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Enabler der Konstruktion Genial einfach – einfach genial

Die Hydraulik steht unter Druck. Dichtungsstopfen halten ihm Stand, im Fall des Lee-Plug seit 70 Jahren. Doch die genial einfachen Bauteile können längst mehr.

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Miniaturisierte Hydraulikkomponenten finden sich in der Luftfahrt, im Rennsport sowie in der Raumfahrt. Doch auch alltäg­liche Anwendungen nehmen zu.
Miniaturisierte Hydraulikkomponenten finden sich in der Luftfahrt, im Rennsport sowie in der Raumfahrt. Doch auch alltäg­liche Anwendungen nehmen zu.
(Bild: Lee/Adobe Stock/VCGAC)

Die Industrie steht vor einem gewaltigen Wandel: Viele bestehende Systeme werden derzeit an neue Anforderungen angepasst oder auf ihre Klimarelevanz hin überprüft. Es gilt, den klimaschädlichen Fußabdruck zu reduzieren. Das bedeutet auch für die Fluidtechnik, Systeme zu verkleinern und Gewicht zu reduzieren. So lässt sich mit gleichem Antrieb und kleineren bewegten Massen der Verbrauch senken. Gleichzeitig müssen aber die bestehenden Anforderungen erfüllt werden. Dazu gehören eine Reihe physikalischer Herausforderungen wie Durchfluss oder Druck in Kombination mit einem bestimmten Fluid. Nicht selten stellt das Abwägen der Möglichkeiten, mit denen das Ziel am besten zu erreichen ist, die größte Herausforderung dar.

Ergänzendes zum Thema
Enabler der Konstruktion: Miniaturisierte Hydraulikkomponenten

Simulation, Leichtbau, smarte Komponenten – welche Entwicklungen werden sich durchsetzen? konstruktionspraxis hat mit den „Enablern der Konstruktion“ Unternehmen ausgezeichnet, deren Lösungen Konstruktion und Entwicklung nachhaltig verändern können.

  • Herausforderung: Klimaschutz und Ökobilanz erfordern kleine und leichte technische Lösungen, die Energie sparen. Gleichzeitig dürfen die Kosten nicht aus dem Ruder laufen. Darüber hinaus spielt auch die Sicherheit bei vielen Anwendungen eine entscheidende Rolle.
  • Lösung: Trotz zunehmender Elektrifizierung behaupten sich hydraulische Lösungen, aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte. Sie beinhalten oft Hunderte von Ventilen und anderen Logikelementen. Je kleiner diese Komponenten sind, desto größer das Potenzial, Gewicht und Energie zu sparen.
  • Was bringt's?: Miniaturisierte Hydraulikkomponenten wie der Verriegelungsstopfen Lee-Plug mit seinem genial einfachen Funktionsprinzip sparen Platz und Gewicht. Damit einher geht eine dauerfeste, dichtungslose und leckagefreie Abdichtung, die außerdem wartungsfrei ist. Diese Vorteile sparen erheblich Kosten beim Erstellen kompakter Systeme; die leichten Bauteile führen zu einer wirtschaftlicheren Nutzung des Endproduktes.

Ein Beispiel ist die Luftfahrtindustrie. In der hydraulischen Flugsteuerung oder dem Treibstoffmanagement von Triebwerken verrichten Hunderte von Ventilen und andere Logik-Komponenten ihren Dienst. „Gelingt es allein bei diesen Bauteilen, das Gewicht zu reduzieren, lässt sich die Reichweite der Flugzeuge erhöhen oder die Zahl der Passagiere steigern“, erklärt Jürgen Prochno, Geschäftsführer der Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH, Sulzbach/Ts.

Gefragt: Hydraulik im Kleinstformat

Auch im Rennsport gilt es, robuste Leichtgewichte an den richtigen Stellen der Fahrzeugsteuerung zu positionieren. Noch extremer geht es in der Raumfahrt zu, die gerade ein Revival erlebt. Um Teile der Startrakete wieder verwenden zu können, ist ein Landemechanismus erforderlich, der aufgrund der hohen Leistungsdichte nur hydraulisch bewerkstelligt werden kann. Nicht zuletzt sind Minisatelliten, deren Zahl stark steigt, prädestiniert für den Einsatz miniaturisierter Hydraulikkomponenten.

Doch auch im alltäglichen Umfeld verändern sich momentan viele Anwendungen. Die Emissionsveringerung bei Fahrzeugen aus Umweltschutzgründen ist hier wohl die geläufigste. Die Herausforderung liegt darin, die gesetzlichen Forderungen nach sinkenden Emissionen zu erfüllen und gleichzeitig die Kosten zu reduzieren. „Ziele, die oft nicht gegensätzlicher sein können“, wie Prochno nur zu gut weiß.

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Um die Abgase unschädlicher zu machen, müssen etliche Bauteile zum Fahrzeug hinzugefügt werden, etwa Abgasrückführung (AGR), Selektive Katalytische Reduktion (SCR), Tank oder Fuidsysteme, um nur einige Beispiele zu nennen. Das erhöht neben den Kosten das Gewicht – und bedeutet einen höheren Kraftstoffverbrauch. Um dem entgegenzuwirken muss gleichzeitig an anderen Stellen weiterentwickelt werden, etwa an der Leistungsoptimierung von Motoren und Systemen. Es gilt Reibungsverluste durch bessere Schmierung zu vermeiden. Oder „neue“ Systeme wie das VCR-System (Variable Compression Ratio) zu versuchen, das sich mechanisch aber auch fluidisch regeln lässt. Bei vielen dieser neuen Systeme zur Schadstoffminimierung mit gleichzeitiger Leistungs- und Verbrauchsoptimierung kommen miniaturisierte hydraulische Komponenten zum Tragen, die Entwicklern helfen, ihre Anforderungen zu erfüllen.

Beim Drang zum Verkleinern darf man die Physik nicht vergessen.

Jürgen Prochno

Die bis dato geltenden Anforderungsprofile für Komponenten und Material stoßen bei vielen dieser neuen Systeme an ihre Grenzen. Zum Beispiel müssen die Lebenszyklus-Zahlen um den Faktor x erhöht und garantiert werden. Auch dürfe man beim Drang zum Verkleinern die Physik nicht vergessen, warnt Jürgen Prochno. So unterliegen die Bauteile etwa Anforderungen an den minimalen Durchfluss. „Hier bestimmen die inneren Widerstände dieser Cartrige-Komponenten die Grenzen der Verkleinerung“, erklärt Prochno.

Damit fluidtechnische Systeme diesen Anforderungen gerecht werden können, kommt es auf jede einzelne Komponenten an – auch auf Dichtungsstopfen. Hier kommt der Lee-Plug ins Spiel, ein Stopfen mit Expansionsverschluss, der sich seit seiner Erfindung durch Leigh Lee II vor 70 Jahren nahezu unverändert am Markt behauptet.

Denkbar einfach: das Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip ist denkbar einfach: In einen aufgehenden Konus – Plug/Hülse oder Body – wird ein konischer Pin geschoben. Dadurch weitet sich diese Hülse auf. Geschieht diese Aufweitung in einer Bohrung, klemmt sich die Hülse (ob Plug oder Ventilkörper) an die Wand der Bohrung; es entsteht eine kraftschlüssige Verbindung, die dem Druck im System standhält.

Das Funktionsprinzip des Lee-Plug: Der Pin wird in eine Hülse gedrückt, sodass diese sich aufweitet und sich an die Wand der Bohrung klemmt. Es entsteht eine Verbindung, die dem Druck im System standhält.
Das Funktionsprinzip des Lee-Plug: Der Pin wird in eine Hülse gedrückt, sodass diese sich aufweitet und sich an die Wand der Bohrung klemmt. Es entsteht eine Verbindung, die dem Druck im System standhält.
(Bild: Lee)

An diesem Prinzip hat sich bis heute kaum etwas verändert. „Die Erfindung von LLII war so genial, dass sie bis heute Bestand hat“, betont Prochno. Seitdem gibt es Hunderte von neuen Komponenten, die mit dem Verriegelungssystem ausgestattet werden. Gestartet als reines Verschlusselement werden nun alle erdenklichen Logikbausteine eines Fluidsystems damit versehen, ganz gleich, ob es Ventile, Drosseln oder aber Schutzsiebe sind. Die kompakte Bauweise findet ständig neue Anwendungsfelder.

Doch ganz anspruchslos ist auch ein Lee-Plug nicht. Die Expansionverriegelung benötigt eine bestimmte minimale Wandstärke, um die Klemmkräfte ohne Materialverzug aufnehmen zu können. Die Materialbeanspruchung findet idealerweise nur im elastischen Bereich der Bohrung statt. Auch die Aufnahmebohrung unterliegt gewissen Maß- und Toleranzanforderungen, die aber im Standard heutiger Bearbeitungsmaschinen liegen.

Expansionsprinzip bis heute im Einsatz

Darüber hinaus hat die Expansionsverriegelung ihre Grenzen im Hinblick auf ihre Größe und in der Wiederstandfähigkeit des umgebenden Materials. Das Expansionsprinzip gibt es heute bis zu Bauteilgrößen zwischen 0,125“ und 0,500“ (3,1 mm bis 12,7 mm), in Ausnahmen auch größer. Auch gibt es Lee-Plugs, die einen Systemdruck von bis zu 1.000 bar aushalten. Das Material sollte über eine gewisse Elastizität verfügen; für sprödes Material eignet sich die Expansionsmethode nicht.

Größter Pluspunkt der Lee-Plugs: Hält man die Einsatzbedingungen ein, spart man Platz und Gewicht.

Größter Pluspunkt der Lee-Plugs: Hält man die Einsatzbedingungen ein, spart man Platz und Gewicht. Damit einher geht eine dauerfeste, dichtungslose und leckagefreie Abdichtung, die außerdem wartungsfrei ist. Dichtmittel oder Kleber können nicht zu einer Kontamination führen, auch die schädliche Interaktion zwischen Fluid und Dichtungswerkstoff ist ausgeschlossen. All diese Vorteile sparen erheblich Kosten beim Erstellen kompakter Systeme; die leichten Bauteile führen zu einer wirtschaftlicheren Nutzung des Endproduktes – ob im Flugzeug, Fahrzeug oder anderen fluidbetriebenen Systemen.

Nicht zu vernachlässigen: die Qualität

Neben den Lee-Plugs gibt es Klemmmethoden am Markt, die allerdings die Kraft nicht mittels eines Flächen-pressenden Konus' aufbringen. Nachahmer gibt es natürlich auch. Nach dem Auslaufen des Lee-Plug-Patentes habe es immer mal wieder Versuche gegeben, das Prinzip des Lee Plug nachzuahmen. ”Mit eher mäßigem Erfolg“, berichtet Prochno. Und dann gäbe es noch die ganz Einfallslosen, die komplette Produkte kopieren. Diese Plagiate kämen auf den Markt, „ohne dass der Nachahmer den Sinn hinter den Entwicklungen versteht“. Das mag für den Einzelfall funktionieren. Kommt es aber zu systembedingten Anpassungen, sei Expertise im Ventilbau gefragt, nicht die Fähigkeit zur sklavischen Nachahmung, erklärt der Lee-Geschäftsführer. Und warnt deutlich vor Sicherheitsgefahren: „Ein nicht zu unterschätzendes Risiko für den Verbraucher!“

Die Qualität der Produkte ist also nicht zu vernachlässigen. In der Luftfahrt liegt der Grund auf der Hand. Hier bedeutet Qualität Sicherheit und erhält Menschenleben. Auch bei Fahrzeugen ist Qualität eine Frage der Sicherheit, allerdings spielen hier schon das Vermeiden von Garantie- oder Regressansprüchen eine deutliche Rolle.

Verfallsdatum nicht eingebaut

Fakt ist, dass heutige Produkte – nicht nur Autos – sehr viel sicherer sind als früher und nicht zufällig funktionieren, sondern geprüft und qualifiziert durchhalten sollten. „Leider ist die Anforderung nach Qualität nicht zwingend verbunden mit einer längeren Lebensdauer der Endprodukte“, bedauert Prochno. Sie sollen mittlerweile qualitativ hochwertig nur noch in einer ihr zugeteilten Lebenserwartung funktionieren, die gefühlt immer weiter sinkt.

Das ist nicht Lees Philosophie. „Wir haben kein 'eingebautes' Verfallsdatum“, betont der Geschäftsführer. „Unsere Produkte sind dauerhaltbar in ihren Spezifikationen, ohne Kompromisse“. Daher verzichtet das Unternehmen auch nicht auf die 100%-ige Funktionsprüfung seiner Produkte. Doch nicht nur monetäre Gründe sprechen für die Qualität. Lee ist auch in der Off-Shore-Industrie tätig. Hier kann mangelnde Qualität zu immensen Umweltschäden führen.

Miniaturisierung bringt auch die Medizintechnik voran

Miniaturisierung spielt auch in der Analyse- und Medizintechnik eine bedeutende Rolle, unter anderem in der In-vitro-Diagnostik. Magnetventile und Pumpen von Lee kommen unter anderem zum Einsatz in Beatmungsgeräten, Dialysesystemen und den zur Zeit aktuell eingesetzten Analysegeräten im Zusammenhang mit dem Virus Sars-CoV.

Für die Weiterentwicklung der Fertigungsmethoden ist auch der 3D-Druck für Lee interessant. Zwar sei es noch zu früh, ein qualitativ hochwertiges Ventil zu kommerziell akzeptablen Preisen zu drucken, so Prochno. Doch bei 3D-gedruckten Gehäusen sieht das ganz anders aus. „Hier drucken bereits viele Firmen tolle Lösungen und wir arbeiten mit Hochdruck daran, unsere Komponenten in solch filigranen Bauteilen mit unterzubringen“.

Seit sich hybride und vollelektrische Antriebe verbreiten, zeigen sich immer mehr Anwendungen für unsere miniaturisierten Komponenten.

Jürgen Prochno

Dass die Elektrifizierung auf Dauer die Fluidtechnik verdrängt, sieht Jürgen Prochno nicht. Im Gegenteil: „Seit sich hybride und vollelektrische Antriebe verbreiten, zeigen sich immer mehr Anwendungen für unsere miniaturisierten Komponenten“, beobachtet der Geschäftsführer. Und nennt gleich mehrere Beispiele. So bekommt auch ein vollelektrisches Fahrzeug mit einigermaßen alltagstauglicher Reichweite ein Getriebe bekommen. Einige benötigen, wie auch jetzt schon, eine Schaltlogik und Sicherheitsventile zum Schutz vor Überdruck.

Fluidtechnik wieder im Kommen

Darüber hinaus benötigen Fahrzeuge in unseren Breiten eine Heizung oder eine Klimaanlage. Wird die rein über Strom betrieben, nimmt das die Batterie stark in Anspruch und senkt die Reichweite. Aus diesem Grund gibt es Zuheizer, die auch fluidische Komponenten beinhalten. Darüber hinaus erhitzen sich Hochleistungsbatterien stark oder überhitzen sich gar. Auch sie benötigen Kühlung. Und: Solche Batterien müssen aufgrund der im Inneren stattfinden chemischen Reaktionen vor Überdruck geschützt werden. Darüber hinaus lassen sich die Ventile und Komponenten von Lee nicht nur für Flüssigkeiten, sondern in den „Zero Leak“-Varianten auch für Gase und aggressive Gase einsetzen, da sie zum größten Teil aus Edelstählen hergestellt sind. Mit den hydraulischen Komponenten und Systemen lassen sich also auch in Zukunft viele Anforderungen erfüllen. (ud)

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