Neue Maschinen, Werkstoffe und Verfahren

Vauth-Sagel: Erfolgreiche Materialsubstitution für Ansaugstutzen

Trotz der möglichen Restrisiken und hohen Anforderungen ist es den Ingenieuren von Vauth-Sagel gelungen, beim Ansaugstutzen den bisher verwendeten Werkstoff Metall durch Kunststoff zu substituieren. (Foto: Vauth-Sagel)

Trotz der möglichen Restrisiken und hohen Anforderungen ist es den Ingenieuren von Vauth-Sagel gelungen, beim Ansaugstutzen den bisher verwendeten Werkstoff Metall durch Kunststoff zu substituieren. (Foto: Vauth-Sagel)

Oftmals sind es gerade die unscheinbaren Bauteile oder Bauteilgruppen, an die hohe Anforderungen gestellt werden. So ist es auch im Fall des Ansaugstutzens, welcher die Luftansaugbereiche an Motoren landwirtschaftlich genutzter Vollerntemaschinen vor Verschmutzungen schützt. Den Ingenieuren von Vauth-Sagel Holding GmbH & Co. KG, Brakel-Erkeln, ist es gelungen, bei diesem Produkt den bislang verwendeten Werkstoff durch Kunststoff zu substituieren. Das Endergebnis überzeugt durch deutlich verbesserte Produkteigenschaften wie längere Lebensdauer und hohe Funktionalität.

Bewährtes noch besser machen – dies gelingt meist sehr gut, wenn innovative Industriezulieferer wie Vauth-Sagel mit viel Material-Know-how in einen Entwicklungsprozess miteinbezogen werden. So können oftmals gut etablierte Produkte verbessert, gestiegene Anforderungen und höhere Resistenzen bedient und Produktionsprozesse vereinfacht werden.

Als der Kunde mit der Anfrage an Vauth-Sagel herantrat, einen Ansaugstutzen im Zuge einer Produktkostenoptimierung zu überarbeiten, war vor allem die Materialfrage und -kompetenz entscheidend. Durch dieses spezielle Bauteil werden die während der Nutzung angesaugten Feststoffe der Luft abgeführt. So wird vermieden, dass sich die Oberfläche des Kühlers zusetzt und eine optimale Kühlung des Motors nicht beeinträchtigt wird.

Produktionszeiten verkürzen und Kosten senken

Die Herstellung des Ansaugstutzens war in der Vergangenheit sehr aufwendig: Ursprünglich bestand dieses Maschinenteil aus einer zweiteiligen Schweiß-Baugruppe – einem abgewinkelten Rohr und einem Befestigungsblech. Bei ihrer Herstellung sind unterschiedliche Prozesse, wie Sägen, Biegen, Zuschneiden und Schweißen, notwendig. Vauth-Sagel war in der Lage, an dieser Stelle ihr großes Wissen im Bereich der Kunststoffverarbeitung einfließen zu lassen. Die komplette Baugruppe wurde auf ein Kunststoff-Spritzgussteil umgestellt, was eine deutliche Vereinfachung des Produktionsprozesses bedeutet.

Im Falle des Ansaugstutzens lag die besondere Herausforderung in der Beanspruchung des Bauteils. Der Ansaugbereich liegt im Außenradius einer rotierenden Trommel und ist im laufenden Betrieb großen Belastungen in Form von Schlag- und Stoßkräften ausgesetzt. Eine Veränderung des bislang verwendeten Materials schien lange undenkbar.

Zudem ist speziell für dieses Bauteil im Rahmen der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse bei entscheidenden Bewertungskriterien eine hohe Risikoprioritätszahl (RPZ) ermittelt worden. Nicht zuletzt vor diesem Hintergrund war eine konstruktive Veränderung der Befestigung notwendig. Technisch wäre eine Umgestaltung des vorhandenen Bauteils machbar gewesen, wirtschaftlich hingegen ließ sich die Modifikation nicht abbilden.

Spritzguss erforderte Geometrieveränderungen

Die Entscheidung fiel letztlich zugunsten eines Spritzgussteils aus. Gerade dort, wo Stahl und Blech im Vordergrund stehen, gibt es mittlerweile ausgezeichnete Möglichkeiten der Material-Substitution. Bedingt durch die notwendigen Erweiterungen veränderte sich der Filterkorb für die Kühlluft, der mit dem Luftansaugstutzen direkt verbunden ist. Hier musste, neben der bereits bekannten Geometrie, der Bereich der direkten Anbindung an den Filterkorb ebenfalls vergrößert werden. Je nach Ausführung der Erntemaschine kommen so künftig zwei Varianten zum Einsatz.

Eine weitere Vorgabe war, die Montagezeit des Bauteils zu reduzieren. Bei der bislang verwendeten Metallkonstruktion waren die Anschraubpunkte schwer zugänglich, daher veränderte Vauth-Sagel die Anordnung der Anbindung des Spritzgussteils auch in diesem Bereich. Sie erfolgt nun direkt an das Maschinengehäuse, erleichtert den Montageaufwand und senkt den Einsatz der benötigten Montagemittel.

Schlüsselstelle: die Befestigung des Ansaugstutzens

Damit eine optimale Befestigung am Gehäuse realisiert werden konnte, wurden entsprechende Festigkeitsberechnungen durchgeführt. Die Torsion des Bauteils und die daraus resultierenden Kräfte auf die Befestigungs- und Anschraubsituation waren die größte Hürde, welche es in diesem Zusammenhang zu überwinden galt.

Parallel zur Konstruktion des Bauteils wurde, speziell im Hinblick auf die Befestigungssituation 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 realisiert werden. Dazu war es nötig, die Lage des Anspritzpunktes so zu positionieren, dass – unabhängig von der jeweiligen Variante – dieser Bereich immer gleich gefüllt ist. Nur so lassen sich Druckspitzen bei der Herstellung des Bauteils vermeiden, welche Spannungen erzeugen und sich negativ auf die Festigkeit auswirken.

Für derartige Aufgaben hat sich in der Entwicklungsabteilung von Vauth-Sagel die Simulation mit Moldflow bewährt. Bereits am Bildschirm ließen sich Stärken und Schwächen der Neuentwicklung erkennen, letztere wurden sogleich durch weitere Optimierungen vermieden. Die Bindenähte beispielsweise konnten durch verschiedene Maßnahmen in andere Segmente des Bauteils verschoben werden. Nur im Bereich der Anschraubbohrungen war dies so nicht möglich. Dort erreichte Vauth-Sagel mittels einer Wandstärkenerhöhung die notwendige Festigkeit.

Standardmaterial statt kostenintensivem Spezialkunststoff

Aufgrund der vielfältigen technischen Anforderungen wie beispielsweise Verzug, Festigkeit und Spannungshaushalt im Bauteil und unter Berücksichtigung der Bauteilkosten fiel die Werkstoffauswahl letztlich auf ein trockenschlagzähes, glasfaserverstärktes PA 6. Die aufwendige Konstruktion der Befestigungsbereiche lässt den Einsatz dieses technischen Werkstoffs zu, ohne dass die Ingenieure von Vauth-Sagel auf eine speziell modifizierte Materialtype ausweichen mussten.

Beste Ergebnisse hinsichtlich der Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit wurden in der Prozesstechnik des inhabergeführten Familienunternehmens durch eine Kombination aus Füllzeit und gestuftem Nachdruck mit definierter Nachdruckzeit erzielt. Kühl- und Temperierkanäle wurden so eingebracht, dass diese, falls erforderlich, im Bereich der Bindenähte separat temperiert werden können, um dadurch einen positiven Einfluss auf die Bindenahtfestigkeit zu nehmen.

Offene Kommunikation als Grundlage für Projekterfolg

Trotz der möglichen Restrisiken und hohen Anforderungen, die mit einem solchen Materialwechsel von Stahl und Blech zu Kunststoff verbunden sind, gelang es Vauth-Sagel, das Projekt höchst erfolgreich umzusetzen. Die enge Zusammenarbeit und offene Kommunikation mit dem Kunden war dabei eine sehr wichtige Grundlage, um gemeinsam dieses positive Endergebnis zu erzielen.

www.vauth-sagel.de