„Technisch saubere Bauteile“ konstruieren

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Fraunhofer-Institut IPA Produktionstechnik und Automatisierung

Form und Gestalt entscheidet über erreichbares Sauberkeitsniveau

Neben Fragen wie Materialauswahl und Oberflächengüte spielt für das erreichbare Sauberkeitsniveau die Form und Gestalt eines Bauteils eine entscheidende Rolle. Hier lassen sich zwei Aspekte unterscheiden: die schmutztolerante Auslegung und die reinigungsgerechte Gestaltung.

Hinter dem ersten Punkt verbirgt sich die Idee, potentiell empfindliche Bereiche eines Aggregats so robust auszulegen, dass sich Ihre Funktion nicht durch die im System befindlichen Partikelverunreinigungen beinträchtigen lässt. Eine weitere Möglichkeit ist die Befilterung der potentiell kritischen Bereiche, auch wenn dies mit Mehrkosten verbunden ist.

Der zweite Aspekt bezieht sich auf die Notwendigkeit, dass ein Bauteil im Laufe seines Fertigungsverlaufs einmal oder auch mehrmals gereinigt werden muss. Eine prozesssichere Abreinigung von kritischen Partikeln ist dabei nur möglich, wenn die Reinigungstechnik und das Bauteil aufeinander abgestimmt sind. Während die Auslegung der Reinigungstechnik nur einen Teilbeitrag leisten kann, liegt in der reinigungsgerechte Gestaltung vor allem der Bauteileintritts- und Innengeometrien größeres Potential. Das Reinigungsmedium muss die Möglichkeit erhalten, mit dem notwendigen Impuls oder Volumenstrom an die kritischen Bauteilbereiche zu gelangen.

Einfach sauber konstruieren

Auch hier ein Beispiel, welche Einflüsse auf die Bauteilsauberkeit konstruktive und fertigungstechnische Randbedingungen haben können. Die Abbildung zeigt einen Hydraulikkanal, wie er in vielen Bauteilen zu finden ist. Seine Funktion im späteren Aggregat besteht darin, eine Flüssigkeit von A nach B zu leiten. Die Gestalt ergibt sich im Wesentlichen durch fertigungstechnische Randbedingungen.

Es wird jeweils bei A und B eine Sackbohrung gesetzt, die anschließende über eine Querbohrung verbunden werden. Zur Abdichtung wird die Querbohrung in der Montage verkugelt.

Aus reinheitstechnischer Sicht passiert dabei Folgendes: Durch das Bohren entstehen metallische Späne, die potentielle Killerpartikel sein können und sicher abgereinigt werden müssen. An den Bohrungsverschneidungen entstehen Grate, die schwer zu entfernen sind. Sie können mehrmals hin und her klappen bis sie abbrechen. Das kann auch im späteren Betrieb des Bauteils erfolgen und aus dem Grat wird ein Killerpartikel. Die Geometrien der Bohrungsverschneidung sind nicht strömungstechnisch optimal. Es entstehen bei der Durchströmung des Bauteils bei der Reinigung oder im Betrieb sog. Todwassergebiete in denen sich Partikel über lange Zeiträume halten können. Und zu guter Letzt besteht die Gefahr, dass beim Verkugeln der Bohrungen Partikel entstehen, die sich anschließend im Bauteil wieder finden.

Hätte sich konstruktiv der Hydraulikkanal durch eine einzelne Bohrung realisieren lassen, wären manche Quellen für potentiell schädigende Partikel erst gar nicht entstanden.

In diesem Sinn ist auch die Überschrift dieses Abschnittes zu verstehen: Einfach sauber konstruieren bedeutet saubere Bauteile durch einfache Konstruktion. Selbstverständlich lassen sich viele Anforderungen an die Bauteile im knappen Bauraum Automobil nur durch komplexe Konstruktion realisieren, für das spätere Sauberkeitsniveau kann es aber nur förderlich sein, wenn der Konstrukteur bei seiner Arbeit auch einmal durch die „Sauberkeitsbrille“ auf die Konstruktion blickt.

Sauberkeit im Dialog

Allein den Konstrukteuren den schwarzen Peter in die Schuhe zu schieben, stellt allerdings keine Lösung für die aktuellen Problemstellungen in der Sauberproduktion dar. In der Tat handelt es sich um ein Themenfeld, dessen Lösungen erst im Entstehen sind. Der Erfahrungsschatz, der bisher schon vorhanden ist, liegt verstreut bei einzelnen Spezialisten in den Firmen und ist nicht in vollständiger und aufbereiteter Form verfügbar.

Um es auf den Punkt zu bringen: Sauberes Produzieren mit all seinen Facetten, wie sauberkeitsgerechte Konstruktion oder industrielle Reinigungstechnik, kann man in Deutschland nirgendwo lernen; weder als Fortbildungsmaßnahme eines Berufsverbandes noch als Vertiefungszweig eines Ingenieurstudiengangs. Hier gibt es auch von Seiten der Forschung und der Politik, die dieses Themenfeld in seiner industriellen Relevanz noch nicht erkannt haben, großen Nachholbedarf.

Umso wichtiger ist es für die betroffenen Firmen und Technologen den Dialog zu suchen. Was vor etwa 10 Jahren als „Qualitätsschmuddelthema“ begonnen hatte, das jede der betroffenen Firmen versuchte im Stillen Kämmerlein zu lösen, ist heute salonfähig. Beispielsweise hat sich eine eigene Messe zur industriellen Teilereinigungstechnik – die Parts2clean – etabliert, wo im Rahmen eines Fachforums offen Themen und Probleme zur technischen Sauberkeit vorgestellt und diskutiert werden.

Eine weitere Plattform zum intensiven Austausch bildet das 2007 gegründete Industrieverbund-Projekt MontSa (Montagesauberkeit), das vom Fraunhofer IPA in Stuttgart koordiniert wird. Ziel dieses Projektes ist es, im breiten Industriekonsens eine Richtlinie zur Planung und Gestaltung einer Saubermontage für die Automobil- und Zulieferindustrie zu erarbeiten.

* Dipl.-Phys. Markus Rochowicz arbeitet am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Abteilung Reinst- und Mikroproduktion in Stuttgart

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