Vom Metall- zum Kunststoff-gerechten Design

Bei der neuen Schwimmbadpumpe mussten für das Filter- sowie für das Pumpengehäuse geeignete Werkstoffe gefunden werden. (Bildquelle: Albis Plastic)

Ein Unternehmen für Pumpentechnik entwickelte eine neue Pumpe für Schwimmbäder. Das Vorgängermodell der segmentspezifischen Pumpe aus Bronzeguss sollte sukzessiv durch ein Modell mit einem Filter- und einem Pumpengehäuse aus Kunststoff ersetzt werden. Die Pumpe sollte den gleichen mechanischen und thermischen Anforderungen genügen und bei möglichst geringeren Kosten den hohen Qualitätsstandards gerecht wird.

Kunststoff bietet in diesem Pumpensegment eine gute Alternative zu Bronzeguss. Neben reduzierten Materialkosten, einem verringerten Montageaufwand und einer deutlichen Zeit- und Kostenersparnis im Produktionsablauf können mit Blick auf ausbleibende  Nacharbeiten, wie CNC-Fräsen und Planen von Passflächen, die Kosten pro Stückzahl, darunter Materialkosten, drastisch gesenkt werden.

Da der Hersteller, die Herborner Pumpentechnik, hausintern ausschließlich Metallgusskomponenten produziert, war die Zulieferung und Unterstützung eines erfahrenen Spezialisten für Bauteilentwicklung und Werkzeugbau im Kunststoffsegment gefragt, um die entsprechenden Anforderungen umsetzen zu können. Die Projektarbeit erfolgte deshalb gemeinsam mit dem Systemlieferant Karl Hess aus dem nordrhein-westfälischen Burbach-Wahlbach, mit welcher der Pumpenfabrikant bereits in der Vergangenheit Projekte erfolgreich realisieren konnte.

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Die PP-Type für das Filtergehäuse ist besonders beständig gegen Chlor. Beim Deckel und bei den Clips-Verschlüssen setzten die Entwickler dagegen auf ein PA-Compound, das sich durch eine hohe mechanische Stabilität auszeichnet. (Bildquelle: Albis)

 

Expertenteam zur Werkstoffauswahl

Die technischen Anforderungen sahen vor, dass die Umsetzung und Umstellung auf Kunststoffbauteile unter Beibehaltung des Designs beziehungsweise des Grundkonzepts der relevanten Pumpenkomponenten (des Filter- und Pumpengehäuses) sowie der Anschlussmaße erfolgte.

Eine erste Werkstoffanalyse im Segment Kunststoffpumpen zeigte, dass sich die Werkstoffauswahl im Markt sehr unterschiedlich darstellt und unter anderem von Polyphenylensulfit (PPS), Polyphthalamid (PPA), Polyamid (PA) über glasfaser- oder talkumverstärktes Polypropylen (PP) bis hin zu Polyphenylenether-Typen (PPE) reicht. Um einen geeigneten Werkstoff für das Projekt zu finden, wurde das Projektteam um Experten von Albis Plastic erweitert. Der Hamburger Distributor und Compoundeur ließ seine Expertise hinsichtlich der Werkstoffauswahl einfließen, unterstützte mit Struktur- und Spritzguss-Simulationen eine optimale Werkzeugauslegung und begleitete von da an den Prozess der Werkstoffumstellung.

Die Experten selektierten entsprechend den Lasten und Anforderungen der Unterbaugruppen sowie der Verarbeitungsparameter angepasste Materialien. Eine FE-Analyse für das Filtergehäuse hatte im Vorfeld ergeben, dass ein PP mit 40 Prozent Glasfaseranteil benötigt werden würde. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde schließlich ein Altech PP-B A 2040/150 GF40  ausgewählt. Die Kunststofftype eignete sich wegen der hohen Kriechfestigkeit, der Schlagzähigkeit sowie der guten Chemikalienbeständigkeit, auch

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Die Teile der Baugruppe im Detail (Bildquelle: Albis)

gegen Chlor, was im Schwimmbadbereich besonders wichtig ist.

 

Für die Verschlussgriffe, die den Deckel fixieren, wurde jedoch eine erheblich höhere Steifigkeit benötigt. Dies konnte mit einem PA66 GF35 realisiert werden, da die PP-typische Chemikalienbeständigkeit an dieser Stelle nicht gefordert war.

 

Optimale Auslegung für eine hohe Stabilität

In enger Zusammenarbeit mit der Firma Karl Hess konnte schließlich die gesamte Baugruppe des Filtergehäuses optimal ausgelegt werden – unter Berücksichtigung der Druck- und Dichtungskräfte sowie der Verbindungstechnologien wie Deckelscharnier, Deckelverschluss und Verschraubung, realisiert durch Metallgewindebuchsen, zwecks Integration der einzelnen Bauteile.

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Die FE-Simulation zeigt die Gesamtdeformation des Verschlussgriffes unter Spannung. (Bildquelle: Albis)

Zunächst wurde eine Gelenkpresspassung für das Deckelscharnier ausgelegt. Für den Deckelverschluss wurde hingegen eine Klippsung definiert, die unter der Vorspannkraft des Dichtgummis und dem Innendruck den Lasten standhält.

Bei den Verschraubungen, die über mehrere Bauteile greift, konnte durch eine FE-Analyse entschieden werden, auf Metallgewinde- und Zylinderbuchsen zu setzen. Diese stellen eine Schraubenvorspannung auch unter zyklischem Lastwechsel permanent sicher.

Nach erfolgreicher Umsetzung des ersten Projektschrittes (Filtergehäuse) galt es, in einem zweiten Schritt das Pumpengehäuse in einem geeigneten Kunststoff umzusetzen. Besonders herausfordernd war dabei die Vorgabe, einem Innendruck von bis zu 4,5 bar und einer maximalen Temperaturbelastung von 60 °C standzuhalten. Gleichzeitig sollten die gleiche Einbausituation, Funktion sowie die Kennlinien des Vorgängermodells aus Bronzeguss beibehalten werden.

 

Auslegung ist ein Balance-Akt

Um dem ursprünglichen Design am ehesten nachzukommen, war zunächst der Einsatz von High-Performance-Kunststoffen angedacht. Dies hätte jedoch nicht, entsprechend der Planung, die Kosten reduziert.

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Das Pumpengehäuse ist hohen strömungsmechanischen Kräften ausgesetzt, was ein PP-Compound mit Glasfaseranteil gut verkraftet. (Bildquelle: Albis)

Die Auslegung stellte einen Balanceakt zwischen kunststoffgerechter Designoptimierung und strömungsmechanischen Anforderungen dar, die mit großen Wandstärkensprüngen einhergingen.

Schließlich konnte ein Kunststoff ausgewählt werden, der dem geforderten Preisniveau entsprach und allen technischen Anforderungen, basierend auf dem neuen Design, gerecht wurde. Der Werkstoff Altech PP–B A 2020/150 erfüllte diese Voraussetzungen, da die chemischen Kopplungen zwischen Matrix und Faser die benötigte Steifigkeit erzeugt. Zudem waren aufgrund der hohen zulässigen Dehnraten und dem damit verbundenen guten Schwindungsverhalten  der PP-Matrix die Wandstärkensprünge im Spritzgussverfahren umsetzbar.

 

Fakuma 2015
Halle/Stand A3/3105

Über die Autoren

Thies Wrobel

ist Product Specialist, Business Unit Technical Compounds, Business Line Specialities bei Albis Plastic in Hamburg.

Joscha Kock

ist im Technical Service & Application Development bei Albis Plastic in Hamburg tätig.

design-support@albis.com