Auswahl des richtigen
Verbindungselements in der Entwicklungsphase

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: 
  • Material
  • Grösse
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. 


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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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