzen und Kosten senken

Ursprünglich bestand das Maschinenteil aus einer zweiteiligen Schweiß-Baugruppe: einem abgewinkelten Rohr und einem Befestigungsblech. Bei deren Herstellung sind unterschiedliche Prozesse notwendig, wie Sägen, Biegen, Zuschneiden und Schweißen. Die komplette Baugruppe wurde auf ein Kunststoff-Spritzgussteil umgestellt, was ein Vereinfachen des Produktionsprozesses bedeutet.

Der Ansaugbereich liegt im Außenradius einer rotierenden Trommel und ist im laufenden Betrieb enormen Schlag- und Stoßkräften ausgesetzt. Ein anderes Material schien daher lange undenkbar. Zudem wurde speziell für dieses Bauteil im Rahmen der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse bei entscheidenden Bewertungskriterien eine hohe Risikoprioritätszahl (RPZ) ermittelt. Nicht zuletzt vor diesem Hintergrund war eine konstruktive Veränderung der Befestigung notwendig. Technisch wäre ein Umgestalten des vorhandenen, metallischen Bauteils machbar gewesen, wirtschaftlich hingegen ließ sich die Modifikation nicht abbilden. Der Hersteller hat sich für ein Spritzgussteil entschieden.

Spritzguss erfordert andere Geometrien

Bedingt durch die notwendigen Erweiterungen veränderte sich der Filterkorb, welcher mit dem Luftansaug­stutzen direkt verbunden ist. Hier musste der Hersteller, neben der bestehenden Geometrie, den Bereich der direkten Anbindung an den Filterkorb ebenfalls vergrößern. Je nach Ausführung der Erntemaschine kommen künftig zwei Varianten zum Einsatz. Eine weitere Aufgabe bestand darin, die Montagezeit des Bauteils zu reduzieren. Bei der bislang verwendeten Metallkonstruktion waren die Anschraubpunkte schwer zugänglich, daher wurde die Anbindung des Spritzgussteils an das Gehäuse verändert, um eine bessere Zugänglichkeit zu ermöglichen. Die Anbindung erfolgt nun direkt an das Maschinengehäuse. Dies erleichtert den Montageaufwand und senkt den Einsatz der benötigten Montagemittel.

Schlüsselstelle: die Befestigung des Ansaugstutzens

Um eine optimale Befestigung am Gehäuse zu realisieren, wurden entsprechende Festigkeitsberechnungen durchgeführt. Die Torsion des Bauteils und die daraus resultierenden Kräfte auf die Befestigungs- und Anschraubsituation stellten sich dabei als die größte Hürde heraus.
Parallel zur Konstruktion des Bauteils wurde, speziell im Hinblick auf die Befestigung und deren Belastbarkeit, das Schwindungsverhalten des ausgewählten Werkstoffes und der daraus resultierende Verzug permanent mitbetrachtet.

Computersimulation für eine fehlerfreie Neuentwicklung

Um den Herstellungsprozess so einfach und kostengünstig wie möglich zu halten, sollten mittels Wechseleinsätzen beide Bauteile in einem Spritzgießwerkzeug entstehen. Dazu war es notwendig, die Lage des Anspritzpunktes so zu positionieren, dass dieser Bereich immer gleich gefüllt wird – unabhängig von der jeweils zu fertigenden Variante.

Dadurch lassen sich beim Herstellen des Bauteils Druckspitzen vermeiden, welche Spannungen erzeugen, die sich wiederum negativ auf die Festigkeit auswirken.

Für derartige Aufgaben bediente sich das Unternehmen der Simulation mit dem Autodesk-Programm Moldflow. Bereits am Bildschirm konnten die Ausführenden die in Bezug auf ihre Festigkeit noch nicht optimalen Bereiche weiterhin verbessern. Die Binde­nähte beispielsweise konnten durch mehrere unterschiedliche Maßnahmen in andere Segmente des Bauteils verschoben werden. Nur im Bereich der Anschraubbohrungen war dies nicht möglich. Dort erreichten die Entwickler die notwendige Festigkeit durch eine Wandstärkenanpassung.

Standardmaterial statt kostenintensivem Spezialkunststoff

Aufgrund der technischen Anforderungen wie Verzug, Festigkeit und Spannungshaushalt im Bauteil und unter Berücksichtigung der Bauteilkosten fiel die Werkstoffauswahl auf ein trockenschlagzähes, glasfaserverstärktes Polyamid 6. Die Konstruktion der Befestigungsbereiche ließ den Einsatz dieses technischen Werkstoffs zu, ohne dass auf eine speziell modifizierte Materialtype ausgewichen werden musste. Optimale Ergebnisse hinsichtlich Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit konnten beim Herstellen des Spritzguss-Bauteils durch eine Kombination aus Füllzeit und gestuftem Nachdruck mit definierter Nachdruckzeit erzielt werden. Kühl- und Temperierkanäle wurden so eingebracht, dass diese, falls erforderlich, im Bereich der Binde­nähte separat temperiert werden können und so zusätzlich Einfluss auf die Bindenahtfestigkeit nehmen.

Offene Kommunikation als Grundlage für Projekterfolg

Trotz der Restrisiken und Anforderungen, die mit einem Materialwechsel von Stahl und Blech zu Kunststoff verbunden sind, konnten die beauftragten Ingenieure aufgrund der Zusammenarbeit und offenen Kommunikation mit dem Auftraggeber das Projekt umsetzen.

 

Experten-Tipp

Die Risikoprioritätszahl (RPZ)

Für die Fehlermöglichkeit- und Einflussanalyse (FMEA), die der analytischen Erkennung, Entdeckung, Bewertung und Vermeidung möglicher Fehler an Konstruktionen, Systemen, Produkten oder Prozessen dient, lässt sich die Risikoprioritätszahl berechnen. Fehler am System, Produkt oder Prozess werden nach der Bedeutung (B-Wert), der Auftrittswahrscheinlichkeit (A-Wert) und der Entdeckungswahrscheinlichkeit (E-Wert) mit Zahlenwerten zwischen 1 und 10 bewertet. Werden diese Werte miteinander multipliziert ergibt sich eine RPZ zwischen 1 und 1.000. Ist der Wert hoch, ist der Fehler schwerwiegend und sollte schneller beseitigt werden als ein Fehler mit geringem RPZ-Wert. Der Wert dient damit der Priorisierung. (Quelle: Management-Infocenter.de)

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Über den Autor

Florian Goos ist Leiter von Goos Communication und Pressekontakt bei Vauth-Sagel. f.goos@goos-communication.com