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Massive Reduktion der Schweisskosten an einem Betonbeisser – aber wie?

Michael Brand

Produktentwicklung + Berechnung + Herstellung inkl. Schweissaufsicht - aus einer Hand!

Kurzvorstellung Brand Engineering GmbH

Kurzvorstellung Brand Engineering GmbH - Beispielprojekt

Der Ausleger wird dazu benutzt, eine max. 5 to schwere Böschungswalze auf einer max. 40° steilen Neigung hoch und runter zu lassen.

Leistungen Brand Engineering:

• Konzeptlösung erarbeiten• Ausarbeitung der gesamten Konstruktion• Konstruktionsbegleitende Festigkeitsberechnung • Erstellen des kompletten Zeichnungssatzes (Einzelteile,

Fertigungszeichnungen, Montagezeichnungen) • Abschliessender Festigkeitsnachweis• Erstellung Betriebsanleitung

Kurzvorstellung Gebrüder Egli

Die Gebrüder Egli AG aus Rossrüti veredelt Maschinen mit neuesten Technologien zu Hochleistungs-geräten für die Baubranche.

Kurzfilm Betonbeisser

Bionic XMB 3.7

Ausgangslage:

• Gewicht 1.2 to• Abmessungen ca. 1 m x 1.5 m x 1 m

Ziel:

• Schweisskosten senken

AUSGANGSLAGE

Schwierigkeiten:

• Lastfalldefinitionen –anspruchsvoll

• Lastkollektive sind (noch) nicht bekannt – daher momentan nur statische Analyse möglich

Schweissaufwand:

• Ca. 130 Stunden

Ausführung:

• Alle Schweissnähte sind Vollanschlüsse

• Blechdicken von 20 – 107 mm

Einsparziel:

• Ca. 3´500 CHF pro Gebiss

• Ca. 70´000 CHF pro Jahr

AUSGANGSLAGE

SCHWEISSKOSTEN BEEINFLUSSEN – WIRTSCHAFTLICHKEIT

Schweissnahtvolumen reduzieren:

• Arbeitszeit

• Verbrauch von Zusatzwerkstoff

• Energieverbrauch

Vollanschlüsse in nicht vollangeschweisste Anschlüsse umwandeln (an niedrig belasteten Stellen):

• Arbeitszeit

• Verbrauch von Zusatzwerkstoff

• Energieverbrauch

• Nahtvorbereitung

SCHWEISSKOSTEN BEEINFLUSSEN – WIRTSCHAFTLICHKEIT

Schweisslage optimieren: Wahl des Schweissprozesses:

Wenn möglich in Wannenlage (PA) schweissen

• Höchste Abschmelzleistung erreichbar

zunehmender Schweissaufwand

höhere Abschmelzleistungen erreichbar (kg/h)

OPTIMIERUNGSANSATZ

Optimierungsansatz (erster):

• Vollanschlüsse an niedrig belasteten Stellen ersetzen durch Kehl- und HY-Nähte

Vorteile:

• Weniger Schweissnahtvolumen

• Keine (weniger) Schweissnahtvorbereitung notwendig

Nachteile:

• Kerbspannungen an den Schweissnahtwurzeln

• Geringere Ermüdungsfestigkeit

Ist-Zustand

100 % Nahtvolumen

Optimierungsansatz

66 % Nahtvolumen

VORGEHEN

Ist-Zustand analysieren

Optimierungsfähige Schweissnähte

lokalisieren

Optimierung ausführen und

analysieren

Optimierungen verfeinern

Alle Schweissnähte modelliert

16 Lastfälle

Bewertungskriterium: Von-Mises Spannung in allen 16 Lastfällen

Schweissnaht-geometrienanpassen

Berechnungen erneut ausführen

Vergleich zu Ist-Zustand

Neu erschaffene Schwachstellen verhindern

IST-ZUSTAND ANALYSIEREN

Lastfall 9 – Von-Mises Spannungen

Werkstoff:

• Gesamtes Gebiss ausser Schneidkanten aus Feinkornbaustahl

OPTIMIERUNGSFÄHIGE SCHWEISSNHÄTE LOKALISIEREN

Optimierungsfähig:

• Geringe Beanspruchung der Schweissnaht

• Schweissmöglichkeit

OPTIMIERUNGSFÄHIGE SCHWEISSNHÄTE LOKALISIEREN

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8

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OPTIMIERUNG AUSFÜHREN UND ANALYSIEREN

Ergebnis global (Strukturspannungskonzept):

Nur sehr geringe Auswirkungen auf die globalen Spannungen.

Ist-Zustand Optimiert

OPTIMIERUNG AUSFÜHREN UND ANALYSIEREN

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OPTIMIERUNG AUSFÜHREN UND ANALYSIEREN

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OPTIMIERUNG AUSFÜHREN UND ANALYSIEREN

Ergebnis lokal (Kerbspannungskonzept):

• Erhöhung der Spannungen im Schweissnahtübergang

• Neu auftretende Spannungen an der Schweissnahtwurzel

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OPTIMIERUNG AUSFÜHREN UND ANALYSIEREN

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OPTIMIERUNG AUSFÜHREN UND ANALYSIEREN

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OPTIMIERUNG AUSFÜHREN UND ANALYSIEREN

Ergebnis lokal (Kerbspannungskonzept):

• Erhöhung der Spannungen im Schweissnahtübergang

• Neu geschaffene Schwachstelle an der Schweissnahtwurzel

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OPTIMIERUNG AUSFÜHREN UND ANALYSIEREN

Ergebnis lokal (Kerbspannungskonzept):

• Mittels zweier Simulationen wurde eine plastische Stützzahl von 2.4 ermittelt.

• Bei einem Gesamtsicherheitsfaktor von 1.49 ergibt sich daraus ein statischer Auslastungsgrad für die Nahtwurzel von 271 %

OPTIMIERUNGEN VERFEINERN

Optimierungsansatz:

• Vollanschluss im hochbelasteten Bereich mittels K-Naht

OPTIMIERUNGEN VERFEINERN

Ergebnis lokal (Kerbspannungskonzept):

• Hohe Spannungen an der Schweissnahtwurzel beseitigt

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FAZIT

Nahtvolumeneinsparung:

Gesamtnahtvolumen vor der Optimierung →

Gesamtnahtvolumen nach der Optimierung →

Nahtvolumeneinsparung gesamt →

Schweissnahtvorbereitung:

Anzahl Bauteile neu ohne Schweissnahtvorbereitung →

Anzahl Bauteile mit einfacherer Schweissnahtvorbereitung →

Optimierung am Schweissprozess:

Schweissen mit Fülldraht oder grösserem DrahtAbschmelzleistung von z.B. 5 auf 8 kg/h erhöhen + 60%

Geschätzte Kosteneinsparung →

FAZIT

Geschätzte Kosteneinsparung:

Senkung der Schweisskosten um 20% → CHF/GebissEinsparung pro Jahr (ca. 20 Gebisse pro Jahr) → CHF/Jahr

Optimierungsaufwand → CHF

Kosteneinsparung im ersten Jahr → CHF/Jahr

Kosteneinsparung in den Folgejahren → CHF/Jahr

AUSBLICK

Anstehende Tätigkeiten:

• Der Kunde führt Druckmessungen im laufenden Betrieb durch, um daraus ein Lastkollektiv zu generieren für spätere Ermüdungsberechnungen

• Das optimierte Gebiss wird produziert, um dieses im Betrieb zu testen und die tatsächliche Reduktion der Herstellkosten in Erfahrung zu bringen