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Auswahl des richtigen
Verbindungselements in der Entwicklungsphase
 Abb. 1: Sechskantschraube DIN 933 M10 x 50 mm, Festigkeitsklasse 8.8, verzinkt blau-
passiviert
18.07.2016 | Der folgende Artikel richtet sich hauptsächlich an Entwicklungsingenieure, die im Bereich Maschinenbau geschult und Entscheidungsträger sind, wenn es um die Beschaffung von Geräten und Maschinen geht.
Der Verfasser hofft, dass dieser Artikel sowohl für frisch ausgebildete als auch für erfahrene Ingenieure verschiedener Industriesektoren einen Nutzen stiftet.
Beachten Sie dabei, dass jedes der hier erwähnten Themen, jede Anforderung, jedes einzelne Merkmal des Verbindungselements als solches, Gegenstand einer umfassenden Diskussion sein kann. Dieser Artikel verfolgt lediglich das Ziel, einen kurzen Überblick über das Thema Verbindungstechnik zu verschaffen.
Entwicklungsingenieure, die im Bereich Fertigung für Verbindungselemente zuständig sind, können Entscheidungen basierend auf früheren Entwürfen oder anderen Produkten fällen. Wenn das Produkt jedoch zahlreiche Änderungen und Aktualisierungen erfahren hat, ist die ursprüngliche Entscheidung im Hinblick auf die Art und Weise der Fertigung nicht mehr relevant. Sich einen Überblick über die aktuellen Design-Bedürfnisse zu verschaffen, wäre deshalb ratsam. Sich bei der Auswahl mit anderen ähnlichen Produkten zu behelfen, birgt das Risiko, dass gewisse Faktoren, die damals ausser Acht gelassen wurden, nicht berücksichtigt werden, zum aktuellen Zeitpunkt jedoch von Wichtigkeit sind.
Die primäre Funktion von Verbindungselementen besteht bekanntlich darin, eine einfache Montage und Wartung zu gewährleisten. Andernfalls würden andere Lösungen wie Nieten, Löten oder Schweissen, um nur einige zu nennen, vollkommen ausreichend sein.
Der Autor versucht in diesem Artikel zu veranschaulichen, dass sowohl die Entwicklungsverfahren als auch die Auswahl geeigneter Verbindungselemente gemeinsam zu berücksichtigen sind, damit die Produktivität gesteigert und Risiken minimiert werden.
DIE AUFGABENSTELLUNG
Die aktuellen Produkte des Marktes reichen von Wegwerfprodukten bis hin zu solchen, die
eine tägliche Wartung benötigen. So kann ein Spielzeug ohne jegliche Bedenken weggeworfen werden, wobei höchstens Vorbehalte ethischer und umweltbezogener Natur anzubringen sind. Ein Flugzeug, das Tausende von Passagieren befördert, macht es notwendig, dass das Bodenpersonal und die Crew vor jedem Start eine umfassende Prüfung des Flugzeugs vornehmen.
Nachdem die hauptsächlichen Funktionalitäten des Entwurfs vorliegen, wird den Verbindungselementen in aller Regel zuletzt Beachtung geschenkt. Dies führt oft zu begrenzten Handlungsspielräumen, was sich in der Auswahl eines nicht-industriellen Verbindungselements niederschlägt, das man in der Industrie als „Special“ bezeichnet.
Als verantwortlicher Produktentwickler muss man in erster Linie dafür sorgen, dass das Produkt die primären Eigenschaften aufweist. Falls eine Montage mit Verbindungselementen notwendig ist, denkt man an die grundlegenden Verbindungseigenschaften, weshalb in der Regel folgende Informationen erforderlich sind, um richtig zu beginnen: Hat das in Entwicklung befindliche Produkt die Produktreife erlangt, sollte hinsichtlich
Information bezüglich der Verbindungselemente wie folgt verfahren werden. Das Einholen zusätzlicher Information über industrielle Standards ist empfehlenswert. Informationen können dabei aus verschiedenen Quellen bezogen werden:- Verbindungselementtyp
- Festigkeit des Verbindungselements
- Material- und Korrosionsmanagement
Nachfolgend ein Beispiel einer vollständigen und verständlichen Verbindungsbeschreibung,
die von einem Lieferanten verstanden wird und von den Mitarbeitern der Einkaufsabteilung richtig bestellt werden kann. Die grafische Darstellung Verbindungselementeigenschaften“ enthält eine vollständige Beschreibung einer Sechskantschraube. Ein häufiges Missverständnis beim Zitieren industrieller Normen wie z.B. DIN 933 besteht darin, dass die Eigenschaften des Verbindungselements dort nicht umfassend beschrieben werden.
Die Norm DIN 933 z.B., bestimmt die allgemeinen Eigenschaften von Verbindungselementen. Der Standard definiert jedoch weder Festigkeit noch Beschichtung des fertigen Elements. Produktinformationen und Zeichnungen stehen in Standardkatalogen zur Verfügung. Der Bossard-Katalog stellt beispielsweise detaillierte technische Information zur Verfügung. Sämtliche Verbindungselemente sind mit klaren technischen Informationen versehen. Darüber werden verwandte Industriestandards, Anforderungen und Anwendungsinformationen im technischen Abschnitt hervorgehoben. Die Technologie ermöglicht es heute, dass zur Vereinfachung der Konstruktionstätigkeit verfügbare Verbindungselement als Zeichnungen direkt und plattformunabhängig der Konstruktion im CAD hinzugefügt werden können. Nachfolgende Überlegungen sind empfehlenswert oder notwendig:
Umweltfreundliche Anforderungen wie Produktentsorgung, WEEE; Beschränkung schädlicher Substanzen, RoHS usw. - Massenproduktionswerkzeuge
- Einfache Wartung
- Sicherheit und Risiken
- Lockerung von montierten Elementen
Das Auswahlverfahren der Verbindungen beruht auf einem Wiederholungsverfahren. Es ist sehr wichtig, die Entscheidung, wie die Montage erfolgen soll, während der jeweiligen Entwicklungsphasen zu berücksichtigen und nicht bis zur Endphase zu verschieben, wenn das Definieren von Verbindungsstellen aus praktischen Gründen problematisch wird.
Die Kenntnis des zu erwartenden Montageumfeldes hilft bei der Entscheidungsfindung. Dazu zählen in etwa die verwendeten Werkzeuge und Maschinen, verfügbaren Kapazitäten und Kalibrierverfahren.
Ein Entwicklungsingenieur teilte mir einmal mit, dass er die Produktfertigungskette neu gestalten musste, weil sämtliche Monteure Frauen waren. Das ursprüngliche Modell erforderte zu viel Kraft während des Fertigungsprozesses.
Einige Verbindungselemente eignen sich gleichermassen für Massenproduktion und Wartungsprozesse. Das nachfolgende Beispiel veranschaulicht ein herkömmliches Verbindungselement, das für Stromaggregate verwendet wird. Es gilt zu beachten, dass die Nische der Fertigung von Verbindungen sowohl die Fertigung in Massenproduktion als auch Wartung oder Kundendienst vereinen kann, falls die Werkzeuge nicht rechtzeitig
verfügbar sind. Für diesen Fall ist eine kleine Münze ausreichend. Verbindungselemente sind konzipiert, um zwei Teile zusammenzuhalten sowie im Bedarfsfall bei Produkten eine Wartung zu ermöglichen. Stellen Sie (nach Möglichkeit) keine „höheren Erwartungen“ an gewöhnliche Verbindungselemente, zum Beispiel bezüglich hoher Abscherbeanspruchung, Positioniergenauigkeit, Umgebungsmedien usw. Es gibt verschiedene Lösungen, die dafür ausgelegt sind und als getrennte Thematik behandelt werden sollten.
GRUNDREGELN- Verbindungselemente müssen immer von gleicher oder höherer Qualität als die eingebauten Teile sein.
- Geschraubte Verbindungen dürfen nie Schwachstellen sein.
- Verbaute Verbindungselemente sollten immer überprüfbar sein und im Bedarfsfall ausgewechselt werden können.
Denken Sie daran, dass bei der Montage von Bauteilen die Verbindungen immer eine vergleichbare oder höhere Qualität aufweisen müssen als die Bauteile selbst. Verschraubte Verbindungen dürfen nie Schwachstellen darstellen, genau wie bei den Grundsätzen hinsichtlich von Schweissnähten. Einmal montierte Verbindungselemente sollten immer überprüfbar und bei Bedarf austauschbar sein. Aus Konstruktionsprinzipien sowie aus Sicherheitsgründen ist es unerlässlich, dass die wartungsicherheitskritischer Verbindungen mit geringem bzw. ohne zusätzlichen Aufwand zugänglich ist. Der Verfasser dieses Artikels musste beispielsweise bei einer Inspektion sicherheitskritischen Verbindungen 25 Mannstunden Zusatzaufwand leisten, um die Sicherheitskritischen Verbindungen warten zu können. Rückblickend wissen wir alle, dass eine bessere konstruktion möglich ist.
Die oft vergessenen Fertigungsanforderungen an Verbindungen oder eine ungenügende Beachtung während der Entwicklungsphase kann dazu führen, dass der Gewinn geschmälert wird. Änderungen sind sehr kostenintensiv, wenn das Produkt einmal die Marktreife erlangt hat. Dies wird im Kosten-/Nutzen-Diagramm dargestellt. Wenn man sämtlichen Designanforderungen, wozu auch die Verbindungslösungen zu zählen sind, von Anfang an die erforderliche Beachtung schenkt, können langfristig unnötige Änderungen und Kosten vermieden werden. VERFÜGBARKEIT
Die Verwendung von Verbindungselementen als Engineering-Lösung ist seit Jahrzehnten ein Bestandteil der Industrie. Die Herstellungsverfahren wurden verbessert und werden auch weiterhin optimiert werden, um die technisch wirtschaftlichste Lösung anbieten zu können.
In der Praxis sollte man nach Möglichkeit immer Verbindungselemente, die dem Industriestandard entsprechen, auswählen. Die Vorteile sind zahlreich: Bekannte Eigenschaften, Verfügbarkeit, verfügbare Lieferanten, schnelle Lieferzeit, Austauschbarkeit, um nur ein paar zu nennen. Praxis und Erfahrung haben gezeigt, dass bis zu 70% an Abfall eingespart werden können, wenn industrielle Normteile anstatt Spezialartikel verwendet werden. Und dabei sind keine Umweltkosten inbegriffen.
Ein anderer guter Grund, um auf Verbindungselemente zu setzen, die dem Industriestandard entsprechen, der immer wieder in Vergessenheit gerät oder nicht berücksichtigt wird, ist der Änderungsvermerk (ECN). Oft ist es ist nicht ungewöhnlich, dass Ingenieure die Notwendigkeit von Änderungsvermerken für Verbindungen herunterspielen. Diese Bedarfsartikel sind zu preiswert, als dass es sich lohnen würde, die schwierigen und teuren Änderungsvermerke als Grundlage beizuziehen. Zugegebenermassen sind die Verfahrenskosten für einen Änderungsvermerk unabhängig von den Produktkosten, und da genau liegt das Dilemma begraben.
Der Kauf von Verbindungselementen aus einer zuverlässigen Quelle stellt eine nicht zu unterschätzende Herausforderung dar. Der einfache oder „praktische“ Ansatz, die Kosten als Massstab zu verwenden, darf nicht die einzige Lösung darstellen. Wenn der Erwerb von Verbindungselementen einmalig ist, kann man es noch gelten lassen. Sobald man aber auf
periodische Lieferungen angewiesen ist, muss man sich unbedingt auf eine zuverlässige Quelle verlassen können.
Für den Produkteinkauf verantwortliche Entwicklungsingenieure müssen sich vergegenwär-
tigen, dass Produkte während der Herstellung eines Prototyps von seriengefertigten Produkten abweichen können. Die Lieferzeit bei der Beschaffung der Produkte sowie die Werkzeugkosten können einen entscheidenden Faktor darstellen. Der Hauptverantwortungsbereich eines Entwicklungsingenieurs liegt im Design eines funktionellen und guten Produkts, das den Marktanforderungen gerecht wird. Es gilt zwischen gutem Design, Endprodukt und guten Bauteilen zu unterscheiden. Wenn die Bauteilqualität gut ist, das Endprodukt jedoch den Erwartungen nicht voll gerecht wird, besteht immer noch eine gewisse Erfolgschance. Wenn das Endprodukt gut ist, die Bauteile aber eine Qualitätsminderung aufweisen, können die Erfolgschancen exponentiell verringert werden. Ein gutes Produkt darf nie durch minderwertige Teile beeinträchtigt werden. Dies gilt vor allem für C-Teile, deren Anschaffungspreis vergleichsweise gering ist und höchstens 5 % der gesamten Produktionskosten ausmacht. Die wertvolle Zeit der Entwicklungsingenieure sollte nicht dafür verschwendet werden, dort nach Einsparmöglichkeiten zu suchen.
Entwicklungsingenieure müssen sich auch vor Augen führen, dass verfügbare Teile zur Erstellung eines Prototyps nicht zwangsläufig auch bei einer Serienfertigung lieferbar sind. Dem Beschaffungsaufwand muss unbedingt Rechnung getragen werden.
Die nachfolgende grafische Darstellung „Spanabhebende Herstellung oder Kaltpressen“
vergleicht die Kosten eines kaltverfestigten Verbindungselements mit den Kosten eines
gedrehten Verbindungselements. Obwohl es auf der Hand liegt, wird es dann nicht offenbar, wenn man sein Augenmerk nicht darauf richtet. Für Entwicklungsingenieure lohnt sich
der Zeitaufwand, zu erwägen, ob kaltgepresste seriengefertigte Teile oder gedrehte Verbindungselemente verwendet werden sollen.
Die grafische Darstellung der „realen Kosten vor Ort“ zeigt die wirklichen Produktkosten auf. Sehr oft betragen die Kosten für die Verbindungselemente (C-Teile) etwa 5 % der gesamten Produktkosten. Die Anschaffungskosten können jedoch möglicherweise bis zu 50% der Gesamtkosten darstellen.
Der Entwicklungsingenieur kann die Kostenfrage als nicht zu seiner Zuständigkeit zugehörig betrachten. Es ist jedoch sehr hilfreich, wenn die Beschreibungen der Verbindungselemente klar sind und auf Industriestandards beruhen. Ein nicht direkt mit der Kostenfrage im Zusammenhang stehender Aspekt ist eine in aller Regel bessere steuerbare Verfügbarkeit
der Teile. Solche Verbindungselementtypen für den Prototypenbau schaffen eine geringere Abhängigkeit.
DIE ENTSCHEIDUNG
Die meisten Produkte werden während der Entwicklungsphase ausführlichen und umfassenden Tests unterzogen, bevor sie die Marktreife erlangen. Dank der Fortschritte in der Softwareentwicklung und der Erhöhung der Rechenleistung können die Testverfahren heute auf ein Minimum reduziert werden. Bisweilen ist es so, dass Testverfahren
Beeinträchtigungen unterliegen, da der Druck zur Markteinführung des Produkts einfach zu gross ist. Um die Integrität der Produktfertigung zu wahren, stehen Testgeräte zur Verfügung.
Auf unserer Website und im iTunes App-Store können Sie Applikationen herunterladen oder unsere Online Tools verwenden, wie beispielsweise den Drehmoment- und Vorspannkraftumrechner.
Eine andere mögliche Simulation zu Testzwecken bei der Produktfertigung kann mittels der Junker-Maschine durchgeführt werden. Diese Testsimulation dient dazu, zu bestimmen, ob und wo eine Lockerung bei Fertigungsteilen auftritt und wie diese verringert oder behoben werden kann.
Die oben genannten Fertigungstests können vor den Zuverlässigkeits- und Produktfunktionalitätsprüfungen durchgeführt werden. Werden diese Fertigungstests vor den Produkttests vorgenommen, erhöht dies die Zuverlässigkeit der Produkte und verringert die Schadensrisiken.
Meiner Meinung nach besteht die herausforderndste Aufgabe eines Entwicklungsingenieurs darin, die Lebensdauer eines Produktes unter Berücksichtigung des Korrosionsmanagements zu ermessen. Oder anders ausgedrückt: Wie lange funktioniert das fertig montierte
Produkt, bevor die eintretende Korrosion zu einer Fehlfunktion führt?
Oft wäre die Verwendung von Edelstahl eine einfache und direkte Lösung. Im aktuellen ökonomischen Umfeld wird der Einsatz von Edelstahl zur Einsparung von Kosten häufig in Frage gestellt. Das Suchen von Baustahl, ausgestattet mit einer optimalen Korrosionsmanagementlösung, kann bisweilen eine echte Herausforderung darstellen.
Das Risiko einer Wasserstoffversprödung, die mit hochfestem Baustahl mit dem gewählten Korrosionsschutz immer noch auftreten kann, muss mit Sorgfalt verfolgt und behandelt werden.
Damit im Zusammenhang steht die Notwendigkeit, ein Gewindeuntermass der Schrauben oder ein Gewindeaufmass der Muttern vorzusehen, damit eine optimale Korrosionsschutzschicht implementiert werden kann. Dies kann zu einer Veränderung der ursprünglichen Festigkeit der Verbindungen führen. Anmerkung: Entweder Auf- oder Untermass. Kundenrückmeldungen stellen eine wichtige Informationsquelle zur Erkennung und Umsetzung von Produktverbesserungen dar.
ZUSAMMENFASSUNG
Um sicherzustellen, dass Teile verwendet werden, die dem Industriestandard entsprechen, sollte die Auswahl und Verwendung von Verbindungen während des Entwicklungsprozesses nicht an letzter Stelle stehen. Der Endmontage sollte gebührende Beachtung geschenkt werden, um die Vorteile vor der Beendigung der Entwicklung und Serienreife zu maximieren.
FAZIT
Die Auswahl von Verbindungen für eine konkrete Anwendung erfolgt nicht so reibungslos, wie man zu Beginn denken würde und ist mitunter gar ein unangenehmes Unterfangen. Gute Grundkenntnisse im Bereich Verbindungselemente und Korrosionsmanagement sind dabei hilfreich. Das Treffen der richtigen Wahl beruht auf einem Wiederholungsverfahren. Tests müssen durchgeführt werden, um eine optimale Auswahlentscheidung zu gewährleisten. Dies erfordert Aufmerksamkeit und Zeit. Schenken Sie den Rückmeldungen aus der Industrie hinsichtlich Design die notwendige Beachtung. Flexibel auf die Anforderungen des Marktes reagieren, heisst die Devise. Fällen Sie keine Entscheidungen für Fertigungsteile und -lösungen nur auf Stückpreisen basierend, sondern beachten sie sämtliche ökonomischen Aspekte der Produktentwicklung und -fertigung. Eine erstmalige Produktqualität ist nicht dasselbe wie eine kontinuierliche Qualitätserwartung. Wählen Sie als Partner einen seriösen Händler oder Hersteller aus, damit Sie eine gleichbleibende Qualität gewährleisten können. Bleiben Sie nicht hinter den Erwartungen Ihrer Kunden zurück, die von Ihnen entwickelten Produkte verdienen solide Verbindungslösungen.
VON FRANCIS KHOO, LEITER TECHNISCHE PLANUNG, BOSSARD SHANGHAI 
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