tech ThyssenKrupp forum · PDF fileDer erste Preis wurde an ThyssenKrupp Aufzugswerke verliehen: Mit ihrem Beitrag des TWIN, einem Auf-zugskonzept,

ThyssenKrupp techforum Juli | 2003

Artikel

techforumThyssenKrupp

Juli I 2003


Vorwort | 3

PROF. DR. EKKEHARD D. SCHULZ Vorsitzender des Vorstands der ThyssenKrupp AG

Liebe Leserinnen, liebe Leser,

Innovationen sind Motor der wirtschaftlichen, technologischen, kulturellen und soziologischen Entwicklung

unserer Gesellschaft. Technologische Innovationen entspringen dem Verlangen, die knappen Ressourcen

effizienter einzusetzen, bestehende Grenzen zu erweitern und damit neue Grenzen zu definieren, die zu-

künftig als Standard vorausgesetzt werden.

ThyssenKrupp hat sich das Überschreiten bisher definierter technologischer Grenzen als klares Ziel ge-

setzt und motiviert auch anhand des alljährlich stattfindenden Innovationswettbewerbes seine Mitarbeiter

dazu, durch innovative Entwicklungen neue Standards festzulegen. Die große Innovationsbereitschaft

unserer Mitarbeiter spiegelt sich auch in der hohen Zahl der in diesem Jahr eingereichten Wettbewerbs-

beiträge wider. Dabei unterstreicht die deutlich gestiegene Teilnahme ausländischer Konzernunternehmen

das Bestreben des Konzerns, als Global Player im internationalen Wettbewerb aufzutreten und Top-Positionen

zu erringen.

In der Ihnen vorliegenden Ausgabe des „ThyssenKrupp techforum“ möchten wir Ihnen ausgewählte

Beiträge zum Innovationswettbewerb 2003 vorstellen:

Der erste Preis wurde an ThyssenKrupp Aufzugswerke verliehen: Mit ihrem Beitrag des TWIN, einem Auf-

zugskonzept, bei welchem 2 Körbe in einem Schacht unabhängig übereinander fahren, revolutioniert das

Unternehmen bisherige Transportmöglichkeiten insbesondere in Gebäuden mit eingeschränkten räumli-

chen Beförderungskapazitäten bei gleichzeitiger Einsparung von Kosten und Energie.

Mit dem zweiten Preis wurde der Beitrag der neuartigen Offroad-Stabilizer (ORS©) von ThyssenKrupp

Automotive Mechatronics und ThyssenKrupp Automotive Systems ausgezeichnet. In Sport Utility Vehicles

(SUV) steigern ORS©-Stabilizer den Fahrkomfort, erhöhen die Traktion bei Geländefahrten und ermöglichen

zugleich eine optimale Auslegung für den normalen Straßenbetrieb.

Der dritte Preis wurde zwei Wettbewerbsbeiträgen verliehen: zum einen für das ‘Stahldesignrad mit

NIROSTA®-Abdeckung’ von ThyssenKrupp Nirosta und ThyssenKrupp Stahl. Ein universell nutzbarer

Strukturträger aus hochfestem Dualphasen-Stahl wird durch eine besonders edel anmutende Designab-

deckung aus NIROSTA® vollständig verkleidet und lässt optisch den Eindruck eines Rades aus einem

Guss entstehen.

Der weitere dritte Preis ging an ThyssenKrupp GfT Gesellschaft für Technik: Mit Stahl-Spundwänden

gesicherte Deiche verhindern Millionenschäden für die hinter den Deichen lebenden Bürger. Es werden

Komplettsysteme einschließlich Planung und Einbringtechnik angeboten, die eine wesentlich günstigere

Deichsicherungsalternative im Vergleich zum traditionellen Deichneubau darstellen.

Auch die übrigen Beiträge zeigen die Innovationskraft von ThyssenKrupp und werden Ihr Interesse als

technologiebegeistertem Leser finden. IMPRESSUM

HERAUSGEBER

ThyssenKrupp AG, Zentralbereich Technik, August-Thyssen-Straße 1, 40211 Düsseldorf, Telefon 0211/8 24-3 62 91,

Telefax 0211/8 24-3 62 85

ERSCHEINUNGSWEISE

„ThyssenKrupp techforum“ erscheint ein- bis zweimal jährlich in deutscher und englischer Sprache. Nachdruck nur mit

Genehmigung des Herausgebers. Fotomechanische Vervielfältigung einzelner Aufsätze ist erlaubt. Der Versand des

„ThyssenKrupp techforum“ erfolgt über eine Adressdatei, die mit Hilfe der automatisierten Datenverarbeitung geführt wird.

ISSN 1612-2763

Titelbild

Insbesondere bei Aufzügen in Hochhäusern bleibt der größte Teil des

Schachtes ungenutzt, wenn lediglich eine Aufzugskabine installiert ist.

Eine signifikante Leistungssteigerung der Aufzugsanlagen wird durch

die innovative Lösung der ThyssenKrupp Aufzugswerke erzielt: das

Aufzugssystem TWIN. Das Prinzip des TWIN besteht darin, dass zwei

Kabinen unabhängig voneinander in einer gemeinsamen Fahrbahn

betrieben werden. Dabei wird immer ein gewisser Mindestabstand

eingehalten, um jegliche Kollisionsgefahren auszuschließen. In der

Regel werden TWIN-Aufzugssysteme mit traditionellen Aufzügen, d.h.

ein Aufzug pro Schacht, kombiniert, um auch Rufe von der untersten

zur obersten Haltestelle direkt und ohne Umsteigen bedienen zu kön-

nen. Das Titelbild zeigt die erste TWIN-Anlage, die im Jahr 2002 in

ein Gebäude der Universität Stuttgart eingebaut wurde.

Im Rahmen des ThyssenKrupp Innovationswettbewerbes 2003 wur-

de das TWIN-Aufzugssystem mit dem 1. Preis ausgezeichnet.

4 | Inhalt Inhalt I 5

lichkeit, gepaart mit geringer Umweltbelastung auszeichnet. Bisher erprobte metallische Werkstoffkonzepte

für die Hochtemperatur-Brennstoffzellen SOFC hielten der Forderung nach Oxidationsbeständigkeit in Kombi-

nation mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht stand.

Abhilfe schafft der neue Werkstoff Crofer 22 APU, der mit Unterstützung von ThyssenKrupp Nirosta und

ThyssenKrupp VDM vom Forschungszentrum Jülich entwickelt wurde. Die Legierung zeichnet sich durch eine

herausragende Kombination von SOFC-relevanten Eigenschaften aus und ebnet den Weg für die Optimierung

von Kosten und Design.

24 | Off-Road-Stabiliser (ORS©-System), ein innovatives Fahrwerksystem zur Optimierung

der Fahreigenschaften von Geländefahrzeugen und Sport Utility VehiclesDR.-ING. VOLKER MIDDELMANN Abteilungsleiter Fahrwerksysteme | ThyssenKrupp Automotive Mechatronics GmbH, München

DIPL.-ING. ANDREAS STAPELMANN Projektmanager Fahrwerksysteme/-module | ThyssenKrupp Automotive Systems GmbH, Bochum

Das ORS©–System löst den ständigen Zielkonflikt bei der Fahrwerkentwicklung von Geländefahrzeugen und

Sport Utility Vehicles (SUV) auf. Diese Fahrzeuge benötigen für ein sportliches und sicheres Fahrverhalten auf

der Straße eine straffe Federung mit hoher Dämpfung und verdrehsteife Stabilisatoren. Für eine optimale Ge-

ländegängigkeit werden dagegen eine weiche Federung mit geringer Dämpfung und vor allem verdrehweiche

Stabilisatoren benötigt. Die Lösung dieses Zielkonfliktes besteht in einem auch unter Last hydraulisch schaltbaren

Stabilisator. Durch die völlige Freischaltung der Stabilisatoren im Geländebetrieb wird der Fahrkomfort gestei-

gert. Zugleich wird im gekoppelten Zustand der Stabilisatoren eine optimale Auslegung für den normalen

Straßenbetrieb ermöglicht.

30 | DampMatic – Automatisch verstellbarer Pkw-StoßdämpferDIPL.-ING. CLAUS WEIMANN Projektleitung | Thyssen Krupp Bilstein GmbH, Ennepetal

DIPL.-ING. OLE GÖTZ Zukunftsentwicklung | Thyssen Krupp Bilstein GmbH, Ennepetal

Der von Bilstein neu entwickelte amplitudenselektive Dämpfer ist ein passives Dämpfungsverstellsystem, welches

bevorzugt zum Einsatz in Pkws, Vans und SUVs vorgesehen ist. In Abhängigkeit der Fahrzustände wird die Dämpf-

kraft automatisch variiert. Bei kleinen Fahrbahnunebenheiten wird die Dämpfkraft abgesenkt, um das Komfort-

verhalten beim Anfedern und Abtasten zu verbessern, bei großen Anregungen sowie extremen Kursänderungen

(z.B. „Elchtest“) wird selbsttätig die Dämpfkraft erhöht, um eine hohe Fahrstabilität zu erreichen. Das DampMatic-

System ist besonders für Fahrzeuge mit hohem Schwerpunkt (z.B. Vans und Minivans) geeignet, die zur Karosserie-

stabilisierung hohe Dämpfkräfte benötigen und gleichzeitig gesteigerte Ansprüche an den Abrollkomfort stellen.

34 | Impulsnieten im KarosseriebauDIPL.-ING., M.S. IN MANAGEMENT THOMAS MEICHSNER Geschäftsführer | ThyssenKrupp Drauz GmbH, Heilbronn

DIPL.-ING. WULF LEITERMANN Expert Team Aluminium Light Weight Solutions | ThyssenKrupp Drauz GmbH, Heilbronn

KURT LAGLER Geschäftsbereichsleiter | ThyssenKrupp Drauz GmbH, Heilbronn

Der Automobil-Karosseriebau erfährt in den letzten Jahren eine Entwicklung hin zu neuartigen Leichtbaukonzepten

verbunden mit dem Einsatz neuer Werkstoffe. Anstoß dazu sind überproportional anwachsende Fahrzeugge-

wichte, verursacht durch steigende Forderungen nach mehr Ausstattung, Fahrkomfort und Karosserie-Steifigkeit

sowie die Erfüllung verschärfter Crash-Vorschriften und Abgasnormen. Die neuen Karosseriekonzepte unter An-

wendung von Werkstoffen wie Aluminium, Kunststoff, Magnesium und hochfesten Tiefziehstählen machen die

Entwicklung neuer Verbindungstechniken im Karosseriebau notwendig. ThyssenKrupp Drauz hat für solche Auf-

gaben u.a. das Impulsnietverfahren entwickelt, mit dem die Stanzniettechnik im modernen Karosseriebau ein

erweitertes Anwendungsfeld findet. Es wird aufwendigere Verfahren in bisher für Stanzverfahren nicht zugängli-

chen Karosseriebereichen ersetzen.

10 | Lasergeschweißte Außenrohre für Kfz-StoßdämpferDR.-ING. GERHARD GRAËN Projektmanager | ThyssenKrupp Bilstein GmbH, Ennepetal

DR.-ING. JENS OVERRATH Geschäftsführer | ThyssenKrupp Tailored Blanks S.r.I., San Gillio / Italien

Eine Verlagerung der Kaltfließpressanlagen war der Impuls für eine Innovation von ThyssenKrupp Bilstein im

Bereich der Außenrohrfertigung für die Luftfederbeine der Mercedes-Benz S-Klasse. Ein Verfahrensvergleich

zwischen nicht-thermischen Fügeverfahren und konventionellen Schweißverfahren zeigte die Überlegenheit

des Laserschweißens hinsichtlich der Erfüllung des technischen und wirtschaftlichen Anforderungsprofils.

Durch die geringe Energieeinbringung ist ferner eine Beeinträchtigung angrenzender Bereiche auszuschließen,

für den Kunden lässt sich ein Zusatznutzen durch den Korrosionsschutz des Schweiß- bzw. Rohrbodens er-

schließen. Im Frühjahr 2003 wurde die veränderte Konstruktion des Außenrohres mit Hilfe der ThyssenKrupp

Tailored Blanks erfolgreich in der Serie umgestellt.

14 | Stahldesignrad mit NIROSTA®-Abdeckung, eine Alternative zum AluminiumgussradDIPL.-KFM. OLIVER KLEINSCHMIDT Bereichsleiter Vertrieb Strategie Auto | ThyssenKrupp Stahl AG, Duisburg

DR. RER. NAT. PANICOS PAPAIACOVOU Leiter der Anwendungstechnik | ThyssenKrupp Nirosta GmbH, Düsseldorf

Seit Mitte der 80er Jahre ist das konventionelle Stahlrad einem verstärkten Wettbewerb durch Aluminiumguss-

räder ausgesetzt. Hintergrund dieser Entwicklung ist in erster Linie die mit Aluminiumrädern verbundene hoch-

wertige Optik, für die immer mehr Pkw-Eigentümer bereit sind, einen hohen Aufpreis zu bezahlen. Um diesem

Verdrängungsprozess der Stahlräder entgegenzuwirken, haben ThyssenKrupp Stahl und ThyssenKrupp Nirosta

gemeinsam mit Partnern ein innovatives Stahldesignrad realisiert. Ein universell nutzbarer Strukturträger aus

dem hochfesten Dualphasen-Stahl DP-W 600, der durch eine Designabdeckung aus NIROSTA® vollständig so

verkleidet wird, dass er unsichtbar bleibt, lässt optisch den Eindruck eines Rades aus einem Guss bei deutlich

reduziertem Anschaffungspreis entstehen.

20 | Großserientaugliches Werkstoffkonzept für Hochtemperatur-BrennstoffzellenDIPL.-ING. RALF HOJDA Entwicklung und Technisches Marketing Geschäftsbereich Bänder | ThyssenKrupp VDM GmbH, Werdohl

DR.-ING. WINFRIED HEIMANN ehem. Leiter Werkstoff- und Anwendungstechnik warmgewalzte Bleche | ThyssenKrupp Nirosta GmbH, Krefeld

DR.-IR. WILLEM JOSEF QUADAKKERS Leiter Korrosion und Korrosionsschutz, Institut für Werkstoffe der Energietechnik | Forschungszentrum Jülich GmbH

Als Hoffnungsträger für den schonenden Umgang mit fossilen Brennstoffen im Bereich stationärer und mobiler

Energieversorgungssysteme gilt die Brennstoffzellen-Technologie, die sich durch hohe Effizienz und Wirtschaft-

10 |

ThyssenKrupp techforum Juli | 2003ThyssenKrupp techforum Juli | 2003

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Inhalt | 7


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38 | 3-D-Simulation der Induktionshärtung bei Lkw-KurbelwellenDIPL.-ING. XAVIER OLAGNE Leiter Process Engineering | ThyssenKrupp Mavilor, L’Horme/Frankreich

DR.-ING. PHILIPPE BRISTIEL Process Engineering | ThyssenKrupp Mavilor, L’Horme/Frankreich

Die Induktionshärtung ist ein kritischer Vorgang bei der Bearbeitung von Lkw-Kurbelwellen, der den Preis

und die Dauerfestigkeit des Produktes entscheidend beeinflusst. Bisher standen keine zuverlässigen nicht-

destruktiven Testmethoden zur Verfügung, um die erzielte Härte und Eigenspannungsverteilung zu ermitteln.

Dadurch wurde das Prozessdesign zu einer sehr kostspieligen und zeitaufwendigen Aufgabe. Bei diesem Projekt

wurde ein numerisches 3-D-Modell zur Simulation des gesamten Induktionshärtungsprozesses entwickelt. Diese

Innovation ebnet den Weg für ein besseres Prozessverständnis und liefert einen systematischen Ansatz zur

Optimierung. Bestätigt durch den erfolgreichen Einsatz bei mehreren industriellen Anwendungen, erzielte

ThyssenKrupp Automotive einen deutlichen Wettbewerbsvorteil im Bereich Produkt-/Prozessdesign.

44 | TWIN – Die neue Generation eines AufzugesDR.-ING. GÜNTER REUTER Leiter Vorentwicklung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. (FH) MANFRED DULLEN Entwicklung Elektronik | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. WOLFGANG MEIßNER Vorentwicklung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. (FH) WALTER NÜBLING Vorentwicklung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. (FH) HELMUT SCHLECKER Vorentwicklung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. STEFAN SCHNEIDER Entwicklung Elektronik | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. (FH) GERHARD THUMM Geschäftsführung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

Ende 2002 brachte ThyssenKrupp Aufzugswerke mit TWIN das erste leistungsfähige Aufzugssystem auf den Markt,

bei dem zwei Kabinen in einer gemeinsamen Fahrbahn vollkommen unabhängig voneinander betrieben werden.

TWIN besteht im Prinzip aus zwei Treibscheibenaufzügen, die im Bauraum eines Treibscheibenaufzuges instal-

liert werden. Ein vierstufiges Sicherheitskonzept stellt sicher, daß die Kabinen immer einen Mindestabstand zuein-

ander einhalten, d.h. niemals miteinander kollidieren können. In Kombination mit mindestens einer konventionellen

Anlage werden durch TWIN die Flexibilität und die Förderkapazität bei Einsparung von Aufzugsschächten deutlich

erhöht.

48 | ISIS: vielseitig einsetzbarer Aufzug ohne MaschinenraumRORY SMITH BS Vice President, Product Planning | ThyssenKrupp Elevator, El Cajon/USA

ELIZABETH PERRY BS, IMBA Market Research | ThyssenKrupp Elevator, El Cajon/USA

Die TRIaD Group der ThyssenKrupp Elevator North America hat einen neuen, vielseitig einsetzbaren Aufzug ohne

Maschinenraum entwickelt. Dieser Aufzug, benannt nach der altägyptischen Göttin ISIS, Symbol für die Zukunft

und das ewige Leben, vereint Komponenten und Technologien der Forschungsgruppen aus Deutschland, Frank-

reich, Spanien, Brasilien und den Vereinigten Staaten von ThyssenKrupp Elevator. ISIS kommt ohne Maschinen-

raum aus, seine Aufhängung ist aus Kunststoff, seine Schalter kontaktfrei und magnetisch, und die Wände und

Decken mit Wabenstruktur geben ihm sein geringes Gewicht. Aufgrund der besonderen Konstruktion des ISIS

ist es möglich, die Aufzüge in Werken zu produzieren, die nahe den wichtigen Absatzmärkten liegen, und die spe-

zifischen Anforderungen lokaler Märkte zu berücksichtigen.

52 | Fahrsteig mit Tempo-DynamikDIPL.-ING. MIGUEL ANGEL GONZÁLEZ ALEMANY Technischer Leiter | ThyssenKrupp Norte S.A., Mieres/Spanien

DIPL.-ING. MANUEL ALONSO CUELLO Leiter für mechanische Entwicklung (FuE) | ThyssenKrupp Norte S.A, Mieres/Spanien

Nach vierjähriger Entwicklungszeit stellt ThyssenKrupp Norte einen Fahrsteig mit Tempo-Dynamik vor, der im

mittleren Abschnitt eine Höchstgeschwindigkeit von 2 m/s (entsprechend 7 km/h) erreicht, während im Ein-

und Austrittsbereich eine Geschwindigkeit von 0,65 m/s gehalten wird. Diese Geschwindigkeit entspricht der

konventioneller Fahrsteige. Die Gehgeschwindigkeit eines Menschen beträgt durchschnittlich 4 km/h. Addiert

man Fahrsteig- und Gehgeschwindigkeit, so erreicht man eine Gesamtgeschwindigkeit von 11 km/h. Auf dem

Gebiet der Fahrsteige stellt dieses Produkt eine bahnbrechende Innovation in Zusammenhang mit zahlreichen

Teilinnovationen dar. Die bedeutendsten Innovationen sind die Beschleunigungskette, die überlappenden Palet-

ten sowie der Handlauf, der sich verschiedenen Geschwindigkeitsstufen anpasst.

56 | COMMONALITY – Flexibel standardisiertes Montagesystem für die AggregatemontageDIPL.-ING. KARL-HEINZ GERTJEGERDES Leiter Maschinenbaukonstruktion | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

DIPL.-ING. UWE NORDHAUSEN Produktmanager Commonality | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

DIPL.-ING. STEFAN LENZ Koordinationsverantwortlicher Steuerungstechnologie | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

VOLKER KRETSCHMER Koordinationsverantwortlicher Maschinenbaukonstruktion | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

Montagelinien für die Aggregatemontage der Automobilindustrie wurden in den vergangenen Jahren üblicher-

weise als Einzellösungen für einen Motortyp bzw. eine Motorenfamilie ausgeführt. Sich ständig ändernde

Kundenwünsche bezüglich Fahrzeugen und Modellreihen führen zu Schwankungen bei Stückzahlen und Varian-

tenvielfalt in der vorgelagerten Aggregatemontage. Hohe Investitionskosten aufgrund von häufigen Veränder-

ungen an den Montageanlagen sind die Folge. Durch das modular aufgebaute, standardisierte Montagesystem

COMMONALITY kann diesen wechselnden Marktanforderungen Rechnung getragen werden und ein hohes Maß

an Flexibilität für zukünftige Anforderungen nach Produkt- und Kapazitätsveränderungen bei gleichzeitig redu-

zierten Investitionskosten erreicht werden.

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Inhalt | 98 | Inhalt

60 | Richtungweisende Neuentwicklung für die Zementindustrie: Der neue Klinkerkühler POLYTRACK®

DR.-ING. SEBASTIAN MORGENROTH Fachbereichsleiter FuE | Polysius AG, Neubeckum

DIPL.-ING. LUDWIG KÖNNING Abteilungsleiter Konstruktiontechnik | Polysius AG, Neubeckum

DIPL.-ING. GÜNTER MILEWSKI Konstruktion Wärmetechnik | Polysius AG, Neubeckum

Die Polysius AG, einer der weltweit führenden Hersteller im Zementanlagenbau, hat für Ofenanlagen von

Zementwerken den komplett neuartigen Klinkerkühler POLYTRACK® entwickelt. Dieser Kühler besteht aus in

Materialförderrichtung angeordneten Förderplanken, zwischen denen die Kühlluft in das Klinkerbett eintritt. Der

Kundennutzen besteht insbesondere in geringeren Investitionskosten, einem hohen Wirkungsgrad für die

Wärmerückgewinnung, erheblich geringeren Wartungskosten und einer größeren Verfügbarkeit im Vergleich zu

Kühlern des Wettbewerbs. Vorteilhaft für Lieferanten und Kunden gleichermaßen ist die sehr kompakte Bauart

und die Möglichkeit, die Maschine in Modulen vormontiert auf die Baustelle zu liefern. Das Konzept des modula-

ren Aufbaus führt im Auftragsfall zu geringerem Detailengineeringaufwand und zu kurzen Lieferzeiten.

66 | NovoPort® – das innovative Garagentorsystem mit integriertem AntriebARMIN BECHTLOFF Produktmanagement Torsysteme | Novoferm GmbH, Dortmund

Novoferm hat sich zum Ziel gesetzt, der führende Anbieter von automatischen Torsystemen im Privatbereich zu

werden, die stets ein Maximum an Sicherheit, Komfort und Ästhetik erfüllen – zu einem Minimum an Kosten.

Unter diesem Gesichtspunkt wurde im Oktober 2001 mit NovoPort® ein neuartiges, automatisches Torsystem vor

gestellt, bei dem der Antrieb in die Torkonstruktion integriert wurde – wie der Motor beim Auto. Kostenintensive

Anpassungsarbeiten unter Berücksichtigung der baulichen Gegebenheiten in der Garage entfallen ebenso wie

die konventionelle Montage des Antriebes unter der Garagendecke. Das Ergebnis sind deutliche Zeit- und Kosten-

vorteile im Vergleich zu allen auf dem Markt befindlichen Wettbewerbsangeboten.

70 | Stahl-Spundwände und Aufbaukonstruktionen für HochwasserschutzsystemeDIPL.-ING. GODEHARD DREES Geschäftsführung | ThyssenKrupp GfT Bautechnik GmbH, Essen

CHRISTIAN WALTER Geschäftsführung | ThyssenKrupp GfT Bautechnik GmbH, Essen

Hochwasserschäden haben in den letzten Jahren zugenommen und unsere Volkswirtschaft viele Milliarden Euro

gekostet. Die Systemlösungen von ThyssenKrupp GfT Bautechnik basieren auf Stahlspundwänden, die sich hervor-

ragend zur Deichverteidigung und -verstärkung eignen und in Kombination mit unserer Gerätetechnik umwelt-

freundlich und materialschonend eingerammt werden. Die Stahl-Spundwände fungieren innerhalb der Deiche als

Dichtungen, übernehmen eine stabilisierende Funktion und bilden für das Wasser eine unüberwindbare Barriere.

Droht der Wasserpegel die Deichkrone oder Kaimauer zu übersteigen, können schnell Aufsatzkonstruktionen zur

Deicherhöhung montiert werden. Mit Spundwänden gesicherte Deiche verhindern Millionenschäden für die hinter

den Deichen lebenden Bürger.

74 | Werkzeugstähle als verarbeiterorientierte NeuentwicklungenDR. RER. POL. CLAUS ALGENSTAEDT Abteilungsdirektor Zentrales Marketing | Thyssen Schulte GmbH, Düsseldorf

YVES METZGER Verkaufsdirektor Langprodukte | ThyssenKrupp Materials France S.A.S., Maurepas/Frankreich

Werkzeugstähle exakt für definierte Gebrauchseigenschaften zu entwickeln und bereitzustellen, war die Idee, mit

der ein Projektteam von ThyssenKrupp Materials France 1997 startete. Heute sind 15 neue pulvermetallurgisch

erzeugte Stahlgüten sowie Kalt-, Warm- und Kunststoffformenstähle im Markt eingeführt. Neben spezifischen

mechanischen Eigenschaften und Leistungsmerkmalen sind besonders die höhere Einsatz- und Prozesswirtschaft-

lichkeit der neuen Stahlgüten für die Herstellung von Werkzeugen oder Kunststoffformen von Vorteil. Solche Vorteile

sind u.a. längere Standzeiten, höhere Maß- und Formstabilität, Gebrauchshärte, Druckfestigkeit und Wärmeleit-

fähigkeit. Die Optimierung der neuen Güten betraf im Wesentlichen die Veränderung der Legierungskombina-

tionen, wodurch homogenere Mikrostrukturen und verbesserte Isotropie erreicht wurden.

80 | Systemdienstleistungen rund um Kleinladungsträger für IndustriekundenDIPL.-ING. DIRK BARTELS Unternehmensentwicklung | WIG Industrieinstandhaltung GmbH, Köln

HARDY SCHWEIGL Geschäftsleiter Niederlassung | WIG Industrieinstandhaltung GmbH, Stuttgart

DIPL.-PSYCH. SABINE STOFFELS Marketing | WIG Industrieinstandhaltung GmbH, Köln

Aufgrund des verstärkten Outsourcing-Trends in der produzierenden Industrie erhält der Transport von Zulieferteilen

in speziellen Behältnissen – sogenannten Kleinladungsträgern – eine immer größere Bedeutung. Das Handling

von Kleinladungsträgern ist jedoch personal- und kostenintensiv. Um die Kunden von diesem nicht-wertschöp-

fenden Aufwand zu entlasten, bietet die WIG Industrieinstandhaltung, ein Unternehmen von ThyssenKrupp Serv,

eine neue Systemdienstleistung an, bei der die komplette Distributions- und Leergutlogistik der Ladungsträger, d.h.

die Sortierung, Reinigung, Lagerung, Kommissionierung, Konfektionierung und zeitgerechte Bereitstellung der Be-

hältnisse inklusive Dokumentation übernommen wird.


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Lasergeschweißte Außenrohre für Kfz-Stoßdämpfer

Einleitung

Mit der Entwicklung des ersten serienreifen Einrohr-Gasdruckstoß-

dämpfers nach dem DeCarbon-Prinzip revolutionierte Bilstein die

Dämpfungstechnik für Straßenfahrzeuge im Jahr 1945 mit überra-

genden Sicherheits- und Komfortmerkmalen. Die Technik wurde im

Laufe der Jahre optimiert und erfuhr durch die Luftfeder eine weitere

Verbesserung. Dieses hinsichtlich des hohen Fahrkomforts überra-

gende System kommt bei der S-Klasse von Mercedes-Benz (werksin-

tern W 220) zur Anwendung | Bild 1 |.

Die wesentlichen Elemente des Luftfederbeins sind die Luftfeder

und der Einrohrdämpfer. Im Einrohrdämpfer befindet sich das für die

Dämpfung relevante Öl, das durch einen Trennkolben vom Gastank

(Stickstoff) getrennt wird. Der Gastank befindet sich am unteren Ende

des Stoßdämpfers und ist über eine Konusanbindung mit dem Rad

verbunden.

In der Vergangenheit wurde das Außenrohr mit dem Gastank mit-

tels Kaltfließpressen hergestellt. Im Rahmen eines Kostenreduzie-

rungsprogramms wurde die Kaltfließpresserei extern vergeben und

gesamtheitlich die Kostensituation analysiert. Hierbei wurden ver-

schiedene Fertigungstechnologien anhand der hohen Kundenanfor-

derungen bewertet.

Istzustand Frühjahr 2003

Das Außenrohr wurde mittels Kaltfließpressen hergestellt | Bild 2 |.

Dieses Verfahren bietet Vorteile hinsichtlich einer hohen Form- und

Maßgenauigkeit sowie der Oberflächengüte (Lauffläche des Arbeits-

kolbens), erfordert aber auch einen hohen Energie- und Bearbeitungs-

aufwand. Des Weiteren resultieren aus der erforderlichen Nachbe-

arbeitung des Rohres (umformen, Gewinde schneiden, abstechen)

erhöhte Qualitäts- und Ausschusskosten. Dies ist unter anderem auf

die komplizierte Gewindeherstellung im Rohrboden des bereits fertigen

Außenrohres zurückzuführen.

Anforderungen an das Stoßdämpfer-Außenrohr

Die Analyse des Lastenheftes ergab folgende Mindestanforde-

rungen:

Anforderung Messwert

Gasdichtheit gegenüber Stickstoff Keine Heliumleckage nach

3 Stunden bei 9 bar Druck

Zug-Druck-Schwellbelastung von 4 bis 20 kN

Keine Beschädigung der Gewinde Gängigkeit des Gewindes

Keine Beeinträchtigung der Oberfläche Sichtprüfung

für nachfolgende Bearbeitungsschritte

Lebensdauer 300.000 Fahrzeug- 2.000 km Heideprüfung

kilometer

Durch die kurzfristige Verlagerung der Kaltfließpresserei war es erfor-

derlich, eine Lösung zu finden, die innerhalb von sechs Monaten um-

setzbar war und eine hohe Prozesssicherheit ohne Nacharbeit ge-

währleistet. Darüber hinaus sollten die Investitionen minimiert werden.

10 | Lasergeschweißte Außenrohre für Kfz-Stoßdämpfer | 11

DR.-ING. GERHARD GRAËN Projektmanager | ThyssenKrupp Bilstein GmbH, Ennepetal

DR.-ING. JENS OVERRATH Geschäftsführer | ThyssenKrupp Tailored Blanks S.r.I., San Gillio/Italien

Laserschweißung

Bild 1 | Luftfederbein Vorderachse S-Klasse

Außenrohr

Konusanbindung

Bild 2 | Kaltfließgepresstes Außenrohr

| Lasergeschweißtes Außenrohr


vorhandenen Anlage gewährleistet ist, so dass eine Investition bei

ThyssenKrupp Bilstein derzeit ausgeschlossen wurde. Der bezüglich

der Wirtschaftlichkeit erforderliche hohe Auslastungsgrad erfordert

ein Industrialisierungskonzept, das über eine Strahlweiche den Laser-

strahl für andere Anwendungen verfügbar macht. | Bild 6 | verdeut-

licht die Realisierung des Konzeptes anhand einer Laserschweißanlage

in San Gillio/Turin.

Fazit

Die Verlagerung der Kaltfließpressanlagen war der Impuls für eine

Innovation im Bereich der Außenrohrfertigung für die Luftfederbeine

der Mercedes-Benz S-Klasse. Ein Verfahrensvergleich mit nichtther-

mischen Fügeverfahren sowie konventionellen Schweißverfahren

zeigte, dass das Laserschweißen hinsichtlich der Erfüllung des tech-

nischen und wirtschaftlichen Anforderungsprofils überlegen ist.

Darüber hinaus zeigte sich, dass durch die geringe Energieeinbrin-

gung eine Beeinträchtigung angrenzender Bereiche auszuschließen

ist und sich durch den Korrosionsschutz des Schweiß- bzw. Rohrbo-

dens ein Zusatznutzen für den Kunden erschließen lässt. Im Frühjahr

2003 wurde die veränderte Konstruktion des Außenrohres mit Hilfe

von ThyssenKrupp Tailored Blanks erfolgreich und termingerecht in

der Serie umgestellt.

Die technische und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Laser-

strahlschweißens in Verbindung mit der Fertigungskompetenz von

ThyssenKrupp Tailored Blanks überzeugte DaimlerChrysler auch bei

der neuen Mercedes Benz A-Klasse (W 169), die im nächsten Jahr

mit vergleichbaren lasergeschweißten Fahrzeugkomponenten auf den

Markt kommt. Die Potenziale des Lasers hinsichtlich partieller Erwär-

mung zum Härten, Schneiden und Schweißen werden derzeit bei der

Stoßdämpferentwicklung nur ansatzweise berücksichtigt. Der be-

schriebene Anwendungsfall ist der erste Einsatz des Lasers bei der

Stoßdämpferproduktion. Weitere Anwendungen sind zu erwarten.

Lasergeschweißte Außenrohre für Kfz-Stoßdämpfer | 1312 | Lasergeschweißte Außenrohre für Kfz-Stoßdämpfer

Alternative Lösungskonzepte

Die Luftfederung der Mercedes-Benz S-Klasse wurde von ThyssenKrupp

Bilstein entwickelt und wird seit 1998 im Werk Mandern bei Trier pro-

duziert. Hieraus folgt, dass bei der Lösungsfindung konstruktive Ände-

rungen nur bedingt in Betracht kamen, so dass das Hauptaugenmerk

auf eine Verfahrens- bzw. Technologieänderung gelegt wurde. Im ein-

zelnen wurden folgende Verfahren/Technologien untersucht:

Kleben,

Verstemmen (Sicken),

Kondensator-Entladungsschweißen (KE),

Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG),

Wolfram-Inert-Schweißen (WIG),

Laserschweißen (LBW),

Reibschweißen,

Warmumformen.

Im Rahmen einer Diplomarbeit und in Zusammenarbeit mit verschie-

denen namhaften Instituten und Firmen wurden Musterteile erstellt

und erprobt. Hierbei wurden jeweils Sichtprüfungen, Gasdichtheits-

prüfungen, Druckverlustuntersuchungen bei – 40 °C und + 80 °C,

Dauerfestigkeitstests sowie Abreißversuche durchgeführt | Bild 3 |.

Erste Voruntersuchungen führten zum Ausschluss folgender Verfahren:

Verfahren Ausschlusskriterium

Kleben Mangelhafte Temperaturbeständigkeit

Sicken Keine Prozessfähigkeit, Gasdichtheit nicht

gewährleistet

KE-Schweißen Erforderliche Teilegenauigkeit serientechnisch

nicht umsetzbar

Reibschweißen Fehlende Prozesssicherheit

Warmumformen Kein Ausschluss von Rissbildung

Die drei verbliebenen Schweißverfahren sind im | Bild 4 | aufgelistet

und anhand von Gewichtungskriterien bewertet. Die Gesamtbewer-

tung zeigte, dass das Laserschweißen die Anforderungen am besten

erfüllt. Im Gegensatz zu den konventionellen Schweißverfahren sind

durch die charakteristischen Merkmale des Laserstrahlschweißens –

wie geringe Wärmeeinbringung und schmale Nahtbreite – keine auf-

wendige Spritzerentfernung und Nachbearbeitung des Gewindes

erforderlich. Dies ermöglicht eine Verkürzung des Drehteils (kompak-

tere Bauweise | Bild 5 |. Zusätzlich konnte mit Hilfe des Laserstrahl-

schweißens eine beanspruchungsgerechtere Konstruktion hinsichtlich

Festigkeit und Korrosionsschutz für das Stoßdämpferrohr entwickelt

werden. Bei dem laserstrahlgeschweißten Stoßdämpferrohr besteht

der Rohrboden aus höherfesterem Stahl im Vergleich zum weicheren

und duktileren Zylinderrohrmaterial. Zusätzlich kann gezielt nur auf

dem Rohrboden die notwendige Korrosionsschutzbeschichtung auf-

gebracht werden.

Anlagentechnische Umsetzung

Nach einer Benchmark-Studie wurde das Unternehmen ThyssenKrupp

Tailored Blanks (TKTB) aufgrund seiner langjährigen Erfahrung

(erster großserientechnischer Einsatz des Laserschweißens beim

Audi 100 im Jahre 1985) und seiner hohen Kompetenz ausgewählt.

Die Technologieführerschaft von TKTB zeigte sich sowohl in einem

wettbewerbsfähigen Angebot als auch in den besten Prüfergebnissen.

Die hohe Produktivität des Laserschweißens äußert sich in kurzen

Prozesszeiten von ca. 20 Sekunden pro Rohrschweißung. Bei einer

geforderten Stückzahl von rund 800 Außenrohren pro Tag resultiert

hieraus eine Auslastung der Anlage von nur einer Schicht pro Woche.

Daraus ist abzuleiten, dass ein wirtschaftlicher Betrieb einer kapital-

intensiven Laseranlage nur durch eine Mehrfachnutzung einer bereits

MAG-Schweißen WIG-Schweißen Laser-Schweißen

Kriterium Gewichtung Ungewichtet Gewichtet Ungewichtet Gewichtet Ungewichtet Gewichtet

Schweißgeschwindigkeit 3 3 9 2 6 5 15

Wärmeeinbringung 4 3 12 3 12 5 20

Verzug 4 3 12 3 12 5 20

Kosten 5 4 20 3 15 4 20

Taktzeit 4 4 16 2 8 5 20

Gasdichtheit 5 5 25 5 25 5 25

Prozesssicherheit 5 3 15 4 20 5 25

Optische Fehler (Spritzer) 4 3 12 2 8 4 16

Gesamtbewertung 121 106 161

Legende: 1 - geringe Gewichtung, 5 - hohe Gewichtung

Bild 5 | Gedrehter Boden als Ersatz für den Rohrboden

Bild 4 | Vergleich der unterschiedlichen Schweißverfahren

Bild 6 | Laserschweißanlage für Außenrohre bei ThyssenKrupp Tailored Blanks in San Gillio/Turin, Italien

Bild 3 | Dauerfestigkeitsversuch an lasergeschweißten Außenrohren (± 181 Nm, 300.000 Lastwechsel, Ergebnis:gasdicht, keine Risse in der Naht, Rohr abgerissen)


Stahldesignrad mit NIROSTA®-Abdeckung, eine Alternative zum Aluminiumgussrad | 15

Einleitung

Das konventionelle Stahlrad für Pkws ist seit Mitte der 80er Jahre ei-

nem verstärkten Wettbewerb durch Aluminiumgussräder ausgesetzt.

Hintergrund dieser Entwicklung ist in erster Linie die mit Aluminium-

rädern verbundene hochwertige Optik, für die immer mehr Pkw-Eigen-

tümer bereit sind, einen hohen Aufpreis zu bezahlen, um ihre Fahr-

zeuge attraktiver zu gestalten.

Die Automobilhersteller haben das Potenzial optisch hochwertiger

Räder erkannt und setzen Aluminiumgussräder zunehmend als Mar-

ketinginstrument ein. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise

schleppende Verkäufe nicht mehr ganz taufrischer Modelle ankurbeln

oder zusätzliche Verkaufsanreize darstellen, ohne gleich den Preis

eines Fahrzeugmodells senken zu müssen.

Als Konsequenz dieser Entwicklung beträgt der Anteil der Stahlrä-

der am europäischen Gesamtmarkt aktuell nur noch ca. 60 % mit

weiter fallender Tendenz. Um dem Verdrängungsprozess des Stahlra-

des entgegenzuwirken und eine längerfristige Marktabsicherung für

den Werkstoff Stahl zu erzielen, wurde nach einer tragfähigen Lösung

für ein Stahldesignrad gesucht, das eine echte Alternative zum Alu-

miniumgussrad darstellt.

Anforderungen an ein Stahldesignrad

Zu Beginn der Überlegungen zur Entwicklung eines Stahldesignrades

stand nicht die technische Entwicklung im Fokus, sondern zunächst

eine umfassende Analyse der Anforderungen des Marktes. Damit

sollte sichergestellt werden, dass bei den Bemühungen ein Rad ent-

steht, das den Vorstellungen der Autokäufer entspricht und in Millio-

nenauflage verkauft werden kann.

Es kristallisierten sich 4 Kriterien heraus, die für den Erfolg eines

Stahldesignrades maßgeblich sind und unbedingt erfüllt sein müssen:

Eine hochwertige Anmutungsqualität, die es erlaubt, mit der opti-

schen Wirkung und Haptik von Aluminiumgussrädern mithalten

zu können.

Ein hohes Maß an Designflexibilität.

Allein BMW hat aktuell 85 verschiedene Designs für Aluminium-

gussräder in seinem Programm, zu denen jedes Jahr rd. 20 neue

Designs hinzukommen. Neue Styling-Trends müssen deshalb

schnell aufgenommen und umgesetzt werden können.

Das Gewicht sollte auf Aluminiumgussradniveau liegen oder nur

wenig darüber, da sonst keine Akzeptanz seitens der Automobil-

hersteller gegeben ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass jegliche

Designmaßnahmen am Rad das Gewicht generell schnell in die

Höhe treiben.

Die Kosten sollten deutlich unter denen der Aluminiumgussräder

bleiben, um einen ausreichenden Anreiz für die Automobilherstel-

ler zur Umstellung zu gewährleisten.

Angesichts dieses Forderungskataloges wurde relativ schnell deutlich,

dass nur eine Trennung des Rades in ein tragendes und ein gestalte-

risches Element die Lösung darstellen kann.

Konzeptentwicklung

Ergebnis der Überlegungen zur konzeptionellen Entwicklung gemein-

sam mit den Partnern Industriedesigner 3L, ISE Innomotive Systems

und dem Räderhersteller Hayes Lemmerz ist ein universell nutzbarer

Strukturträger, der durch eine Edelstahldesignabdeckung vollständig

so verkleidet wird, dass er unsichtbar bleibt und optisch den Ein-

druck eines Rades aus einem Guss entstehen lässt. Die Verwendung

des Werkstoffes Edelstahl von ThyssenKrupp Nirosta sorgt dabei für

die notwendige hochwertige Anmutung.

Stahldesignrad mit NIROSTA®-Abdeckung,eine Alternative zum Aluminiumgussrad

14 |

DIPL.-KFM. OLIVER KLEINSCHMIDT Bereichsleiter Vertrieb Strategie Auto | ThyssenKrupp Stahl AG, Duisburg

DR. RER. NAT. PANICOS PAPAIACOVOU Leiter der Anwendungstechnik | ThyssenKrupp Nirosta GmbH, Düsseldorf

| Stahldesignrad mit NIROSTA®- Abdeckung am VW Beetle


Stahldesignrad mit NIROSTA®-Abdeckung, eine Alternative zum Aluminiumgussrad | 17

Bei dieser Konzeption übernimmt der Strukturträger sämtliche tra-

genden Funktionen, während die Designabdeckung aus NIROSTA®

unabhängig von Belastungsanforderungen ganz auf die Erfüllung der

optischen Aspekte ausgelegt werden kann und dem Produkt die Wir-

kung eines hochwertigen Komplettrades verleiht | Bild 1 |.

Um einen optimalen Sitz der Edelstahldesignabdeckung auf dem

Träger zu gewährleisten, ist in die Edelstahlabdeckung ein innovativer

Adapter zur Befestigung integriert, der die Abdeckung zentriert und

eine etwaige Unwucht zuverlässig verhindert. Ein Verlust der Abde-

ckung ist nicht möglich, da diese erst nach Lösen der Radschrauben

vom Strukturträger entfernt werden kann. Außerdem bietet diese

Befestigungsart größere stilistische Möglichkeiten in der Gestaltung

des Sichtbereiches.

Damit den Designern ein Höchstmaß an Gestaltungsflexibilität ein-

geräumt werden kann, muss der Strukturträger möglichst schmale

Speichen und große Durchbrüche aufweisen. Erst eine solche Ausle-

gung schafft die Voraussetzung für transparente und optisch leichte

Designs, wie sie der Markt für hochwertige Räder verlangt.

Die Speichen des Strukturträgers sind in einer Doppel-Z-Form aus-

geführt, damit dieser trotz des vergleichsweise filigranen Aufbaus die

auftretenden Belastungen übernehmen kann. Auf diese Weise wird

ein höheres Widerstands- und Trägheitsmoment erzielt. Über die Spei-

chenhöhe und die Randbreite an den Belüftungsöffnungen lässt sich

ein weitgehend gleichmäßiger Spannungsverlauf erreichen | Bild 2 |.

Die Realisation des Strukturträgers ist nur möglich geworden durch

die Verwendung des Werkstoffes DP-W 600, einem Dualphasenstahl

mit großem Umformvermögen und hohem Verfestigungspotenzial.

Zur Erzielung der erforderlichen Toleranz- und Sicherheitsprofile für

eine optimale Konzeption der Strukturträger werden bei der Werk-

stoffherstellung basierend auf dem umfangreichen Know-how von

ThyssenKrupp Stahl optimale mechanisch-technologische Eigenschaf-

ten eingestellt.

Inzwischen sind mit einer Reihe von Prototypen Dauerfestigkeits-

prüfungen im Umlaufbiegeversuch zur Verifizierung der FEM-Simulati-

onsrechnungen und Betriebsfestigkeitsprüfungen auf dem zweiaxia-

len Räderprüfstand durchgeführt worden. Diese haben die Erreichung

der Entwicklungsziele hinsichtlich Radlast, Gewicht und Kosten ein-

drucksvoll bestätigt | Bilder 3a und 3b |.

Für die Edelstahldesignabdeckung wurden die diversen Styling-

entwicklungsstadien durch Tiefziehsimulationen auf ihre Machbarkeit

hin abgesichert, wodurch die Variabilität des Konzeptes dokumentiert

werden konnte | Bild 4 |.

16 | Stahldesignrad mit NIROSTA®-Abdeckung, eine Alternative zum Aluminiumgussrad

Bild 3b | Schwingfestigkeitsprüfung ZWARP(zweiaxialer Rollenprüfstand)

Bild 3a | Experimentelle Spannungsanalyse

Umformbarkeit

Variante 4

Dickenverteilung

Risse über-mäßiges Ausdünnen

Gefahr von Rissen

sichererBereich

über-mäßigeDehnung

Tendenz zur Falten-bildung

Falten 0,30 0,34 0,39 0,43 0,47 0,51 0,56 0,60

Taschen lasern

Randkontur glätten

Bild 4 | Herstellbarkeitsuntersuchungen für Radzierblende, Radkappe (01/915/E), Variante 4, Mat: 1.4301, t=0,5

Bild 2 | FE-Analyse Umlaufbiegeversuch zur Ermittlung der Spannungsspitzen

349,0

314,0

244,0

174,0

105,0

87,1

69,7

52,3

34,9

17,4

0,0

Oberflächenspannung [MPa]Biegemoment Mb = 2,94 kNm

Quelle: Hayes Lemmerz

Bild 1 | Stahldesignrad, bestehend aus universell nutzbarem Strukturträger und variabler Edelstahlabdeckung

Dicke

Quelle: ISE® - Innomotive Systems Europe


18 | Stahldesignrad mit NIROSTA®-Abdeckung, eine Alternative zum Aluminiumgussrad Stahldesignrad mit NIROSTA®-Abdeckung, eine Alternative zum Aluminiumgussrad | 19

6,5

7

7,5

8

8,5

9

9,5

10

Konventionelles Stahlrad ohnemit Radabdeckung

GewichtsspanneAluminium-Gussrad-Designvarianten

Stahldesignrad ohnemit NIROSTA®-Radabdeckung

6

Gewicht (kg) Quelle: Hayes Lemmerz

Bild 5 | Gewichtsvergleich Rad 61/2Jx16, Traglast T=550...600 kg

So kann die kostenintensive Radentwicklung auf die felgengrößen-

spezifischen Typen eines Fahrzeugmodells beschränkt werden. Die

alleinige Variation des Stylings und der Oberflächenausführung der

Edelstahldesignabdeckung - gestrahlt, matt, blank, poliert, galvani-

siert usw. - ermöglichen eine Vielzahl von unterschiedlichen Designs

und Wertanmutungen | Bild 7 |.

Angesichts dieser Konzeptvorteile ist davon auszugehen, dass

der anhaltende Trend weiterer Marktanteilsverluste für Stahlräder ge-

stoppt werden kann. Das Jahr 2004 dürfte den Tiefpunkt bezüglich

des Marktanteils der Stahlräder am Gesamtmarkt markieren. Es ist

absehbar, dass es zu einer Trendumkehr kommt und es mit dem Stahl-

designrad erstmals gelingt, dem Werkstoff Aluminium in diesem

Marktsegment in nennenswertem Umfang wieder Marktanteile abzu-

nehmen.

minimal maximal

um 30 % gegenüber einem vergleichbaren Aluminiumgussrad, was

einen nachhaltigen Anreiz zum Einsatz dieses Rades für die Fahrzeug-

hersteller darstellt | Bild 6 |.

Neben diesem 30%igen Kostenvorteil gegenüber dem Aluminium-

gussrad ergeben sich weitere kostenrelevante Vorteile durch die Mög-

lichkeit des Einsatzes der Räder als Winterräder mit gleichem Design,

der kostengünstigeren Ersatzteilbeschaffung bei Beschädigung (oft

reicht der alleinige Austausch der Blende statt des ganzen Rades

aus) und der Möglichkeit, Klemm-Wuchtgewichte statt der kostenin-

tensiveren Klebegewichte einsetzen zu können.

Ausblick

Die Resonanz der Fahrzeughersteller auf das neue Stahldesignrad-

konzept ist ausgesprochen vielversprechend. In der Optik und Haptik

mit Aluminiumgussrädern vergleichbar, zeigt das neue Konzept deut-

liche Vorteile bei den für die Fahrzeughersteller immer wichtiger wer-

denden Kriterien Kosten und Gewicht.

Gewichtsbilanz

Durch den Einsatz des DP-W 600 konnte bei vergleichbarem Design

das Gewicht des Stahldesignrades auf dem Niveau des Aluminium-

gussrades gehalten werden.

Eine weitere Gewichtsreduzierung wird durch die Anwendung

innovativer Herstellungstechnologien wie dem Flowforming ermög-

licht, bei dem über die Felgenbreite eine belastungsoptimierte Dicken-

kontur geschaffen wird. So beträgt das Gewicht des fertigen Stahlde-

signrades mit NIROSTA®-Designabdeckung bei einem Felgenformat

61/2Jx16 nur ca. 8,5 kg | Bild 5 |.

Kosten

Noch deutlicher werden die Vorteile des Stahldesignrades bei einem

Kostenvergleich. Da der Strukturträger auf bestehenden hochproduk-

tiven Fertigungseinrichtungen bei Hayes Lemmerz hergestellt werden

kann, sind trotz der aufwendigen Edelstahldesignabdeckung die Vor-

aussetzungen zur Sicherstellung des Kostenzieles gegeben. Letztlich

ergibt sich bei den Kosten für das Stahldesignrad eine Reduktion Konventionelles Stahlrad ohnemit Radabdeckung

KostenspanneAluminium-Gussrad-Designvarianten

Stahldesignrad ohnemit NIROSTA®-Radabdeckung

Quelle: Hayes Lemmerz

Bild 6 | Kostenvergleich Rad 61/2Jx16, Traglast T=550...600 kg

minimal maximal

100%

0%

80%

60%

40%

20%

Bild 7 | Stahldesignrad in mattierter Optik


Großserientaugliches Werkstoffkonzept für Hochtemperatur-Brennstoffzellen | 21

Einleitung

Die Gesellschaft allgemein, Politiker, Wissenschaftler und Naturschützer

im Besonderen, fordern bei der Energieumwandlung schon seit Jahren

aus ökologischem Anlass den schonenden Umgang mit fossilen Brenn-

stoffen. Dabei ist es die Brennstoffzellen-Technologie, der auf der

Suche nach Alternativen zu den bisherigen Verfahren eine Schlüssel-

funktion zukommt. Hohe Effizienz und Wirtschaftlichkeit sowie geringe

Umweltbelastung machen sie zum Hoffnungsträger stationärer und

mobiler Energieversorgungssysteme |Bild 1|. Allerdings: Bisher ver-

hinderten hohe Fertigungskosten und eingeschränkte Materialeigen-

schaften den breiten Einsatz von Brennstoffzellen. Daher wird das

Augenmerk auf eine von ThyssenKrupp Nirosta und ThyssenKrupp VDM

unterstützte Entwicklung des Forschungszentrums Jülich gelegt: den

Werkstoff Crofer 22 APU (Auxiliary Power Unit).

Bisherige Werkstoffkonzepte

Insbesondere Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell)

eignen sich zur Energieumwandlung (z.B. aus Erdgas, reformiertem

Benzin, Faulgasen) sowie für den zukunftsweisenden Einsatz von

Wasserstoff als Energieträger. Tragendes wie zentrales Bauteil der

SOFC-Brennstoffzelle ist die Interkonnektorplatte. Sie liegt zwischen

den keramischen Elektroden, stellt die elektrische Verbindung zwischen

den Zellen her und separiert das Anoden- und Kathodengas bei einer

Temperatur von bis zu 900 °C | Bild 2 |. Die bisher auf dem Markt

verfügbaren Werkstoffkonzepte erwiesen sich als ungeeignet, da kei-

ne der vorhandenen metallischen Legierungen die Eigenschaften kom-

binierte, die für die SOFC-Technologie erforderlich sind. Die kera-

mischen Lösungen, die als Alternative für metallische Werkstoffe

erprobt wurden, erwiesen sich wegen Fertigungsproblemen und aus

Kostengründen als ungeeignet. Dies verhinderte bisher den breiten

Einsatz dieser umweltschonenden Technologie, zum Beispiel in den

Bereichen Energieversorgung oder Automobilindustrie.

Das Werkstoffkonzept Crofer 22 APU

Ganz anders sieht der Sachverhalt dank der Entwicklung von

Crofer 22 APU als Werkstoff für die Interkonnektorplatte aus. Die

Legierung erfüllt die – sich zum Teil widersprechenden – Anforde-

rungen hinsichtlich:

Hochtemperaturbeständigkeit in Anoden- und Kathodengas,

hoher elektrischer Leitfähigkeit der oxidischen Deckschichten,

sehr geringem, einem an die Keramik angepassten Ausdeh-

nungskoeffizienten in dem Bereich von Raumtemperatur

bis 900 °C,

wenig aufwendiger Herstellung und leichter Verarbeitbarkeit,

niedrigen Materialkosten im Vergleich zur Keramik,

geringer Chrom-Abdampfungsrate.

Großserientaugliches Werkstoffkonzept für Hochtemperatur-Brennstoffzellen

20 |

DIPL.-ING. RALF HOJDA Entwicklung und Technisches Marketing Geschäftsbereich Bänder | ThyssenKrupp VDM GmbH, Werdohl

DR.-ING. WINFRIED HEIMANN ehem. Leiter Werkstoff- und Anwendungstechnik warmgewalzte Bleche | ThyssenKrupp Nirosta GmbH, Krefeld

DR.-IR. WILLEM JOSEF QUADAKKERS Leiter Korrosion und Korrosionsschutz, Institut für Werkstoffe der Energietechnik | Forschungszentrum Jülich GmbH

Bild 1 | Wirkungsgrade unterschiedlicher Kraftwerkstypen

70

60

0

10

20

30

40

50

0,1 0,5 1 5 10 50 100 500 1000

Otto-Motor

Diesel-Motor

PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell)

SOFC

Gasturbine

GUD-Kraftwerk(Gas- und Dampfturbine)

Dampfkraftwerk

Kraftwerksleistung [MW]

Wir

kung

sgra

d [%

]

Zukünftige Technologie Aktuelle Technologie

| Einsatz von SOFC-Brennstoffzellen bei BMW


gruppen zur Bordnetzversorgung verzichten. Diese von einem Industrie-

konsortium getragene Aggregateentwicklung konnte sich aufgrund

der kurzfristigen industriellen Darstellung des Werkstoffkonzeptes ge-

gen eine zeitgleich erarbeitete amerikanische Lösung durchsetzen.

Dieses ist umso bedeutender für den Konzern, da neben Crofer 22 APU

für die Interkonnektorplatten ein weitaus größerer Anteil an nichtros-

tenden Stählen in Standardgüten für Gehäuse und Rohrleitungen be-

nötigt wird.

Weitere Anwendungsbeispiele für die SOFC-Technologie sind kleine,

dezentrale Energieversorgungseinheiten für Haushalte und Kühltrans-

porter im Überland-Verkehr sowie der Einsatz in Kleinkraftwerken, bei

denen die parallele Nutzung von Strom und Wärme zu einer deutlichen

Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades beiträgt.

Zusätzlich kann Crofer 22 APU durch seine spezifischen Eigenschaften

auch dort verwendet werden, wo eine geringe Chrom-Abdampfungsrate

in Verbindung mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gefordert ist,

zum Beispiel in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie.

Fazit

Crofer 22 APU erfüllt alle bisher nicht erreichten Ansprüche für eine

breite und mobile Nutzung der umweltschonenden SOFC-Brennstoff-

zellen-Technologie: physikalische Eigenschaften und chemische Be-

ständigkeit bei gleichzeitig akzeptablem Preisniveau. Obwohl erst

eine kurze Zeit zwischen der Entwicklung und der großtechnischen

Umsetzung des Werkstoffkonzeptes liegt, nutzen bereits viele Zielmärkte

diese Innovation. Die ersten großtechnischen Erzeugungseinheiten

sind bereits in den Anlagenbau und die Automobiltechnik abgeflossen.

Ernstzunehmende Prognosen deuten darauf hin, dass bereits in

wenigen Jahren mit einem Potenzial von einigen 100 t Crofer 22 APU

pro Jahr gerechnet werden kann.

Großserientaugliches Werkstoffkonzept für Hochtemperatur-Brennstoffzellen | 2322 | Großserientaugliches Werkstoffkonzept für Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Diese Eigenschaften konnten bisher verfügbare Werkstoffe nicht ver-

einen, vor allem nicht die Hochtemperaturbeständigkeit bei gleichzei-

tig guter elektrischer Leitfähigkeit der Oxidschicht.

Die besondere Herausforderung bei der Umsetzung des Werkstoff-

konzeptes Crofer 22 APU lag in der Erschmelzung in engsten Analy-

sengrenzen | Bild 3 |, der exakt abgestimmten thermomechanischen

Verarbeitung des schwierig warmumformbaren Stahles und dem Kalt-

walzen im Bereich um 0,5 mm Dicke bei gleichzeitig engsten Toleranz-

grenzen.

Herzstück des Werkstoffkonzeptes ist eine sich an der Oberfläche

bildende Deckschicht aus Chrom-Mangan-Oxid mit großer thermody-

namischer Stabilität. Die Oxidschicht bildet sich, sobald die Brenn-

stoffzelle aktiv ist und unterbindet die für den Elektrolyten schädliche

Chrom-Abdampfung | Bild 4 |. So wird die Lebensdauer des gesam-

ten Systems erheblich verlängert und die Brennstoffzelle eignet sich

für stationäre und mobile Einsätze. Zusätzlich erfüllt Crofer 22 APU zu

Gunsten optimaler Raumausnutzung und Designoptimierung die For-

derung der Automobilindustrie nach einem gut kaltumformbaren

Werkstoff. Doch nicht allein die Materialeigenschaften machen den

Werkstoff zur Innovation. Weitere wichtige Pluspunkte sind die ökolo-

gischen Vorteile, die durch den Einsatz von Crofer 22 APU auf der

einen Seite und der SOFC-Brennstoffzellentechnologie auf der ande-

ren Seite entstehen:

Crofer 22 APU: die Recyclingfähigkeit des metallischen Werkstoffes

ist weitaus höher als die keramischer Lösungen,

SOFC-Brennstoffzellentechnologie: es werden Stick- und Schwe-

feloxide fast vollständig vermieden und die CO2-Emission wird

durch einen Anlagenwirkungsgrad von 50–80 % (konventionelle

Kraftwerke haben einen max. Wirkungsgrad von 40 %) deutlich

verringert.

Allein der Einsatz von SOFC-Brennstoffzellen als Zusatzenergieversor-

gung (APU) im Pkw bietet ein CO2-Einsparungspotenzial von bis zu

30 %. Die Firma BMW beispielsweise kann dank der Verwendung des

Werkstoffs Crofer 22 APU als Bauteil in der SOFC-Brennstoffzelle die

Anforderungen an ein Zusatzaggregat zur Stromerzeugung für den

mobilen Einsatz erfüllen und so auf den Generator und andere Bau-

Bild 2 | Schematischer Aufbau einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC)

Mn

Bild 4 | Links: SOFC-Prüfstand, Rechts: Chrom-Mangan-Oxid auf Crofer 22 APU (nach 1000 h bei 800 ˚C unter Luft)

Bild 3 | Chemische Analyse von Crofer 22 APU

Cr

MEA(Membrane Electrode Assembly)

+

-

Interkonnektor

Luft

Brenngas

Cr Mn Ti La Fe

22 % 0,60 % 0,10 % 0,08 % Rest


Einführung

Ein modernes Auto soll sicher, komfortabel und zugleich sportlich sein;

keine leichte Aufgabe für die Fahrwerkentwickler, denn die aus die-

sen Eigenschaften resultierenden Anforderungen an die Komponen-

ten der Federung sind gegenläufig | Bild 1 | .

Ein komfortables Auto erfordert eine weiche Federung mit gerin-

ger Dämpfung und Stabilisatoren mit einer niedrigen Verdrehsteifig-

keit. Insbesondere bei wechselseitigem Ein- und Ausfedern der Räder

einer Achse wirkt ein verdrehsteifer Stabilisator fahrkomfortmindernd,

da die Fahrbahnanregungen auf die Karosserie und somit auf die

Fahrinsassen übertragen werden. Eine fahrdynamisch sichere Abstim-

mung erfordert eine straffe Federung, eine hohe Dämpfung und Sta-

bilisatoren mit einer hohen Verdrehsteifigkeit. Die Seitenneigung des

Fahrzeuges bei Kurvenfahrt wird reduziert und die Fahrsicherheit bei

verringertem Fahrkomfort erhöht.

Bei Pkw-Anwendungen wird eine kompromissbetonte Abstimmung

der Federungskomponenten und des Stabilisators hinsichtlich seiner

Verdrehsteifigkeit zur Lösung dieses Zielkonfliktes gewählt. Bei Gelän-

dewagen kommt jedoch erschwerend hinzu, dass im unwegsamen

Terrain auch bei Geradeausfahrt eine hohe Achsverschränkung (wech-

selseitige Ein- und Ausfederung) möglich sein muss. Der Stabilisator

ist bei diesen Fahrzuständen hinderlich. Im Gegensatz hierzu erfordern

aber gerade Geländewagen im Straßenbetrieb einen sehr steifen

Stabilisator, um aufgrund ihres sehr hohen Schwerpunktes eine zu

starke Seitenneigung bei schnellerer Kurvenfahrt zu verhindern.

Funktionalität und Wirkung des ORS©-Systems

In einer Gemeinschaftsarbeit der ThyssenKrupp Automotive Mecha-

tronics GmbH und der ThyssenKrupp Automotive Systems GmbH

konnte dieser Zielkonflikt durch die Entwicklung eines insbesondere

unter Last schaltbaren Stabilisators aufgelöst werden | Bild 2 |.

Schaltbar heißt, dass der Momentenfluss im Stabilisator mittels

einer hydraulisch betätigten Kupplung aufgehoben werden kann. On-

Road, also im Straßenbetrieb, ist die Kupplung geschlossen und der

Stabilisator arbeitet konventionell. Die Stabilisatoren können sehr

verdrehsteif ausgelegt werden, was für ein sportliches und sicheres

Fahrverhalten auf der Straße erforderlich ist.

Off-Road-Stabiliser (ORS©-System) | 2524 |

| Porsche Cayenne, Flussfahrt

Off-Road-Stabiliser (ORS©-System), ein innovatives Fahrwerksystem zur Optimierung der Fahreigenschaftenvon Geländefahrzeugen und Sport Utility Vehicles

DR.-ING. VOLKER MIDDELMANN Abteilungsleiter Fahrwerksysteme | ThyssenKrupp Automotive Mechatronics GmbH, München

DIPL.-ING. ANDREAS STAPELMANN Projektmanager Fahrwerksysteme/-module | ThyssenKrupp Automotive Systems GmbH, Bochum

Bild 1 | Zielkonflikt bei SUV-Fahrwerkentwicklungen

Sportliches und sicheres Fahrverhalten auf der Straße

Straffe Federung

Hohe Dämpfung

Verdrehsteife Stabilisatoren

Optimale Geländegängigkeit mit hohem Fahrkomfort

Weiche Federung

Geringe Dämpfung

Sehr verdrehweiche Stabilisatoren


Off-Road-Stabiliser (ORS©-System) | 2726| Off-Road-Stabiliser (ORS©-System)

Off-Road, also im Gelände, werden die Stabilisatoren hydraulisch

entkoppelt, und die Achslastverteilung wird gleichmäßiger. Die Räder

können jetzt unabhängig voneinander ein- und ausfedern. Die Achs-

verschränkung wird bei völliger Freischaltung der Stabilisatoren deut-

lich erhöht, was bislang bei ebenfalls auf den Stabilisator eingreifenden

Systemen nicht möglich war. Die Geländegängigkeit wird gesteigert

und die Traktion erhöht. Die Aufbaubewegungen im Off-Road-Betrieb

werden auf ein komfortables Niveau gesenkt.

Systemanforderungen

Die wichtigsten funktionalen Anforderungen im Rahmen der Systement-

wicklung sind bezogen auf die Hauptkomponenten des Gesamtsystems

in | Bild 3 | zusammengestellt. Die Grundfunktion der Entkopplung

des Momentenflusses ist von wesentlicher Bedeutung für den Kom-

fortgewinn im Gelände, auch im Vergleich zu anderen Systemen. Nur

wenn das Übertragungsverhalten des Stabilisators entsprechend

gering ist, wie in | Bild 4 | mittels des normierten Amplitudenverhält-

nisses dargestellt, ist der gewünschte Komfortgewinn gegeben.

Systemkomponenten

Das unter Berücksichtigung der vorab genannten Systemanforderun-

gen entwickelte Gesamtsystem besteht in seiner aktuellen Ausführung

aus den im | Bild 5 | dargestellten drei Hauptkomponenten:

hydraulisch schaltbare Stabilisatoren inkl. Aktuatoren

für Vorder- und Hinterachse,

eine hydraulische Versorgungseinheit (Power-Pack) und

eine elektronische Steuereinheit (ECU).

Diese Komponenten werden nachfolgend detaillierter beschrieben.

Bild 2 | ORS© – System zur semiaktiven Wankstabilisierung, Funktionalität und Wirkung

Bild 4 | Übertragungsverhalten des ORS©-Stabilisators bei einseitiger Störanregung

Bild 5 | Systemkomponenten der Offroad-Stabilisatoren

Off Road Schalter

Straßenbetrieb: Stabilisator gekoppelt Geländebetrieb: Stabilisator entkoppelt

Frequenz der Störanregung [Hz]

1

0 10 20

NormiertesAmplituden-verhältnis

Passiver Stabilisator

ORS©-System

s(t)

F(t)

Grundfunktionen der schaltbaren Stabilisatoren

- Geländebetrieb: Vollständige Entkopplung des Momentenflusses

der Stabilisatoren

- Straßenbetrieb: Bei der Auslegung frei wählbare Wank-

stabilisierung/Verdrehsteifigkeit der Stabilisatoren

- Schalten (Koppeln und Entkoppeln) unter Last

- Sicheres Koppeln des Momentenflusses beim Durchwanken

(kurze Schließzeit)

- Fail-Safe Funktion

Steuerung

- Diagnose der Hardwarekomponenten des Gesamtsystems

- Überwachung der Systemparameter (Druck, Strom,

Fahrgeschwindigkeit, Schaltzustand...)

- Kommunikation mit anderen Bus-Teilnehmern

- Selbstdiagnostizierendes Steuergerät

Energieversorgung

- Geringe Geräuschentwicklung

- Minimale Leistungsaufnahme

- Unabhängig, d.h. nicht integriert in vorhandene Kreisläufe/

nachrüstbar

Bild 3 | Systemanforderungen

Schaltbare Stabilisatoren

Die hydraulisch betätigte Klauenkupplung der Stabilisatoren besteht

aus drei Elementen: jeweils einem eingangsseitigen und ausgangs-

seitigen Kupplungselement und einem Schaltelement, das axial frei

beweglich ist und je nach Druckbeaufschlagung und damit axialer

Position die formschlüssige Momentenleitung zwischen den eingangs-

und ausgangsseitigen Kupplungselementen herstellt.

Das Schaltelement ist ebenso in Umfangsrichtung frei beweglich,

so dass im geöffneten Zustand der Freiwinkel der Kupplung ver-

doppelt wird. Hierbei fährt das Schaltelement nicht komplett aus

der Überdeckung mit den Flanken heraus. Ein sicheres Schließen ist

in jedem Zustand gegeben. Durch diese innovative Anordnung erge-

ben sich zwei wesentliche Vorteile:

Schalten unter Last, das heißt auch bei verschränktem Stabilisator,

Verdopplung des Freiwinkels im Vergleich zu konventionellen

Klauenkupplungen mit gleicher Bauraumausnutzung.


ORS©-System

Aktuator

Hydraulische Versorgungseinheit

Elektronische Steuerungseinheit

elektromechanisch betätigte Schieberventile

Druckspeicher

Drucksensor

Ölbehälter

Pumpe

E-Motor

Positionssensor

Schaltelement

Fail-Safe-Feder

Ausgangsseitiges KupplungselementEingangsseitiges Kupplungselement

verhalten auf der Straße eine straffe Federung mit hoher Dämpfung

und verdrehsteife Stabilisatoren. Für eine optimale Geländegängigkeit

werden dagegen eine weiche Federung mit geringer Dämpfung und vor

allem verdrehweiche Stabilisatoren benötigt. Die Lösung dieses Ziel-

konfliktes besteht in einem unter Last hydraulisch schaltbaren Stabili-

sator. Durch die quasi vollständige Freischaltung der Stabilisatoren

im Geländebetrieb wird der Fahrkomfort gesteigert. Zugleich wird im

gekoppelten Zustand der Stabilisatoren eine optimale Auslegung für

den normalen Straßenbetrieb ermölicht. Das ORS©–System stellt eine

innovative technische Lösung dar, die in vergleichbarer Form noch in

keinem Geländewagen angeboten wurde und in 2003 zum ersten

Serieneinsatz im Porsche Cayenne und VW Touareg kommen wird.

ventilen möglich. Die praktisch nicht vorhandene Leckage in Kombi-

nation mit dem Druckspeicher und dem Steuerungskonzept redu-

ziert die Einschalthäufigkeit des E-Motors der Versorgungseinheit auf

einen einmaligen Ladevorgang beim „Scharfschalten“ des Systems

sowie nach jedem Schaltvorgang. Die hieraus resultierenden Vorteile

sind:

minimale Leistungsaufnahme und

reduzierte Einschalthäufigkeit.

Sowohl der Ladevorgang beim „Scharfschalten“ des Systems als auch

der Ladevorgang nach einem Schaltvorgang sind Systemreaktionen

auf eine vom Fahrer eingeleitete Aktion. Deshalb wird die Akustik des

Gesamtsystems als positiv beurteilt, auch wenn der Ladevorgang der

hydraulischen Versorgungseinheit akustisch vom Fahrer wahrgenommen

wird. Der System- oder Speicherdruck wird von einem Drucksensor

überwacht. Bei Unterschreitung eines Mindestdrucks wird der Druck-

speicher nachgeladen und ein vorgegebenes konstantes Energieni-

veau zum Schalten der Stabilisatoren bereitgestellt | Bild 7 |.

Elektronische Steuerungseinheit

Bei dieser Applikation wurde ein Hardwarekonzept gewählt, welches

eine optimale Funktionssicherheit gewährleistet. Die Steuereinheit

besitzt zwei Mikrocontroller, die nach dem Master/Slave-Konzept

arbeiten. Das bedeutet, dass die sicherheitsrelevanten Endstufen High-

und Low-Side jeweils von einem Mikrocontroller angesteuert werden.

Die eingesetzten Endstufen sind selbstschützende Bauelemente, so

dass bei Kurzschlüssen im Fahrzeug eine Zerstörung des Steuergerä-

tes ausgeschlossen ist.

Die Eingangsgrößen des Systems (Druck, Schaltzustand der Sta-

bilisatoren und Anwahlschalter) und vom CAN-Bus-Antriebsstrang

(CAN=Controller Area Network) des Fahrzeuges (Geschwindigkeit,

Querbeschleunigung etc.) werden ebenfalls von beiden Mikrocontrollern

erfasst. Des Weiteren findet ein Abgleich zwischen den beiden Mikro-

controllern statt, um die errechneten Stellgrößen zu vergleichen.

Diagnoseinformationen können über den CAN-Antriebsstrang des

Fahrzeuges mittels eines Diagnosetesters ausgelesen werden. Die

Kommunikation mit dem Kombianzeigeinstrument erfolgt ebenfalls

über den CAN-Antriebsstrang.

Zusammenfassung

Das ORS©–System löst den ständigen Zielkonflikt bei der Fahrwerks-

entwicklung von Geländefahrzeugen und Sport Utility Vehicles (SUV)

auf. Diese Fahrzeuge benötigen für ein sportliches und sicheres Fahr-

Off-Road-Stabiliser (ORS©-System) | 2928 | Off-Road-Stabiliser (ORS©-System)

Ein am äußeren Umfang des Gehäuses angeordneter Positionssen-

sor detektiert die Schaltstellung „Stabilisator gekoppelt“. Das Signal

des Positionssensors wird zur Überwachung des Systems von der

Steuerung eingelesen.

Eine Fail-Safe-Feder stellt sicher, dass bei einer Störung der hydrauli-

schen Versorgung die Stabilisatoren geschlossen werden. Die Feder-

kraft ist so dimensioniert, dass ein sicheres Schließen der Kupplung

beim Durchwanken des Fahrzeuges gewährleistet ist | Bild 5|.

Hydraulische Versorgungseinheit

Die hydraulische Versorgungseinheit besteht aus einer elektromotorisch

angetriebenen Pumpe, einem Ölbehälter, einem Druckspeicher, einem

Drucksensor sowie zwei elektromechanisch geschalteten Schieber-

ventilen | Bild 5 |. Somit können der Vorder- und der Hinterachssta-

bilisator | Bild 6 | getrennt voneinander in einer vorgegebenen Abfolge

geschaltet werden. Die sequenzielle Schaltfolge beim Entkoppeln

(zunächst HA (Hinterachse) dann VA (Vorderachse)) bzw. beim Koppeln

(zunächst VA dann HA) ist aus Sicherheitsgründen hinsichtlich der

Fahrdynamik erforderlich.

Das herauszustellende Merkmal dieser Schieberventile ist, dass sie

quasi keine Leckage aufweisen. Durch eine ausgeklügelte konstruktive

Gestaltung der Schieber in Kombination mit höchster Fertigungsprä-

zision wird erreicht, dass sich in dem sehr engen Spalt zwischen

Schieber und Buchse eine Spaltsättigung, d.h. ein Zusetzen des Spaltes

mit im Hydrauliköl befindlichen Schwebepartikeln, einstellt und die

Leckage quasi Null wird. Hierbei wird die Schaltfunktion der Ventile

nicht beeinträchtigt. Eine derartige Funktionalität ist sonst nur mit Sitz-

0 10 30 50 70 110 130 230150 170 190 21090

170

165

155

150

145

140

135

130

125

Dru

ck [

bar]

Zeit [s]

Sättigungsverhalten der Schieberventile nach 1230 Zyklen

Bild 6 | ORS© – Hydraulisch schaltbare Stabilisatoren der Vorder- und Hinterachse

Bild 7 | Dichtigkeit Schieberventile


DampMatic – Automatisch verstellbarer Pkw-Stoßdämpfer

30 |

Einleitung

Bei der Abstimmung eines Fahrwerks muss immer ein möglichst opti-

maler Kompromiss zwischen Fahrkomfort und Fahrsicherheit in extre-

men Situationen gefunden werden. Dabei verschlechtert eine Verbes-

serung des Verhaltens in der einen Funktion meist die andere. So ist

bei normaler Fahrt über gute Straßen eine möglichst geringe Dämp-

fung erforderlich, um beim Überrollen von kleinen Hindernissen, wie

z.B. Teerflicken und Dehnungsfugen in der Straße, die komfortmin-

dernden Störkräfte, die die Karosseriestabilität beeinträchtigen, gering

zu halten. Ganz anders dagegen bei dynamischen Fahrsituationen,

z.B. einem schnellen Fahrspurwechsel: Hier müssen bereits bei nied-

rigen Dämpfergeschwindigkeiten relativ hohe Dämpfkräfte aufgebaut

werden, um beispielsweise gefährliche Wankschwingungen des Auf-

baus wirkungsvoll zu beruhigen. Das wohl bekannteste Fahrmanöver

hierfür ist der sogenannte „Elchtest“, bei dem Fahrzeuge ohne ESP

(Electronic Stability Program) im Extremfall sogar zum Überschlag ge-

bracht werden können.

Bei aufwendigen, verstellbaren und elektronisch geregelten Fahr-

werken kann der oben genannte Kompromiss deutlich verbessert

werden, indem die Dämpfkräfte der Fahrsituation angepasst geregelt

werden. So verlässt ein Fahrzeug den normalen Komfortmodus, der

ein „Dahingleiten“ erlaubt, wenn die Regelung mit den Signalen der

Fahrzeugsensoren eine unzulässig hohe Bewegung der Karosserie

feststellt. Die Dämpfung des Fahrzeugs wird erhöht, was die Fahrsicher-

heit steigert, so dass der Fahrer das Fahrzeug auch in dynamischen

und kritischen Fahrsituationen sicher beherrschen kann. Für einen

breiten Einsatz dieser aktiven Systeme auch in kleineren Fahrzeug-

klassen ist der Aufwand jedoch meist zu hoch.

Daher wurde bei ThyssenKrupp Bilstein ein einfaches, passives

Dämpfungssystem entwickelt, was bei kleinen Anregungsamplituden

geringere Dämpfkräfte erzeugt, wodurch ein höherer Abrollkomfort

erreicht wird, bei größeren Anregungsamplituden jedoch selbsttätig

die für die Fahrzeugstabilisierung notwendigen erhöhten Dämpfkräfte

bereitstellt.

Funktionsbeschreibung

Zur Erzeugung der Dämpfkräfte im hydraulischen Stoßdämpfer wird

bei Federbewegungen Öl durch ein Ventil am Dämpferkolben gedrückt.

Durch elastische Ventilscheiben wird eine definierte, dämpferge-

schwindigkeitsabhängige Widerstands-Charakteristik erzeugt. Das

DampMatic-System stellt einen Bypass für das Öl dar (ähnlich dem

Prinzip des Herz-Bypasses), der durch das Ventilgehäuse und eine

Bohrung im Kolbenzapfen verläuft | Bild 1 |. Hierdurch kann ein Teil des

Ölstroms das normale Dämpfungsventil „umfahren“, wodurch der

hydraulische Gesamtwiderstand gesenkt wird und das Öl somit eine

geringere Dämpfkraft erzeugt.

DampMatic – Automatisch verstellbarer Pkw-Stoßdämpfer | 31

DIPL.-ING. CLAUS WEIMANN Projektleitung | Thyssen Krupp Bilstein GmbH, Ennepetal

DIPL.-ING. OLE GÖTZ Zukunftsentwicklung | Thyssen Krupp Bilstein GmbH, Ennepetal

Kolbenstange mit DampMatic-Modul

Steuerkolben

Bypasskanal

Dämpferkolben mit Scheibenventil

Bild 1 | Funktionsprinzip DampMatic

| Vorderachsfederbein mit DampMatic


32 | DampMatic – Automatisch verstellbarer Pkw-Stoßdämpfer

Wie stark die Dämpfkraft gegenüber der normalen Dämpferkennline

abgesenkt wird | Bild 2 | bestimmt der wählbare Durchmesser einer

Drosselbohrung.

Während Öl durch den Bypasspfad strömt wird ein Steuerkolben,

der das DampMatic-Gehäuse in zwei Räume teilt, vom einströmenden

Öl bewegt. Der Bypass ist solange geöffnet bis der Kolben seine End-

lage erreicht hat. Ab diesem Zustand muss der volle Ölvolumenstrom

den Arbeitskolben passieren; es wird wieder die normale Dämpfkraft

erzeugt.

Die Verbesserung des Abrollkomforts beim Einsatz der DampMatic

beruht darauf, dass bei kleinen Fahrbahnanregungsamplituden der

Steuerkolben seine Endlage nicht erreicht, d.h. der Dämpfer arbeitet

nur im Bereich abgesenkter Dämpfkräfte. Bei dynamischen Fahrvor-

gängen, bei denen es zu größeren Dämpferhüben kommt, schaltet

der Dämpfer, nachdem der Steuerkolben seine Endlage erreicht hat,

auf die härtere und damit sicherheitsrelevante Kennlinie.

Ein solches Wirkprinzip wird in ähnlicher Form millionenfach in

hydraulischen Motorlagern bei der Lagerung des Antriebsaggregats

verwendet. Auch für Stoßdämpfer gab es in der Vergangenheit Ideen

für amplitudenselektives Verhalten, jedoch erreichte bisher keine da-

von den Serieneinsatz. Bei der Entwicklung des DampMatic-Systems

waren insbesondere das Übergangsverhalten zwischen den beiden

Wirkfunktionen und die Abstimmbarkeit der Prototypen wichtige Schwer-

punkte. Der frühzeitige Einsatz von Simulationstools und spezieller

Funktionsmessungen unterstützte wirkungsvoll das notwendige

Systemverständnis, womit bei der Optimierung sehr zielgerichtet

vorgegangen werden konnte. In Fahrzeugmessungen konnte das

Komfortpotenzial des DampMatic-Systems aufgezeigt werden | Bild 3 |.

Industrialisierung

Nach den ersten erfolgreichen Konzeptbestätigungen im Fahrzeug im

März 2002 wurde intensiv an der Umsetzung der Prototypen in ein

serien- und prozessfähiges Design gearbeitet. Ziel ist der erste Groß-

serieneinsatz in 2004. Daraus ergaben sich zwei Hauptaufgaben:

Zum einen muss ein Gehäuse mit dem für die DampMatic benötigten

Steuerkolben in die Kolbenstangenbaugruppe integriert werden, zum

anderen sind ein Fertigungskonzept und die Materialauswahl für den

Steuerkolben zu entwerfen.

Während die DampMatic-Gehäuse bei den Prototypen noch mit

der Kolbenstange verschraubt wurden, ist bei dem Seriendesign eine

„gebaute“ Kolbenstange vorgesehen, die mittels Laserschweißen ge-

fügt wird | Bild 4 |. Laserschweißen eignet sich für diesen Anwendungs-

fall insbesondere aufgrund der niedrigen Temperatureinbringung. Der

Steuerkolben muss vor dem Schweißprozess ins Gehäuse montiert

werden und darf kurzzeitig mit maximal 200 °C beaufschlagt werden.

Des Weiteren dürfen keine großen Verzüge durch das Schweißen ent-

stehen, um die vorgegebenen Rundlauftoleranzen der Kolbenstangen

einzuhalten. Gegenüber anderen Schweißverfahren wie Kondensator-

entladungsschweißen oder Plasmatronschweißen zeichnet sich die

Laserschweißung durch eine besonders hohe Festigkeit und gute

Reproduzierbarkeit der Schweißverbindung aus. Die hohe erzielbare

Einbrandtiefe der Schweißnaht ist hier hervorzuheben. Die Festigkeit

der Fügeverbindung spielt bei einer McPherson-Vorderachse die ent-

scheidende Rolle. Denn hierbei übernimmt das Federbein und somit

die Kolbenstange als sicherheitsrelevantes Bauteil eine radführende

Funktion.

Als Hauptbewertungskriterium zur Qualifizierung der Fügeverbin-

dung wird die Kolbenstange einem dynamischen Biegeumlauftest

unterzogen. Hierbei wird auf den Kolbenstangenzapfen eine Quer-

kraft aufgebracht und die Kolbenstange in Rotation versetzt. Die Zahl

der erreichten Umläufe dient als Maß zur Bewertung der dynami-

schen Festigkeit. Hierbei bietet das Laserschweißen gegenüber an-

deren Fügeverfahren ein hohes Sicherheitspotenzial.

Beim Steuerkolben kamen bisher sowohl Kunststoff- als auch

Aluminiumausführungen zum Einsatz. Die Führung des Kolbens ist

ein wichtiges Kriterium, um ein Kippen und Verklemmen zu verhin-

dern. Die Anschlagpuffer des Steuerkolbens werden aus einem

Elastomer hergestellt. Sie dienen dem optimalen Kraftübergang

zwischen harter und weicher Dämpferkennung.

Zusammenfassung

Derzeit ist bei einigen Automobilherstellern die Tendenz zu beobach-

ten, dass anstelle von technisch komplexen und teuren Feder-Dämp-

fungssystemen einfache und effektive Systeme gefordert werden.

Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach Vans, Sport Utility Vehicles

(SUV) und Geländewagen, d.h. nach Fahrzeugen, die aufgrund ihres

hohen Schwerpunkts zu verstärkten Wankbewegungen neigen und

daher zur Stabilisierung des Fahrzeugaufbaus eine hohe Dämpfung

bereits bei niedrigen Dämpfergeschwindigkeiten benötigen. Dies führt

zu deutlichen Verschlechterungen des Abrollkomforts. Mit der Bilstein

DampMatic ist es gelungen, den Zielkonflikt ein Stück weiter aufzulösen

und eine Komfortverbesserung ohne Einschränkungen bei der Fahrsi-

cherheit zu realisieren. Dies wird mit einem einfallsreichen kostengüns-

tigen hydromechanischen System ohne Aktuatoren, Sensoren und

Prozessoren realisiert. Hiermit ist eine wichtige Voraussetzung für eine

erfolgreiche Marktdurchdringung, insbesondere bei Fahrzeugen mit

hohem Schwerpunkt und geringer Spurweite gegeben.

DampMatic – Automatisch verstellbarer Pkw-Stoßdämpfer | 33

Konventioneller Dämpfer

DampMatic

F F

DampMatic große Amplituden

DampMatic kleine Amplituden

F: Dämpfkraftd: Bohrungsdurchmesserv: Kolbengeschwindigkeit

d v

Bild 2 | Dämpferkennlinien eines konventionellen Dämpfers im Vergleich zur DampMatic

Bild 4 | Kolbenstange eines Hinterachsdämpfers mit lasergeschweißtem DampMatic-Modul

Frequenz [Hz]

Leis

tung

sdic

hte

Bild 3 | Fahrzeugmessungen der Aufbaubeschleunigung zeigen das Komfort-potenzial der DampMatic

Konventioneller Dämpfer

DampMatic


Impulsnieten im Karosseriebau | 3534 |

Impulsnieten im Karosseriebau

DIPL.-ING., M.S. IN MANAGEMENT THOMAS MEICHSNER Geschäftsführer | ThyssenKrupp Drauz GmbH, Heilbronn

DIPL.-ING. WULF LEITERMANN Expert Team Aluminium Light Weight Solutions | ThyssenKrupp Drauz GmbH, Heilbronn

KURT LAGLER Geschäftsbereichsleiter | ThyssenKrupp Drauz GmbH, Heilbronn

Einführung

ThyssenKrupp Drauz bietet den Automobilkunden von der Fahrzeug-

entwicklung, der Prototypenherstellung, der Umformtechnik, dem

Anlagenbau bis zur Karosseriefertigung die gesamte Leistungskette als

„Engineering Loop“ an. Mit dieser strategischen Ausrichtung setzt das

Unternehmen den Trend nach kostengünstigeren und komplexen Karos-

seriebaukonzepten wie dem Body Frame in Stahl oder Aluminium um.

Die Kompetenz für die Realisierung ermöglicht es der Karosserieentwick-

lung, innovative Leichtbaukonzepte mit neuen oder verbesserten Füge-

technologien ohne Schnittstellen zu realisieren.

Immer höhere Anforderungen an die Fahrzeuge, wie Crash- und

Standfestigkeit, bessere Ausstattung oder optimierte Verbrauchswerte,

führen zu steigendem Fahrzeuggewicht. Die Entwicklung von Leichtbau-

konzepten steuert diesem Trend entgegen. Die dadurch erforderli-

chen Mischverbindungen bzw. nicht schweißbaren Werkstoffpaarun-

gen, wie Stahl mit Leichtmetallen und Kunststoffen, erfordern andere

als thermische Fügeverfahren (z.B. Punkt-, MIG-, Laserschweißen).

Kraft- und formschlüssige Fügetechniken (Stanznieten u.a.) kommen

zum Einsatz.

Inzwischen hat die Niettechnik im modernen Karosserie-Leichtbau

den Stellenwert des Punktschweißens im traditionellen Stahlkarosse-

riebau erreicht. Das Stanznieten mittels Bügelzangen ist heutzutage

Stand der Technik. Es lässt prozesssichere Verbindungen im Karosserie-

bau zu. Ein Stempel drückt den selbstschneidenden Niet ohne jegliche

Vorlochung in das Blechpaket | Bild 1 |, das zwischen Niederhalter

und Matrize mit definierter Niederhaltekraft eingespannt ist. Das durch

das Eindringen des Niets zu verdrängende Material fließt in die ringför-

mige Matrizenausnehmung unter gleichzeitigem Aufspreizen des Nietfu-

ßes | Bild 2 |. Es entsteht eine hochfeste, formschlüssige Verbindung

der Blechlagen | Bild 3 |. Die Stempel-Fügekräfte liegen für heute üb-

liche Stanzniete mit 3 und 5 mm Durchmesser zwischen 50 und 70 kN.

Diese Kräfte müssen vom Bügel aufgenommen werden.

Begrenzt ist diese Technologie vor allem durch den physikalischen

Zwang, dass ein stabiler Bügel, der diese Kräfte aufzunehmen hat,

den Einsatz schwerer Zangen erfordert. Insbesondere bei geometrisch

weit ausladenden Aufgaben entstehen dadurch voluminöse und somit

schwere Zangen, die bei üblichem Roboterhandling an die mechani-

schen Grenzen eines Standardroboters stoßen. Heute besteht die wirt-

schaftlich maximal mögliche Ausladung bei ca. 600 mm. Nur statisch

angebrachte Zangen mit ca. 800 mm bis max. 1000 mm Ausladung

können noch in der erforderlichen Steifigkeit gebaut werden | Bild 4 |.

Der Einsatz ist durch die physikalischen und kinematischen Randbe-

dingungen begrenzt, er erfordert unerwünschte Zusatzkosten und

Investitionen. So ist z.B. im Tunnelbereich eine fertigungstechnische

Verbindung eines Vorderwagens in Aluminium mit einem Bodenblech

aus Stahl mit einer Bügelnietzange ohne Hilfslösungen und Zusatz-

kosten nicht möglich. Des Weiteren müssen für mehrere hundert Nieten

andere, aufwendigere konstruktive Lösungen erarbeitet oder thermische

Verbindungstechniken eingesetzt werden, die kostenintensiver sind

und die Maßlichkeit des Rohbaus negativ beeinflussen.

| Impulsnieten in einer Multi-Tech Zelle Bild 1 | Ablauf des Nietprozesses Bild 2 | Nietverbindung mit aufgespreiztem Nietfuß

Bild 3 | Nietverbindungen an einem Flansch


Impulsnieten im Karosseriebau | 3736 | Impulsnieten im Karosseriebau

Impulsnieten im Karosseriebau

Derartige Fügeprobleme traten auch im Rahmen von Entwicklung

und Produktion bei ThyssenKrupp Drauz zu Tage. Aufgrund dessen

wurde ein Nietkopf entwickelt, der die zuvor beschriebenen Grenzen

für robotergeführte Nieteinrichtungen aufhebt. Bei dem entwickelten

Gerät läuft der Fügeprozess nicht wie heute üblich in einem quasi

statischen Vorgang mit hydraulischer oder elektro-mechanischer

Krafterzeugung „langsam“ ab, sondern der Niet dringt im Millisekun-

denbereich in die Verbindungsstelle ein. Auftretende Reaktionskräfte

werden von der Vorrichtung dosiert abgefangen. Der Roboter verfährt

bei diesem Prozess lediglich ein leichtes Impulsnietgerät mit Nietzufüh-

rung | Bild 5 |. Die erforderlichen Matrizen für die zu setzenden Niete

befinden sich fest und steif angeordnet in der Vorrichtung, d.h. jeder

Nietpunkt hat seine eigene Matrize. Die automatische Zuführung der

Niete erfolgt mittels üblicher Sortierung und Vereinzelung.

Prozess Impulsnieten

Mit der Einführung des ThyssenKrupp Drauz-Impulsnietverfahrens

findet die Stanzniettechnik im modernen Karosseriebau ein erweitertes

Anwendungsfeld. Durch sein hochflexibles, umformendes Fügeverfah-

ren ohne Vorlochen und ohne C-Bügel wird es aufwendige Verfahren in

bisher für das Impulsnieten nicht zugänglichen Bereichen ersetzen. Das

deutlich geringere Gewicht des Impulsnietkopfes und das kleine

Bauvolumen lassen den Einsatz kleinerer Roboter | Bild 6 | zu, verkürzen

die Taktzeit und eröffnen weitere Einsparpotenziale. Laborergebnisse

lassen erwarten, dass die Zentriergenauigkeit vom Impulsnietkopf zur

Matrize durch Veränderung der Matrizenform aufgrund der hohen Niet-

Eindring-Geschwindigkeit und einem damit anderen Nietspreizverhal-

ten deutlich verbessert werden kann.

Im Serieneinsatz ist das Nietergebnis von vielen Parametern ab-

hängig, u.a. von:

dem zu verbindenden Werkstoff bzw. der Paarung,

den Blechstärken und den daraus resultierenden Nietlängen,

dem Nietdurchmesser abhängig von der Gesamtblechstärke.

Qualitätskriterien

Aufgrund des Umfangs der Untersuchungen (hohe Anzahl an mögli-

chen Kombinationen und aufwendige Metallographie) ist dieser Teil

der Forschungsarbeit zusätzlich durch das Fraunhofer Institut für

Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) unterstützt worden.

Folgende Prüfverfahren wurden dabei angewandt:

Mikroschliff und daraus erkenntliche Spreizgeometrie und

ggf. Rissbildung

Kopfzug und Scherzug.

Prozessüberwachung

Das Gerät ist für den Serieneinsatz mit allen wegeabhängigen Ab-

fragen ausgerüstet. Darüber hinaus ist ein piezoelektronischer Sen-

sor eingebaut, der den Fügeprozess im Millisekundenbereich mit

einem vorgegebenen Toleranzfenster vergleicht und überwacht. Die

Auswertung wird grafisch am Bildschirm dargestellt. Die Daten kön-

nen abgespeichert und dokumentiert werden.

Einsatzgebiete Impulsnieten

Für das Impulsnietverfahren erweisen sich folgende Einsatzgebiete

als sinnvoll:

Ausladungen ohne Einschränkungen,

geometrisch schlecht erreichbare Bereiche, z.B. Tunnel,

Stahl, Alu, Kunststoff, Magnesium in jedmöglicher Paarung,

2 Blech/3 Blech,

Blech/Guss/Strang,

Nietdurchmesser 3-5 mm.

Umsetzbarkeit der Technologie und praktische Nutzung

Aufgrund des hohen Innovationsgrades des Verfahrens wird das Im-

pulsnieten bei der Fertigung der Karosserie des Lamborghini Gallar-

do von ThyssenKrupp Drauz erstmalig in Serie eingesetzt | Bild 7 |.

Die Verbindung Bodenbleche mit Sitzquerträger (80 Niete) wird in

einer Multi-Tech Zelle (Zelle, in der mehrere Technologien Verwen-

dung finden) gefertigt.

Das Impulsnieten wird gemeinsam mit weiteren Anlagen und

ergänzenden Entwicklungsleistungen exklusiv durch ThyssenKrupp

Drauz angeboten bzw. eingesetzt.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit dem Impulsnietverfahren von ThyssenKrupp Drauz erhält die

Fahrzeugkonstruktion die Möglichkeit, kostengünstig z.B. hybride

Fahrzeugkonzepte umzusetzen. Dies gilt insbesondere bei Alu-Vorder-

wagen, Stahl-Boden-Hinterwagen und Verbindungen im Tunnelbe-

reich. Somit sind Karosserie-Bereiche in der Mitte des Fahrzeuges

(z.B. Tunnelbereiche) erreichbar, um diese Teile, Halter etc. z.B. aus

Toleranzgründen erst zum Schluss zu fügen.

Die ThyssenKrupp Drauz Impulsniettechnologie unterstützt Mate-

rialmischbauweisen im Karosserieleichtbau unter Verwendung einer

kostengünstigen Fertigungsintegration des Werkstoffes Stahl. Zukünf-

tig wird ein harmonischer Leichtbau mit Materialmix leichter und vor

allem wirtschaftlicher herstellbar sein.

Bild 4 | Standardbügelnietzange

Bild 5 | ThyssenKrupp Drauz Impulsnietgerät

Bild 6 | Impulsnieten mit Roboter Bild 7 | Impulsnieten im Serieneinsatz

Größenvergleich


Einleitung

Geringer Treibstoffverbrauch, Geräusch- und Emissionssenkung,

erhöhte Zuverlässigkeit und Gewichtsreduzierung sind einige der

Triebfedern für die neuen Entwicklungsprogramme für Lkw-Motoren.

Sowohl die Konstruktion als auch die Herstellung von Kurbelwellen

wurden von dieser Entwicklung stark beeinflusst. Eine besondere

Herausforderung waren die immer höher werdenden Anforderungen

an die Dauerfestigkeit. Durch eine angemessene Oberflächenbe-

handlung während der Bearbeitungsphase ist dieses Ziel heute

weitgehend erreicht. Im Lkw-Segment ist die Induktionshärtung die

am meisten eingesetzte Technik. Sie bietet nicht nur ein optimales

Preis-Leistungs-Verhältnis, sondern sorgt auch für eine begrenzte

Umweltbeeinflussung.

Dennoch besteht bei vielen Aspekten des Induktionshärtungspro-

zesses Erklärungsbedarf. Was uns zunächst einmal fehlt sind „Augen“:

Zur Zeit stehen keine zuverlässigen nicht-destruktiven Testmethoden

zu Verfügung, um die erzielte Härte und Eigenspannungsverteilung zu

ermitteln. Folglich erfordert jede Prozessbewertung die Fertigung einer

Prototypenkleinserie sowie eine vollständige Serie von Biege- und

Torsions-Dauerbelastungsversuchen mit entsprechenden metallurgi-

schen Profilschnitten, was insgesamt ca. 3 Monate dauert. Dadurch

wird das Prozessdesign zu einer sehr kostspieligen und zeitaufwendi-

gen Aufgabe, bei der nur wenige Daten zur Verfügung stehen und die

Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen einen langwierigen Pro-

zess darstellt.

Der Einsatz von numerischer Simulation als Konstruktions- und

Optimierungswerkzeug ist in diesem Projekt ausgiebig untersucht

worden. Die gewonnenen Ergebnisse belegen, dass die Computer-

modellierung eine leistungsstarke Technik sein kann, um die entspre-

chenden physikalischen Phänomene zu verstehen und die Schwach-

stellen des Induktionshärtens aufzudecken und zu beheben.

Problemdarstellung

Die Induktionshärtung von Zapfen und Auskehlungen ist ein kritischer

Vorgang bei der Bearbeitung von Lkw-Kurbelwellen, der den Preis und

die Dauerfestigkeit (Biegung und Torsion) des Produkts entscheidend

beeinflusst. Die Induktionshärtung erfolgt in einem dreistufigen Pro-

zess (Erhitzen, Abschrecken und Anlassen), der verschiedene physikali-

sche Phänomene auf komplexe und komplizierte Weise kombiniert

| Bild 1 |. Zu den Hauptprozessparametern gehören Induktordesign,

Erhitzungsenergie, -frequenz und -dauer, Durchfluss und Konzen-

tration des Abschreckmittels sowie Anlasstemperatur und -dauer.

Die größte innovative Herausforderung in diesem Projekt bestand

darin, ein umfassendes Modell zu schaffen, das in einer komplexen

3-D-Geometrie | Bild 2 | alle gekoppelten zeit- und temperaturabhän-

gigen, elektromagnetischen, wärmeübertragungstechnischen, metal-

lurgischen und mechanischen Phänomene berücksichtigen konnte.

3-D-Simulation einer Induktionshärtung bei Lkw-Kurbelwellen | 3938 |

DIPL.-ING. XAVIER OLAGNE Leiter Process Engineering | ThyssenKrupp Mavilor, L’Horme/Frankreich

DR.-ING. PHILIPPE BRISTIEL Process Engineering | ThyssenKrupp Mavilor, L’Horme/Frankreich

| Moderne Lkw-Kurbelwelle

Bild 2 | Digitalisierte Darstellung einer Kurbelwellen-kröpfung und eines Induktors

Bild 1 | Induktionserhitzung eines Kurbelwellenhublagers

3-D-Simulation der Induktionshärtung bei Lkw-Kurbelwellen


Industrielle Anwendungen

Daraufhin wurde das Modell erfolgreich bei mehreren industriellen

Anwendungen eingesetzt.

Kapazitäts- und Produktivitätssteigerung

Ziel dieser Studie war es, die Taktzeit durch Reduzierung von Engpässen

in Hauptfertigungsstraßen zu optimieren. Die Simulation des derzeiti-

gen Verfahrens hat ein unzulängliches Induktionsspulendesign gezeigt.

Dieses weist eine herkömmliche Form mit nebeneinanderliegenden

Zuführ- und Ausgangsröhren auf, die entgegenwirkende Magnetfelder

erzeugen, was wiederum zu einer entweder zu hohen oder zu niedrigen

Erhitzung führt.

3-D-Simulation einer Induktionshärtung bei Lkw-Kurbelwellen | 4140 | 3-D-Simulation einer Induktionshärtung bei Lkw-Kurbelwellen

Folgende Schlüsselprobleme mussten dafür in Angriff genommen

werden:

Theoretisch sollte ein einziges, universales und gekoppeltes Pro-

gramm in der Lage sein, dieses Problem zu lösen. Eine derartige

Software ist zurzeit jedoch noch nicht auf dem Markt. Diese würde

ohnehin die derzeitigen Rechenkapazitäten der leistungsstärksten

Arbeitsplatzrechner oder PCs übersteigen. Deshalb müssen meh-

rere vereinfachende Rechenhypothesen aufgestellt werden, ohne

dass dabei die Exaktheit der physikalischen Darstellung beein-

trächtigt wird.

Für die Prozesse der strukturellen Umwandlung und des Ab-

schreckens gibt es keine genaue mathematische Beschreibung.

Die bestehenden Modelle sind lediglich an experimentellen Daten

angelehnt und fordern daher spezifische Eichverfahren: Schnell-

tests mit dem Dilatometer für die metallurgischen Umwandlun-

gen und in-situ Temperaturmessungen für die Parameter der

Abschreckung.

Eine weitere Schwierigkeit besteht in dem Mangel an Daten über

die Materialeigenschaften für solche Schnelltests. Glücklicherweise

können in der Literatur vorhandene Informationen häufig extrapo-

liert werden (z.B. magnetische Eigenschaften der Stahlgüte), aber

in einigen Fällen mussten spezifische Tests entwickelt werden, um

die fehlenden Informationen zu gewinnen (z.B. Durchlässigkeit

magnetischer Bleche).

Angesichts dieser Schwierigkeiten und Einschränkungen wurde ein

schrittweiser Ansatz verfolgt, um die verschiedenen Annahmen zu be-

werten. Angefangen hat ThyssenKrupp Mavilor mit einer einfachen

bekannten 1-D-Geometrie (Zylinderstange), die seit langem erforscht

und dokumentiert ist. Damit lässt sich das Problem bezüglich des

Materialverhaltens lösen. Zur Einführung der Prozessgeometrie (Kurbel-

wellenkröpfung und Induktordesign) ist ThyssenKrupp Mavilor anschlie-

ßend zu einer 2-D-achsensymmetrischen Beschreibung übergegangen,

bevor das volle 3-D-Modell zur Simulierung spezifischer geometrischer

Eigenheiten (Öllöcher, asymmetrische Materialverteilung) eingesetzt

wurde. In jeder Phase wurden die Endergebnisse, d.h. theoretische

Vorausberechnungen in puncto Härte und Eigenspannungen, mit

Versuchsdaten verglichen, um eine adäquate Kalibrierung des Modells

sicherzustellen | Bild 3 |. Dank dieser Methode konnten die Haupt-

ursachen für Ungenauigkeiten beseitigt werden. Die gewonnenen

Ergebnisse | Bild 4 | können als realitätsgetreu eingestuft werden,

selbst wenn einige Zwischenparameter wie z.B. die Temperatur nicht

exakt richtig sind. Durch Hinzufügen der Betriebsbelastungen zu den

aus der Induktionshärtung resultierenden Eigenspannungen | Bild 5 |

konnte ein echter Motorbetrieb mit Kurbelwelle simuliert werden.

Bild 4 | Martensitphasen-Verteilung [%] nach Härtung des Hublagers

Bild 5 | Spannungsverteilung [MPa] in einem Hublagerquerschnitt

Bild 3 | Vergleich von Simulations- und Versuchsergebnissen in den Auskehlungen des Hublagers

Axialschnitt Querschnitt

Eigenspannungen nach Härten und Anlassen Eigenspannungen und Torsions-Betriebsbelastungen


Die Simulation hat zur Entwicklung eines einfacheren Spulendesigns

mit ausgewogener Wärmeverteilung und zu einer gesteigerten elektro-

magnetischen Effizienz geführt. Die Erwärmungszeit konnte um 25 %

reduziert und eine zusätzliche kostspielige Investition vermieden

werden | Bild 6 |. In einem zweiten Schritt wurde die Blechwinkelori-

entierung in der Spule optimiert, um die Druckeigenspannungen im

kritischen Bereich der Auskehlungen des Hublagers zu erhöhen und

somit die Biegedauerfestigkeit zu verbessern.

Härte-Tiefenprofil Tiefenprofil der Axialbeanspruchungen

Schicht | Bild 7|. Nach der Optimierung konnten die maximalen Haupt-

zugbeanspruchungen um 15 % reduziert werden.

Im Anschluss an die Simulationsstudie wurde ein Prototypenlos mit

den gewünschten Einstellparametern induktionsgehärtet. Die so

gewonnenen Ergebnisse bezüglich der Dauerfestigkeit haben die Min-

destanforderungen um 19 % überschritten und die Zustimmung des

Kunden für eine Produktion erwirkt.

Schlussfolgerungen

Bei diesem Projekt wurde ein numerisches 3-D-Modell entwickelt, um

den gesamten Induktionshärtungsprozess bei Lkw-Kurbelwellen zu

simulieren. Von diesem innovativen Durchbruch sind einige entschei-

dende Vorteile zu erwarten. Dieses leistungsstarke Tool trägt konkret

zu folgenden Verbesserungen bei:

erhebliche Kostenreduzierung sowie Senkung der Vorlaufzeiten für

die Produktentwicklung und -abnahme,

besseres Verständnis und breiteres Fachwissen über das Verfahren

als Quelle für neue Verbesserungsideen; Verstärkung eines ganz-

heitlichen und interdisziplinären Ansatzes der Prozesse Stahlher-

stellung, Schmieden und maschinelle Bearbeitung durch Simulation,

Optimierung der Gesamt-Produktionskosten besonders im Hinblick

auf den Mehrwert des Produktes: Induktionshärtung ist die kosten-

günstigste Oberflächenbehandlung, die derzeit zur Verfügung steht

(investiertes Kapital und Kosten pro Teil, geringer Umwelteinfluss).

Die Ausweitung der technischen Leistungsmerkmale kann beispiels-

weise dazu beitragen, dass kein Bedarf mehr besteht an kosten-

intensiven Alternativen wie Nitrierung oder an der Verwendung

von durch Abschreckung und Härtung vergüteten Stahlqualitäten

im Gegensatz zu geschmiedeten mikrolegierten Stahlsorten.

Stärkung der Position von ThyssenKrupp Automotive gegenüber

den Wettbewerbern als unangefochtener Experte im Bereich

Produkt-/Prozessentwicklung.

Sicherung/Verbesserung der Marktposition von ThyssenKrupp

Automotive durch einen verbesserten Service; Schaffung von

Wettbewerbsvorteilen auf neuen Märkten.

3-D-Simulation einer Induktionshärtung bei Lkw-Kurbelwellen | 4342 | 3-D-Simulation einer Induktionshärtung bei Lkw-Kurbelwellen

Verbesserung der Materialeigenschaften

In der jüngsten Entwicklung der geschmiedeten mikrolegierten

Stahlsorten ist die Auswirkung der Induktionshärtung auf das Verhal-

ten des Stahls nicht hinreichend berücksichtigt worden. Mit Hilfe

der Induktionshärtungssimulation lässt sich ein interdisziplinärer

Ansatz entwickeln, der den Einfluss der Geschichte der Kurbelwelle in

den früheren Phasen der Stahlherstellung, des Schmiedens und der

maschinellen Bearbeitung beschreibt.

Die Zusammenarbeit aller an dem Projekt beteiligten Fachleute, die

sich hauptsächlich auf bisher unbekannte Aspekte ihres Fachgebiets

konzentrierte, brachte bedeutende Verbesserungsvorschläge hervor:

Optimierung der Kühlrate nach dem Schmieden, um somit eine

feinere metallurgische Struktur zu erzeugen; diese soll die nach-

folgende Austenitisierung während der Induktionserhitzung be-

günstigen und gleichzeitig die Festigkeitseigenschaften des

Schmiedestückes erhöhen.

Optimierung der chemischen Zusammensetzung des Stahls, um

die Karbidauflösung während des Erhitzens zu erleichtern, wie durch

Schnelltests mit dem Dilatometer gezeigt; die Senkung der erforder-

lichen Erwärmungstemperatur ist ebenfalls ein Hauptaspekt bei der

Kontrolle der Umformung und bei der Reduzierung der Rissgefahr.

Durch die Verwendung von Stahlsorten mit reduziertem Kohlen-

stoffgehalt kann auf das Anlassen verzichtet werden.

Bei der häufig eingesetzten C38 mod.-Stahlsorte führte eine

optimierte chemische Zusammensetzung des Materials nach der

Induktionshärtung zu einem sechsprozentigen Anstieg der Härtetiefe

und einer verbesserten martensitischen Struktur.

Verbesserung der Dauerfestigkeit

Im Rahmen einer kürzlich in Nordamerika durchgeführten Entwick-

lungsstudie zu einem 15 Liter-Schwerlastmotor zog der Kunde die Aus-

gliederung der Kurbelwellenbearbeitung an ThyssenKrupp Automotive

in Betracht. Die entsprechende Kurbelwelle wurde intern hergestellt

und einer speziellen Wärmebehandlung der Oberfläche unterzogen.

Dieses Verfahren sorgt erfahrungsgemäß für eine ausgezeichnete

Torsions-Dauerfestigkeit, jedoch zu erheblichen Zusatzkosten. Als

technische Alternative dazu schlug ThyssenKrupp Automotive die

Verwendung einer induktionsgehärteten Kurbelwelle vor. Da Zweifel

bestanden, ob die Eigenschaften bezüglich einer hohen Torsions-

Dauerfestigkeit tatsächlich erreicht werden konnten, entschied man

sich für die Simulation als Optimierungswerkzeug.

Basierend auf der so genannten Design-of-Experiments Methode

von Taguchi, wurde in dieser Studie der Einfluss mehrerer Haupt-

verfahrensparameter auf die auferlegte Rest- und Torsions-Spannungs-

verteilung untersucht. Die kritischen Zugzonen lagen, wie erwartet,

auf der Oberfläche der Öllöcher unterhalb der induktionsgehärteten

Bild 6| Temperaturverlauf im Hublagerradius

Bild 7 | Kritische Zugbereiche [MPa] für Torsions-Dauerbelastungen


Ursprüngliches Verfahren Verbessertes Verfahren

Einleitung

Aufzüge übernehmen in Hochhäusern den gesamten Personen- und

Lastentransport in die einzelnen Etagen. Hochhäuser sind deshalb ohne

Aufzüge nicht wirtschaftlich nutzbar. Die Aufzugsschächte bilden in den

meisten Fällen zugleich auch den tragenden und aussteifenden Ge-

bäudekern und sind somit Bestandteil der Gebäudestruktur selbst. So

verwundert es auch nicht, dass die Entwicklung im Hochhausbau eng

mit der Entwicklung im Aufzugsbau verknüpft war und ist.

Mit zunehmender Gebäudehöhe steigt die Transportleistung, die

die Aufzugsanlage eines Gebäudes zu erbringen hat, überproportional

an. So müssen immer mehr Personen und Lasten in immer größere

Höhen und in immer mehr Stockwerke transportiert werden. Da die

im Gebäude zur Verfügung stehende Grundfläche jedoch begrenzt ist,

begegnen die Aufzugshersteller und –planer dieser Anforderung mit

Maßnahmen, die die Förderleistung der einzelnen Aufzüge und der

gesamten Aufzugsgruppe erhöhen und damit die Anzahl der erforder-

lichen Aufzugsschächte minimieren sollen. Beispiele hierfür sind höhere

Fördergeschwindigkeiten, kürzere Türöffnungszeiten, ausgeklügelte

Steuerungssysteme und unterschiedliche Verkehrskonzepte.

Alle Maßnahmen stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn die Akzeptanz

durch den Benutzer nicht mehr gegeben ist. Dies kann durch Unwohl-

sein bei hohen Beschleunigungen oder schnellen Türbewegungen,

durch lange Verweilzeiten in der Kabine, aber auch durch eine kompli-

zierte Benutzung der Aufzugsanlage mit ein- oder mehrmaligem Um-

steigen gegeben sein.

Trotz der vielfältigen Maßnahmen führt dies bei hohen Gebäuden

häufig dazu, dass ein beachtlicher Teil der Gebäudegrundfläche durch

Aufzugsschächte eingenommen wird. Je höher die Gebäude sind, desto

ausgeprägter ist dieser Sachverhalt. Dies wiederum stellt seit Beginn

des Hochhausbaus ein Grundsatzproblem bei der wirtschaftlichen

Nutzung von Hochhäusern dar.

Das Aufzugssystem TWIN

Die Grundidee

Unabhängig von allen genannten Optimierungsmaßnahmen ist es vor

allem bei Aufzügen in Hochhäusern Tatsache, dass der größte Teil

des Aufzugsschachtes ungenutzt ist, während die Aufzugskabine im

anderen Teil des Schachtes ihre Zielrufe abarbeitet. Daraus läßt sich

ableiten, dass eine weitere signifikante Leistungssteigerung der Auf-

zugsanlage eines Gebäudes möglich wird, wenn pro Schacht mehrere

Kabinen übereinander und unabhängig voneinander betrieben werden.

Eine Recherche in der Patentliteratur zeigt, dass dieser Gedanke sehr

alt ist. So wurden bereits in den 30-er Jahren des letzten Jahrhunderts

viele Patente über den Betrieb von mehreren Kabinen in einer gemein-

samen Fahrbahn angemeldet. Diese beinhalten sehr unterschiedliche

Wirkprinzipien, Anordnungen, Sicherheitseinrichtungen usw.

Trotz der vielen Ideen wird in der Aufzugsliteratur nur eine Aufzugs-

anlage erwähnt, in der zwei, sich unabhängig voneinander bewegende

Kabinen in einer gemeinsamen Fahrbahn (an gemeinsamen Führungs-

schienen) betrieben werden. Die Anlage wurde 1931 in Pittsburgh in

ein Gebäude mit 20 Etagen eingebaut. Aufgrund des mit den damaligen

Mitteln realisierbaren, den Betrieb jedoch sehr einschränkenden

Sicherheitskonzepts und dem Fehlen von modernen Steuerungs- und

Verkehrskonzepten war der Anlage kein Erfolg beschert.

Aus der Patentliteratur geht auch hervor, dass die Idee immer wieder

aufgegriffen wurde. 70 Jahre später gelang es dem Unternehmen

ThyssenKrupp Aufzugswerke mit TWIN das erste leistungsfähige Auf-

zugssystem zu realisieren, bei dem zwei Kabinen weitgehend unab-

hängig voneinander in einer gemeinsamen Fahrbahn betrieben werden.

Aufbau und Funktionsweise

Eine TWIN-Anlage besteht im Grundsatz aus zwei Aufzügen, die im Bau-

raum eines traditionellen Aufzugsschachtes installiert sind. | Bild 1 | ver-

TWIN – Die neue Generation eines Aufzuges | 4544 |

TWIN – Die neue Generation eines Aufzuges

DR.-ING. GÜNTER REUTER Leiter Vorentwicklung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. (FH) MANFRED DULLEN Entwicklung Elektronik | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. WOLFGANG MEIßNER Vorentwicklung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. (FH) WALTER NÜBLING Vorentwicklung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. (FH) HELMUT SCHLECKER Vorentwicklung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. STEFAN SCHNEIDER Entwicklung Elektronik | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

DIPL.-ING. (FH) GERHARD THUMM Geschäftsführung | ThyssenKrupp Aufzugswerke GmbH, Neuhausen

| TWIN: Zwei Kabinen in einem Aufzugsschacht

Bild 1 | Prinzip der Anordnung und Aufhängung

Antrieb der unteren Kabine

Antrieb der oberen Kabine

obere Kabine

untere Kabine

Gegengewichtobere Kabine

Gegengewichtuntere Kabine


der Aufzugsanlage positioniert sind | Bild 5 |. Diese moderne Art der

Aufzugssteuerung setzt sich auch immer mehr für traditionelle Aufzugs-

systeme in Gebäuden, bei denen mehrere Aufzüge zu einer Gruppe

zusammengefasst sind, durch. Der Vorteil besteht vor allem darin,

dass die Aufzugsanlage bereits vor dem Betreten der Kabine das

Fahrtziel jedes Benutzers kennt und die Zuweisung der Kabinen damit

optimaler gestalten kann. Bei TWIN können damit auch Fahrbewe-

gungen der beiden Kabinen vermieden werden, die die Bewegungs-

freiheit der jeweils anderen Kabine einschränken (z.B. die untere Kabine

erhält einen Fahrauftrag, dessen Ziel oberhalb der Position der oberen

Kabine liegt). In der Regel wird die Fahrzeit für den Benutzer kürzer und

er erreicht sein Fahrtziel mit weniger Stopps.

Mit TWIN lassen sich in hohen Gebäuden vollkommen neue Ver-

kehrskonzepte realisieren, die auf die gebäudespezifischen Anforde-

rungen und auf die unterschiedlichen Verkehrsströme z.B. während

eines Tages flexibler reagieren als traditionelle Aufzugssysteme.

Bei der Planung von neuen Gebäuden wird die zu erbringende

Förderleistung durch die geplante Gebäudebelegung und den zu er-

wartenden Benutzerverkehr im Gebäude vorgegeben. Ziel wird es meist

sein, die zu erbringende Förderleistung in einem möglichst geringen

Bauraum im Gebäude, d.h. mit einer minimalen Anzahl von Aufzugs-

schächten zu erbringen. TWIN zeigt hierbei bereits bei Förderhöhen

ab ca. 50 m deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Aufzugssyste-

men. In | Bild 6 | ist der Vergleich einer traditionellen Aufzugsgruppe

mit vier Aufzügen in vier Schächten (linke Grafik) mit einer Aufzugs-

gruppe mit TWIN mit fünf Aufzügen in drei Schächten (rechte Grafik)

beispielhaft dargestellt. Bei gleicher Förderleistung kann ein Aufzugs-

schacht entfallen oder als zusätzliche Nutzfläche vermietet werden.

In bestehenden Gebäuden ändert sich die Gebäudebelegung im

Laufe der Zeit. In vielen Fällen erhöht sich die von der Aufzugsanlage

zu erbringende Förderleistung deutlich. Da es meist nicht möglich ist,

weitere Aufzugsschächte zu installieren, stoßen Optimierungsmaßnah-

men mit traditionellen Aufzugssystemen schnell an ihre Grenzen. Mit

TWIN besteht die Möglichkeit, in eine gleichbleibende Anzahl von

Aufzugsschächten mehr Aufzüge zu installieren und dadurch die Förder-

leistung zu erhöhen. Legt man die in | Bild 6 | dargestellte Aufzugs-

gruppe mit vier Aufzügen in vier Schächten zugrunde, so ließen sich

darin ein Einzelaufzug und drei TWIN-Anlagen installieren. Damit erhöht

sich die Anzahl der Aufzüge von vier auf sieben. TWIN eignet sich

deshalb zur Steigerung der Förderleistung in bestehenden Gebäu-

den auch dann, wenn dies trotz Optimierungsmaßnahmen mit tradi-

tionellen Aufzügen nicht mehr möglich ist.

Ausblick

Mit dem Aufzugssystem TWIN hat ThyssenKrupp Aufzugswerke als

erster und bislang einziger Hersteller ein leistungsfähiges Aufzugssys-

tem auf den Markt gebracht, bei dem zwei Kabinen unabhängig

voneinander übereinander in einer gemeinsamen Fahrbahn betrieben

werden. Das System wurde im März 2003 der Öffentlichkeit vorgestellt.

Die bisherige Resonanz aus Besuchen an der Pilotanlage, Publikationen

und Präsentationen ist groß und durchweg positiv. Nach der Pilotanlage

an der Universität Stuttgart wird die nächste TWIN-Anlage in der

Zentrale der ThyssenKrupp AG im Dreischeibenhaus in Düsseldorf

installiert. Die Anlage soll im Spätherbst 2003 betriebsbereit sein.

Obwohl es sich bei TWIN um eine Weltneuheit mit Alleinstellungs-

charakter handelt, die zudem erst seit kurzem publiziert ist, münden

bereits jetzt Besuche von Investoren, Consultants und Aufzugsplanern

in konkrete Projektierungsanfragen und Angebote - eine Aussicht, die

hoffen lässt.

Das in diesem Artikel vorgestellte neue Aufzugssystem der

ThyssenKrupp Aufzugswerke wurde mit dem 1. Preis des ThyssenKrupp

Innovationswettbewerbs 2003 ausgezeichnet.

TWIN – Die neue Generation eines Aufzuges | 4746 | TWIN – Die neue Generation eines Aufzuges

deutlicht das Prinzip des TWIN. Jeder Aufzug enthält die üblichen Kom-

ponenten:

Kabine mit Fangrahmen | siehe Titelbild Bericht |,

Treibscheibenantrieb | Bild 2 |,

Steuerung,

Gegengewicht | Bild 3 | und

Sicherheitseinrichtungen | Bild 4 |.

Das Besondere an TWIN ist, dass die beiden Kabinen weitgehend

unabhängig voneinander übereinander entlang der gleichen Führungs-

schienen betrieben werden. Daraus ergibt sich, dass die Kabinen auch

aufeinander zu fahren können.

Zentraler Punkt der Akzeptanz eines solchen Aufzugssystems ist es,

sicherzustellen, dass die Kabinen immer einen Mindestabstand zu-

einander einhalten, d.h. niemals miteinander kollidieren können. Bei

TWIN wird dies über ein vierstufiges Sicherheitskonzept sicherge-

stellt. Alle vier Stufen beruhen auf unterschiedlichen Wirkprinzipien.

Sie aktivieren sich selbstständig und zwangsweise, sobald die Akti-

vierung der vorgelagerten Stufe nicht zu einem sofortigen Stillstand

beider Kabinen geführt hat. Jede Stufe ist so ausgelegt, dass sie beide

Kabinen auch unter den ungünstigsten Beladungs- und Betriebszustän-

den bis zum Stillstand verzögert, bevor die nächste Stufe erreicht wird.

Im Rahmen der Durchführung einer Gefahrenanalyse wurde das

Aufzugssystem TWIN auf mögliche Risiken untersucht, erforderliche

Maßnahmen wurden definiert und umgesetzt.

Die Prototypenanlage

Die erste TWIN-Anlage wurde in der zweiten Hälfte des Jahres 2002

in ein Gebäude der Universität Stuttgart eingebaut. In dem öffentlich

zugänglichen Gebäude sind auf 11 Etagen mehrere Institute der

Fakultät Architektur, sowie die für den Forschungs-, Lehr- und Semi-

narbetrieb erforderlichen Hörsäle, Seminar- und Werkräume unterge-

bracht. In dem in den 60-er Jahren für ca. 800 Personen geplanten

Gebäude verkehren heute täglich ca. 2.000 Studenten und Univer-

sitätsangestellte. In die ursprüngliche Gruppe aus 6 Aufzügen wurde

in einen Schacht eine TWIN-Anlage eingebaut und die Anlage damit

auf 7 Aufzüge in 6 Schächten erweitert. Die beiden Aufzüge der

TWIN-Anlage haben eine Nutzlast von jeweils 1.000 kg (13 Personen)

und eine Fördergeschwindigkeit von jeweils 2 m/s. Die Förderhöhe

beträgt ca. 40 m.

Die TWIN-Anlage wurde im Dezember 2002 vom TÜV eingehend

geprüft und ohne Einschränkung abgenommen. Seit Januar 2003

läuft die Anlage im Normalbetrieb.

Leistungsfähigkeit des Aufzugssystems TWIN

Aufzugsanlagen mit TWIN werden in der Regel mit traditionellen

Aufzügen (Aufzüge mit einer Kabine pro Schacht) kombiniert. Damit

wird ermöglicht, dass auch Rufe von der untersten in die oberste

Haltestelle direkt und ohne Umsteigen bedient werden können.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Gebäude zwei Haupt-

zugangsebenen hat (z.B. Erdgeschoß und Tiefgarage oder U-Bahn,

auf die sich die morgendlichen und abendlichen Verkehrsströme

aufteilen. Bei dieser Konstellation können beide Kabinen eines TWIN

simultan befüllt werden.

Im Gegensatz zu den meisten traditionellen Aufzugsanlagen teilt

der Benutzer sein Fahrtziel einer Aufzugsanlage mit TWIN bereits

vor dem Betreten der Kabine mit und erhält dann einen für ihn opti-

malen Aufzug zugewiesen. Dies erfolgt an sogenannten Zielwahlter-

minals, die in jeder Haltestelle im Bereich der Schachttüren bzw. vor

Bild 6 | Gegenüberstellung: Traditionelle Aufzugsgruppe mit vier Aufzügen in vier Schächten (links) und TWIN-Anlage mit fünf Aufzügen in drei Schächten (rechts)

Bild 2 | Beide TWIN-Antriebe im Maschinenraum Bild 3 | Obere Kabine und beide Gegenge-wichte von der unteren Kabine aus gesehen

Bild 4 | Beide Gegengewichtsfahrbahnen und die Schachtgrube mit Sicherheitseinrichtung

Bild 5 | Zielwahlterminal zur Eingabe des Fahrtzieles

Traditionelle Aufzugsgruppe TWIN Aufzugsgruppen


ISIS: vielseitig einsetzbarer Aufzug ohne Maschinenraum

48 |

Einleitung

Obwohl weltweit hauptsächlich Seilaufzüge zum Einsatz kommen,

beherrschen hydraulische Aufzüge den nordamerikanischen Markt.

Die Anzahl von Gebäuden mit niedriger Bauhöhe ist im Verhältnis zu

Gebäuden mit hoher Bauhöhe weitaus höher. Für einen Markt, in dem

niedrige Gebäude vorherrschen, ist es nicht verwunderlich, dass an-

gesichts der geringen Kosten (geringe Anschaffungs-, Betriebs- und

Wartungskosten) 85 % der Aufzüge Nordamerikas hydraulisch und

nicht mittels technisch ausgefeilterem Seilaufzug angetrieben werden.

Trotz der zahlreichen Vorteile, über die der hydraulische Aufzug ver-

fügt, weist er auch einige Schwachstellen auf. Das Hydraulikmodell

ist weder umweltfreundlich, da eine ständige Gefahr von Ölkontami-

nierungen besteht, noch arbeitet es energiesparend. Dies hat die

TRIaD Group von ThyssenKrupp Elevator dazu veranlasst, einen neu-

en Aufzug zu entwickeln, der ohne Maschinenraum auskommt, um

damit den Nachteilen des hydraulischen Aufzugs entgegenzuwirken

und gleichzeitig seine Stärken zu nutzen. Dieser Aufzug ohne Maschi-

nenraum ist gegenüber hydraulischen Aufzügen kostengünstiger, er

bietet mehr nutzbare Fläche, indem die für die Aufzugsanlage not-

wendige Fläche reduziert wird. Darüber hinaus benötigt er lediglich

1/3 des Energiebedarfes von hydraulischen Aufzügen und verfügt

über eine innovative Aufhängung, die die Fahrqualität des Aufzugs-

systems verbessert.

Systementwicklung

Der Aufzug

Die TRIaD Group hatte sich der Herausforderung gestellt, einen Auf-

zug ohne Maschinenraum zu entwickeln, der in seinem Marktsegment

ebenso führend werden könnte wie seit 30 Jahren der konventionelle

hydraulische Aufzug in seinem Bereich. ISIS wurde auf einer globalen

Plattform entwickelt, zeichnet sich durch eine niedrige Preisstruktur

aus und soll weltweit zum Einsatz kommen. Hauptmerkmale sind ein

maschinenraumloses Design, eine Aufhängung aus Kunststoff, kon-

taktfreie magnetische Schalter sowie Wände und Decken mit Waben-

struktur, die dem Aufzug sein geringes Gewicht verleihen | Bilder 1,

2 und 3 |.

ISIS: vielseitig einsetzbarer Aufzug ohne Maschinenraum | 49

RORY SMITH BS Vice President, Product Planning | ThyssenKrupp Elevator, El Cajon/USA

ELIZABETH PERRY BS, IMBA Market Research | ThyssenKrupp Elevator, El Cajon/USA

Bild 1 | Innenraum ISIS Bild 2 | Tür mit Wabenstruktur Bild 3 | Gestell des ISIS| ISIS-Design


ISIS: vielseitig einsetzbarer Aufzug ohne Maschinenraum | 5150 | ISIS: vielseitig einsetzbarer Aufzug ohne Maschinenraum

Die Fahrhöhe des ISIS beträgt bis zu 24 Meter, die Tragfähigkeit bis

zu 1150 Kilogramm und die Geschwindigkeit 1 Meter pro Sekunde.

Durch den Einbau der Antriebsmaschine am Boden der Schienen-

struktur kann auf einen separaten Maschinenraum verzichtet werden.

Da sämtliche Lastkörper des Aufzugs am Boden des Schachtes ein-

gebaut sind, kann der ISIS in bestehende Gebäude installiert werden,

ohne dass die Baustruktur des Gebäudes maßgeblich verändert

werden muss. Das Antriebssystem verfügt über einen Spannungs-/

Frequenzantrieb mit geschlossenem Kreis, wodurch ein geglättetes

Geschwindigkeitsprofil bis zur Höchstgeschwindigkeit erreicht wird.

Das neue System der Aufhängung

Die in das System von ISIS integrierte neue Aufhängung ist ein Bei-

spiel für eine Technologie mit optimiertem Preis-Leistungs-Verhältnis.

Seile aus Aramidfasern ersetzen herkömmliche Stahlseile, die derzeit

in Seilaufzügen eingesetzt werden. Durch die Verwendung kleinerer

Riemenscheiben | Bilder 4a, 4b und 5 | bieten diese synthetischen

Seile mehr Flexibilität, was zu erheblichen Kosteneinsparungen beim

Einbau des Aufzugs führt. Außerdem halten sie der doppelten Last

wie Stahlseile mit vergleichbarem Durchmesser stand, die Lebensdauer

von synthetischen Seilen ist dreimal so hoch. Die Elastizität von syn-

thetischen Seilen ist nur halb so groß wie bei Stahlseilen, was dazu

führt, dass Höhenschwankungen der Fahrstuhlkabine beim Ein- und

Austreten der Passagiere reduziert werden. Darüber hinaus führt der

Einsatz dieser Seile zu einer Verkleinerung der Aufzugsanlage.

Scheiben aus technischem Verbundstoff, die bei synthetischen Seilen

zum Einsatz kommen, ersetzen herkömmliche Stahlscheiben | Bild 6 |.

Der Transport zum Maschinenraum am oberen Ende des Aufzugs-

schachtes wird durch den Einsatz der erheblich leichteren Kunststoff-

scheiben vereinfacht. Ein weiterer Vorteil besteht in der Lärmminde-

rung, da diese Seile weniger Geräusche von der Maschine zur Kabine

übertragen. Aufgrund der Gewichtsvorteile wird der Einbau des Auf-

zugs erleichtert und Wartungs- und Modernisierungsprozesse werden

beschleunigt. Mit ISIS erhält die erste Aufhängung, die ohne Stahl

auskommt, Einzug in den nordamerikanischen Markt.

Bild 4a | Treibscheibe des ISIS (Frontansicht) Bild 4b | Treibscheibe des ISIS (Seitenansicht)

Bild 6 | Herkömmliche Scheibe im Vergleich zur wesentlich kleineren Scheibe des ISIS aus technischem Verbundstoff

Bild 5 | Montage der Scheibe

Ausblick

Mit der Einführung des ISIS wird ThyssenKrupp Elevator nicht nur in

der Lage sein, Marktanteile in Nordamerika zu gewinnen, sondern

auch den Ansprüchen des weltweiten Aufzugsmarktes gerecht zu

werden. Aufgrund staatlicher Vorschriften zur behindertengerechten

Baugestaltung gibt es einen rasch wachsenden Markt für Aufzüge in

Gebäuden mit niedriger Bauhöhe. Für diese Wachstumsmärkte ist

der ISIS-Aufzug die richtige Lösung.


Einleitung

Seit über 100 Jahren streben Experten des Personentransports die

Entwicklung eines Hochleistungsprodukts an, das den Anforderungen

von Strecken zwischen 150 und 1000 Metern entspricht. Dabei werden

traditionell zwei unterschiedliche Systeme benutzt: Kabinen-A.P.M.-

Systeme (Automatic People Mover), die jedoch mit hohen Einbaukosten

verbunden sind und nur über begrenzte Transportkapazitäten verfügen,

oder konventionelle Personenfahrsteige, die für Strecken dieser

Größenordnung zu langsam sind. Das Zurücklegen einer Strecke von

1000 Metern würde beispielsweise 25 Minuten in Anspruch nehmen,

viel länger also als zu Fuß.

Vor vier Jahren hat ThyssenKrupp Norte mit der Entwicklung eines

Fahrsteigs mit Tempo-Dynamik begonnen. Als Ausgangspunkt für die

Entwicklung stellte man sich folgende Frage: Ist es möglich, ein

kontinuierlich laufendes Personen-Transportsystem zu entwickeln,

das mit hoher Geschwindigkeit Strecken zurücklegen kann und gleich-

zeitig mit einer niedrigeren Geschwindigkeitsstufe im Ein- und Aus-

trittsbereich fährt? ThyssenKrupp Norte hat einen Fahrsteig entwickelt,

der im mittleren Abschnitt eine Höchstgeschwindigkeit von 2 m/s

erreicht, während im Ein- und Austrittsbereich eine Geschwindigkeit

von 0,65 m/s gehalten wird. Diese Geschwindigkeit entspricht der

konventioneller Fahrsteige. Die Gehgeschwindigkeit eines Menschen

beträgt durchschnittlich 4 km/h. Der Fahrsteig mit Tempo-Dynamik

ist in der Lage, diese Geschwindigkeit auf 7 km/h zu bringen und

damit nahezu zu verdoppeln. Rechnet man die Geschwindigkeit hinzu,

mit der eine Person auf dem Fahrsteig geht, so erreicht man eine

Gesamtgeschwindigkeit von 11 km/h.

Auf dem Gebiet der Fahrsteige ist dieses Produkt eine bahnbre-

chende Innovation. Darüber hinaus wurden aber auch zahlreiche

Teilinnovationen erzielt. Die bedeutendsten Innovationen sind die

Beschleunigungskette, die überlappenden Paletten sowie der Hand-

lauf, der sich verschiedenen Geschwindigkeitsstufen anpasst. Dieses

neue Produkt wird es z.B. Reisenden in Flughäfen, Untergrundbahnen

und Bahnhöfen ermöglichen, in relativ kurzer Zeit große Strecken

zwischen Terminals oder Bahnsteigen zurückzulegen. Das vertraute

Bild von Flugpassagieren, die völlig außer Atem und ihr Gepäck

hinter sich her schleppend von Terminal zu Terminal hetzen, um

ihren Flug zu erwischen, wird bald der Vergangenheit angehören.

Hintergrundinformationen

Schon gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurde darüber nachgedacht,

ein Transportsystem mit variabler Geschwindigkeit zu konstruieren.

Der erste Prototyp eines Fahrsteiges mit Tempo-Dynamik wurde auf

der Pariser Weltausstellung im Jahr 1900 vorgestellt. Er bestand aus

zwei Förderbändern, die parallel und mit unterschiedlichen Geschwin-

digkeiten liefen. Durch Betreten des entsprechenden Bandes wählte

der Benutzer die gewünschte Laufgeschwindigkeit.

Erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelten mehrere

Unternehmen verschiedene Konzepte, um das komplizierte Problem der

Tempo-Dynamik zu lösen. Von all diesen Versuchen ist einer besonders

hervorzuheben: der von Mitsubishi entwickelte Fahrsteig mit Tempo-

Dynamik, der auf einem Original-DUNLOP-Patent aus den sechziger

Jahren basiert. Aufgrund der Probleme beim Einbau der gewählten

Lösung konnte mit diesem Produkt jedoch kein Erfolg erzielt werden.

In Zusammenarbeit mit R.A.T.P. (Réseau pour l'abolition des

transports payants) stellte das französische Unternehmen C.N.I.M.

(Constructions Industrielles de la Méditerranée) einen Fahrsteig zur

Verfügung, der in der Pariser Bahnstation Montparnasse von der

Öffentlichkeit getestet wird. Aufgrund von Sicherheitsproblemen, die die

eingesetzte Lösung aufweist, sind die bisher vorliegenden Ergebnisse

jedoch nicht viel versprechend.

Der Fahrsteig mit Tempo-Dynamik

Die im Fahrsteig mit Tempo-Dynamik verwendete Technologie ist

äußerst komplex. Eine Reihe von Innovationen war notwendig, um

dieses Produkt zu entwickeln:

Zunächst einmal musste man sich für ein geeignetes Personen-

Transportsystem entscheiden. Ein für den Personentransport inakzepta-

bles Problem musste zunächst gelöst werden: Wird bei herkömmlichen

Fahrsteigen die Geschwindigkeit verändert, entstehen Lücken zwi-

schen den Paletten. Um diese Lücken zu schließen, stehen mehrere

Alternativen zur Verfügung. Viele von ihnen wurden bereits von anderen

Unternehmen getestet. ThyssenKrupp Norte hat sich aus mehreren

Gründen für ein System mit klappbaren überlappenden Paletten

entschieden:

Im Hinblick auf Aussehen und Verwendung unterscheidet sich dieser

Fahrsteig nur wenig vom herkömmlichen Fahrsteig.

Die Sicherheitsvorrichtungen eines herkömmlichen Fahrsteigs las-

sen sich problemlos einsetzen.

Die Oberfläche des Fahrsteigs ist während eines Großteils der

Strecke vollständig flach.

Darüber hinaus entspricht der Raumbedarf für den Einbau

dieser Lösung in etwa dem Raumbedarf eines herkömmlichen

Fahrsteigs.

Fahrsteig mit Tempo-Dynamik | 53

Fahrsteig mit Tempo-Dynamik

52 |

DIPL. ING. MIGUEL ANGEL GONZÁLEZ ALEMANY Technischer Leiter | ThyssenKrupp Norte S.A., Mieres/Spanien

DIPL. ING. MANUEL ALONSO CUELLO Leiter für mechanische Entwicklung (FuE) | ThyssenKrupp Norte S.A., Mieres/Spanien

| Fahrsteig mit Tempo-Dynamik bei ThyssenKrupp Norte in Mieres, Spanien


schiedliche Methoden zur Verfügung, um einen Handlauf für ver-

schiedene Geschwindigkeitsstufen zu konstruieren. Bei der ersten

Methode kommt eine Reihe von Handläufen mit konstanter Geschwin-

digkeit zum Einsatz, die aber jeweils auf unterschiedlicher Geschwin-

digkeitsstufe laufen. Diese Alternative ist zwar wirtschaftlich attraktiv,

weist jedoch einige Mängel in puncto Sicherheit auf. Die zweite Alter-

native sieht die Verwendung eines verlängerbaren Materials vor, das

sich zu jeder Zeit an die Geschwindigkeit des Fahrsteigs anpasst.

Aufgrund der technischen Probleme, die diese Lösung mit sich bringt,

ist eine praktische Umsetzung jedoch gegenwärtig nicht realisierbar.

Die dritte Alternative besteht in der Verwendung eines Handlaufs

bestehend aus mehreren Einzelgriffen, die mit derselben Geschwin-

digkeit laufen wie die angrenzenden Paletten. Für diese Lösung hat

sich ThyssenKrupp Norte entschieden.

Das Antriebssystem für den variablen Geschwindigkeits-Handlauf

besteht aus einer Reihe von Ketten, die sich unterschiedlichen Ge-

schwindigkeitsstufen anpassen. Im Beschleunigungsbereich steigt

die Bewegungsgeschwindigkeit allmählich an, während sie in der Ab-

bremszone reduziert wird. Der Einzelgriff bewegt sich von einer Kette zur

nächsten und erhöht bzw. reduziert somit die Geschwindigkeit. | Bild 5 |

zeigt einen Handlauf für verschiedene Geschwindigkeitsstufen.

Darüber hinaus musste ein neues Antriebssystem konstruiert werden,

das sich aus folgenden Gründen vom Antrieb der Paletten für den

Personentransport unterscheidet:

um Kosten einzusparen: Das neue System ist aufgrund der ver-

wendeten Ketten wirtschaftlicher als der Antrieb für herkömmliche

Paletten. Für den Handlauf werden Standardketten verwendet,

während die für die Paletten verwendeten sehr speziell und kom-

plex sind.

um den Platzbedarf zu reduzieren, der für den Einbau notwendig ist.

Die Verwendung des kleineren Antriebs für den Handlauf ermög-

licht den Einsatz moderner Glasbalustraden, die dem aktuellen

optischen Trend entsprechen.

Fazit

Der Fahrsteig mit Tempo-Dynamik wurde von einem interdisziplinären

Team der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei ThyssenKrupp

Norte entwickelt. Experten und Spezialisten von der Oviedo Univer-

sität und der I.T.M.A. (Instituto Tecnológico de Materiales) Stiftung wa-

ren ebenfalls an der Entwicklung beteiligt.

Der erste 80 m lange Prototyp durchläuft derzeit eine Testphase in

der spanischen Fabrik von ThyssenKrupp Norte. Fabrikbesichtigungen

wurden organisiert, um herauszufinden, wie Verbraucher auf dieses

neue Produkt reagieren. Die bisher gewonnenen Ergebnisse sind

durchgehend zufrieden stellend. Gleichzeitig wird an weiteren Verbes-

serungsmaßnahmen für die derzeit eingesetzten Antriebssysteme der

Paletten und des Handlaufs gearbeitet, um Kosten zu senken. Darüber

hinaus wurden erste Kontakte zu mehreren Kunden geknüpft, um mit

ihnen den Einbau der ersten Vorserieneinheit zu diskutieren. Erwar-

tungen zufolge wird die erste Einheit im Laufe des Jahres 2004 zum

Einsatz kommen.

Die Entwicklung dieses High-Tech-Produktes hat ThyssenKrupp Norte

nicht nur an die Spitze der Personen-Transportsystementwicklung beför-

dert, sondern auch für eine breite Anerkennung ihrer Qualitätsprodukte

unter den Kunden gesorgt. Das Projekt wurde 2002 mit dem in Asturias

verliehenen Geschäftsinnovationspreis von IDEPA (Instituto de Desarrollo

Económico del Principado de Asturias) ausgezeichnet.

Fahrsteig mit Tempo-Dynamik | 5554 | Fahrsteig mit Tempo-Dynamik

Die Paletten bestehen aus zwei unterschiedlichen Teilen, die durch ein

Gelenk verbunden sind. Durch dieses Gelenk kann ein Teil in Relation

zum anderen rotieren. | Bild 1 | zeigt die Detailansicht einer Palette.

Die Vorderseite der Palette ist auf vier Führungsrollen gestützt, wäh-

rend der hintere Teil durch das bereits erwähnte Gelenk mit dem vor-

deren Teil verbunden ist. Der hintere Teil ist wiederum auf die Vor-

derseite der nächstfolgenden Palette gestützt.

Durch die Bewegung der Führungen kann eine Palette unter eine

andere gleiten, so dass der Benutzer in der Niedriggeschwindigkeits-

zone nur den hinteren Teil der Paletten zu sehen bekommt. Wird der

Fahrsteig beschleunigt, trennen sich die Paletten voneinander und die

Lücke wird durch den vorderen Teil der Palette geschlossen. | Bild 2 |

zeigt die Position der Paletten in der Beschleunigungszone und im

mittleren Bereich.

Um die höchstmögliche Sicherheit des Benutzers zu gewährleisten,

hat ThyssenKrupp Norte eine Kammkonstruktion entwickelt, die ver-

hindert, dass durch die Bewegung der Paletten Gegenstände zwischen

den Paletten eingeklemmt werden. | Bild 3 | zeigt eine genaue Ab-

bildung der Kammkonstruktion.

Die vielleicht schwierigste Aufgabe bei der Konstruktion eines

Personen-Transportsystems war die Entwicklung eines Regelantriebs für

die Paletten. Gefragt war ein Mechanismus, der gleichzeitig unter-

schiedliche Geschwindigkeitsstufen an unterschiedlichen Stellen

erreichen konnte. Für diese Aufgabe kamen modernste Konstruk-

tionswerkzeuge zum Einsatz, einschließlich Simulationen mit virtu-

ellen Prototypen.

Die von ThyssenKrupp Norte gewählte Lösung besteht aus einer

Kette speziell geformter Verbindungsglieder. Es gibt zwei Arten von

Verbindungsgliedern: Erstens ein Glied in L-Form, das sich auf drei

Rollen stützt, und zweitens ein gerades Verbindungsglied, das auf zwei

Rollen gestützt ist. Die Geschwindigkeitsstufe wird verändert, indem

die Kette stärker gefaltet und somit der Abstand zwischen den Gliedern

reduziert wird. Wenn die Kette also gefaltet wird, wird die Fahrgeschwin-

digkeit verringert, und wenn die Kette auseinander gefaltet wird, erreicht

die Fahrgeschwindigkeit ihren Höchstwert. Entsprechend geformte

Führungen sorgen für die Falt- und Entfaltbewegungen. Durch die Um-

setzung dieser Lösung wird eine kontinuierliche Geschwindigkeitsstufe

erreicht, wobei die Beschleunigung stets begrenzt ist. Dadurch wird

eine komfortable Beförderung entlang des gesamten Fahrsteigs ge-

währleistet. | Bild 4 | zeigt die Kettenform in gefalteter und auseinander

gefalteter Position.

Im Hochgeschwindigkeitsbereich, dem längsten Abschnitt des

Fahrsteigs, ist diese Spezialkette nicht notwendig. Zum Antrieb der

Paletten in diesem Bereich wurde deshalb eine standardmäßige

Fahrsteigkette gewählt. Dadurch konnten die Kosten des Produkts

erheblich reduziert werden.

Wesentliche Teile des Fahrsteigs sind die Antriebssysteme für den

Handlauf und die Paletten. Um die von den Nutzern geforderten Sicher-

heitsnormen zu gewährleisten, muss die Einheit über bewegliche Hand-

läufe verfügen, die sich mit derselben Geschwindigkeit bewegen wie

die entsprechenden Paletten. Es stehen grundsätzlich drei unter-

Bild 2 | Paletten für den Personentransport

Bild 3 | Überlappende Paletten

Bild 4 | Spezialkette für verschiedene Geschwindigkeitsstufen Bild 5 | Handlauf für verschiedene Geschwindigkeitsstufen

Hochgeschwindigkeitssektion Beschleunigungssektion Niedriggeschwindigkeitssektion

Hochgeschwindigkeitssektion Beschleunigungssektion Niedriggeschwindigkeitssektion

Bild 1 | Detailansicht der Paletten-Kammkonstruktion für den Personentransport

hinterer Teil

vorderer Teil


Einleitung

Die Ausführung von automatisierten Montageanlagen für Pkw-Motoren

ist durch hohe Komplexität und Individualität gekennzeichnet. Dement-

sprechend wurden diese Anlagen bisher im Rahmen von „maßge-

schneidertem“ Sondermaschinenbau konzipiert, konstruiert und gefertigt.

In der jüngsten Vergangenheit zeichnet sich in der Automobilindustrie

eine steigende Planungsunsicherheit in Bezug auf Stückzahlen, Varian-

tenvielfalt und Modelllaufzeiten ab. Diese Tendenz geht auf die sich

schnell verändernde Marktanforderung sowie auch beispielsweise auf

Emissionsvorgaben zurück und fordert ein erhöhtes Maß an Flexibilität.

Da diese Anforderungen mit konventionellen Konzepten nur mit nicht

marktgerecht hohem Zeit- und Kostenaufwand bedient werden kön-

nen, hat die Johann A. Krause Maschinenfabrik ein neues Montage-

konzept entwickelt.

Die Anforderungen

Die in der Einleitung erwähnten Zusammenhänge führen unter Berück-

sichtigung sonstiger permanenter Optimierungsanforderungen zu

den nachstehend genannten Zielsetzungen:

unterschiedliche Motorarchitekturen gleichzeitig auf einer Monta-

gelinie (Reihendreizylinder bis V8-Motor, Benziner und Diesel),

Reduzierung der Lieferzeit für Neuanlagen um 30 %,

Reduzierung der Liefer- und Umsetzungszeit bei Modifikationen

bestehender Anlagen um 50 %,

Reduzierung der Bauteilvielfalt, um die Ersatzteilaufwendungen

beim Kunden zu senken und die Anzahl von Wiederholbaugruppen

(Modulen) zu erhöhen,

Reduzierung der Investitionsbedarfe um ca. 20 % bei Neuanlagen

und 30 % bei Umbauten,

Verbesserung der Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit,

Erstellung eines Produktkataloges und einer Preisliste, was im

Sondermaschinenbau als Besonderheit bezeichnet werden darf,

globale Einsatzmöglichkeit, d.h. Produktionskapazitäten können

durch Verlagerung bestehender austauschbarer Module den

lokalen Marktanforderungen angepasst werden.

Die Lösungen

Die wesentlichen Bestandteile von Montagelinien wurden simultan

neu entwickelt, um schließlich als homogenes Montagekonzept in

modularer Bauweise individuell zusammengefügt werden zu können

und so die Eigenschaften Flexibilität und Standardisierung miteinan-

der zu kombinieren. Im Folgenden werden die wesentlichen Einhei-

ten des COMMONALITY-Montagekonzeptes aufgeführt.

Das Maschinenkonzept

In der Vielzahl von automatischen und halbautomatischen Montage-

und Teststationen muss der Motor den Werkzeugen wiederholgenau

präsentiert werden. Darüber hinaus gibt es Basisinhalte, die sich in

allen dieser Stationen wiederfinden. Hierzu gehören z.B. Bearbeitungs-

module (Werkzeuge), Schaltschränke, Schraubersteuerungen, Pneu-

matiksteuerungen, Kurbelwellendreheinrichtungen, Schutzgitter etc.

Im Rahmen der Neuentwicklung wurde ein modularer Standard ge-

schaffen, mit dem sich das Investitionsvolumen den jeweils benötig-

ten Umfängen bei Neuanlagen und späteren Umbauten ohne indivi-

duelle Konstruktionsaufwendungen anpassen lässt. Auf- und Abrüstun-

gen von Modulen sind durch Verwendung von Schraubverbindungen

und Adapterstücken auch innerhalb kürzester Produktionsunterbre-

chungen möglich. Die einheitlich angeordneten Werkstückgreifpunkte

ermöglichen die Bearbeitung beliebiger Motorvarianten. Der Kunde

erhält somit die für zukünftige Umbauten gewünschte Flexibilität,

ohne dies in der Erstinvestition berücksichtigen zu müssen | Bild 1|.

COMMONALITY – Flexibel standardisiertes Montagesystem für die Aggregatemontage | 57

COMMONALITY– Flexibel standardisiertes Montagesystem für die Aggregatemontage

56 |

DIPL.-ING. KARL-HEINZ GERTJEGERDES Leiter Maschinenbaukonstruktion | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

DIPL.-ING. UWE NORDHAUSEN Produktmanager Commonality | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

DIPL.-ING. STEFAN LENZ Koordinationsverantwortlicher Steuerungstechnologie | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

VOLKER KRETSCHMER Koordinationsverantwortlicher Maschinenbaukonstruktion | Johann A. Krause Maschinenfabrik GmbH, Bremen

Bild 1 | Standardisiertes Spann-, Hub- und Drehmodul

| Sektion einer V6-Motormontagelinie


leichten Überquerbarkeit möglich. In Verbindung mit den Werkstück-

trägereigenschaften kann das System im Gegensatz zu konventionel-

len Ausführungen als „Single Loop“ aufgebaut werden.

Das Installationskonzept ist modular aufgebaut. Aufgrund dessen

können Installationseinheiten in Serienfertigung kostengünstig produ-

ziert werden. Die Komponenten werden innerhalb des Transportsystem-

hüllbereiches montiert und sind durch Abdeckbleche vor mechanischer

Beschädigung und Verschmutzung geschützt. Damit die Zugänglichkeit

dennoch gewährleistet ist, können alle Komponenten um- oder zur

Seite geschwenkt werden. Ein- und Ausschleusungen für Motorrepa-

raturen können modular ein- oder ausgebaut werden und sind somit

entsprechend den Erfahrungen des Produktionsbetriebes nahezu

simultan optimierbar | Bild 4 |.

Die Anzahl der Funktionselemente wurde auf ein Minimum hochfle-

xibler Einheiten begrenzt. Innerhalb des Gesamtangebotes sind Trans-

portwagen für Werkstückträger genauso standardmäßig verfügbar, wie

auch modular adaptierbare elektrische Antriebsaggregate.

Das Steuerungskonzept

Die softwareseitigen Steuerungseinheiten, Funktionsblöcke und Pro-

gramme wurden simultan entwickelt und sind gleichermaßen modular

aufgebaut. Der Aufbau wurde für den maximal möglichen Ausstat-

tungsumfang konfiguriert, so dass im Rahmen der Inbetriebnahme

lediglich kopiert und parametriert werden muss. Diese Strukturen fin-

den sich für standardisierte Funktionseinheiten genauso wie auch bei

Standardsequenzen für manuelle Arbeitsplätze wieder. Aufgrund der

synergiereichen Applikationsweise können selbst umfangreiche Vari-

anten zukünftig ohne Engineeringleistung zu entsprechend günstigen

Preisen und Lieferzeiten angeboten werden.

Die Hardware ist so gestaltet, dass Schaltschränke durch Gleichheit

und Modularisierung kosteneffizient „am Band“ hergestellt werden

können und durch Komponentenbauweise mit geringem Aufwand un-

tereinander austauschbar sind.

Ergebnis

Innerhalb von 2 Jahren hat die Johann A. Krause Maschinenfabrik mit

dem COMMONALITY-System eine Produktlinie entwickelt, die die ge-

stiegenen Kundenerwartungen ganzheitlich bezüglich Kosten, Liefer-

zeit und Flexibilität bedient.

Der globale Einsatz baugleicher Einheiten bietet direkt umsetzbaren

Informationsrückfluss der Felderfahrungen, was zur kurzfristigeren

Zuverlässigkeitssteigerung bei gleichzeitiger Kostenreduktion führt

und die Marktposition nachhaltig stärken soll.

Darüber hinaus entsteht eine besondere Kundenbindung, da der

Kundennutzen bezüglich Flexibilität und Wiederverwendbarkeit mit

jeder weiteren COMMONALITY-Anlage auch für die schon in Betrieb

befindlichen Anlagen steigt.

COMMONALITY – Flexibel standardisiertes Montagesystem für die Aggregatemontage | 5958 | COMMONALITY – Flexibel standardisiertes Montagesystem für die Aggregatemontage

Unter Einsatz des höchstmöglichen Ausrüstungsgrades können bei

Bruchteilen der sonst üblichen Investitionsbedarfe auch Motorwende-

operationen innerhalb Automatikstationen angeboten werden, so dass

für diese nicht wertschöpfenden Operationen keine separaten Statio-

nen mit entsprechendem Platzbedarf mehr erforderlich sind.

Als Standard vorgesehene multiple Montageflächen für Bearbeitungs-

module an der Front der vertikalen Pfosten sowie Montageflächen im

hinteren Bereich bieten die gewünschten Variationsmöglichkeiten.

Durch die standardisierte Flanschbauweise ist die Verbindung zur Ma-

schinenbasis immer gleich und Bearbeitungsmodule hierdurch aus-

tauschbar. Der Automatisierungsgrad kann frei gewählt werden und

auch später wechselnden Produktionsanforderungen angepasst werden.

Sämtliche Einheiten sind „grundgestellfest“ montiert und so angeord-

net, dass Stationen als eine Einheit ohne Einfluss auf angrenzende

Systeme versetzt werden können.

Neben den bereits genannten Eigenschaften schätzt der Kunde

auch die in jedem Betriebszustand gewährleistete Zugänglichkeit zu

den Modulen, so dass im Falle von Betriebsstörungen die Produkti-

on schnell wieder aufgenommen werden kann | Bild 2 |.

Der Werkstückträger

Der Werkstückträger ist ein elementarer Bestandteil, um das Werk-

stück (den Motor) von Funktionseinheit zu Funktionseinheit zu trans-

portieren. Hierbei hat die präzise Zuführung in automatischen Mon-

tagemaschinen die gleiche Bedeutung wie die ergonomisch ideale

Präsentation an manuellen Arbeitsplätzen. Des Weiteren beinhaltet

eine Montagelinie ca. 400 Werkstückträger, so dass Einsparungen

von Herstellkosten einen bedeutenden Multiplikator finden.

Der Basiswerkstückträger mit Drehgestell ist für alle Motortypen

ohne individuelle konstruktive Bearbeitung einsetzbar. Multiple Flansch-

flächen erlauben den Anbau individueller weiterer Komponententräger

je nach Kundenvorstellung. Hierfür sind ebenfalls Schnellverschlüsse

standardmäßig verfügbar, so dass Komponententräger auch zur Ver-

wendung in begrenzten Abschnitten eingehängt werden können | Bild 3 |.

Der Motor wird durch eine Schraubverbindung am Adapter befestigt

und kann in 2 Lagen auf dem Basiswerkstückträger abgelegt werden

(Ölwanne oben und unten). Der ergonomisch notwendige Motorla-

genhöhenunterschied wird durch entsprechenden Versatz des einge-

hängten Adapters erreicht. Hierdurch entfällt die bisher erforderliche

Variation von Transportsystemhöhen mit den daran gebundenen

Investitionen und Flexibilitätsverlusten. Der Werkstückträger ist einsetz-

bar von Beginn bis Abschluss des Montageprozesses (inkl. Endfunkti-

onstest des Motors). Die Notwendigkeit unterschiedlicher Werkstück-

träger und entsprechender nicht wertschöpfender Übersetzer entfällt.

Das Transportsystem

Das Transportsystem setzt sich im Wesentlichen aus bewährter Frik-

tionsrollentechnik zusammen. Innerhalb des COMMONALITY-Konzepts

ist durch die einheitlich niedrige Transportsystemhöhe von 330 mm

ein Werkereinsatz auf beiden Seiten der Montagelinie aufgrund der

Bild 2 | Schraubmaschine „Ladderframe“ eines V6-Dieselmotors Bild 3 | Basiswerkstückträger mit Motoradapter und V6-Motor (Benzin)

Bild 4 | Einschleusung einer Reparaturschleife


Der neue Klinkerkühler POLYTRACK® | 6160 |

Richtungweisende Neuentwicklung für die Zementindustrie:Der neue Klinkerkühler POLYTRACK®

DR.-ING. SEBASTIAN MORGENROTH Fachbereichsleiter FuE | Polysius AG, Neubeckum

DIPL.-ING. LUDWIG KÖNNING Abteilungsleiter Konstruktionstechnik | Polysius AG, Neubeckum

DIPL.-ING. GÜNTER MILEWSKI Konstruktion Wärmetechnik | Polysius AG, Neubeckum

Einleitung

Die Herstellung von Zement erfolgt in den Verfahrensstufen Rohmate-

rialaufbereitung, Klinkererzeugung und Zementmahlung | Bild 1 |. Zur

Klinkererzeugung wird Rohmehl auf Temperaturen um 850 °C er-

hitzt und dann auf den Drehofen aufgegeben. Bei Temperaturen von

ca. 1450 °C bilden sich hauptsächlich Kalzium-Silikat-Mineralien, die

zum so genannten Klinker zusammensintern. Der Klinker wird an-

schließend im Klinkerkühler sehr schnell mit Hilfe von Luft auf ca.

100 °C abgekühlt. Die dabei ausgetragene Wärme wird zum großen

Teil zurückgewonnen, indem die erhitzte Luft als Verbrennungsluft dem

Ofen zugeführt wird. Die Polysius AG, eines der weltweit führenden

Engineering-Unternehmen für die Zement- und Minerals-Industrie,

errichtet sowohl komplette Produktionslinien als auch einzelne

Maschinen zur Zementherstellung.

Im Zementanlagenbau ist zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit

ein hoher Innovationsgrad bei der Produktentwicklung unerlässlich.

Insbesondere der Klinkerkühler erfordert aufgrund der harten Einsatz-

bedingungen und seiner zentralen Bedeutung für die Produktqualität

und die Verfügbarkeit der gesamten Produktionslinie ein großes Maß

an Innovation. Der mehrjährigen Neuentwicklung des POLYTRACK®,

in dessen Verlauf auch das verfahrenstechnische Wirkprinzip zum

Patent angemeldet wurde, folgte im November 2002 die erfolgreiche

Inbetriebnahme der zweiten Ausbaustufe in einem Zementwerk in

Deutschland. Überzeugt durch die guten Ergebnisse konnten bis März

2003 vier weitere POLYTRACK® in drei Erdteilen verkauft werden.

Problembeschreibung

Der Klinkerkühler ist mehr als jede andere Maschine im Zementher-

stellungsprozess extremen Anforderungen ausgesetzt: Er ist dem

Drehofen direkt nachgeschaltet und wird von diesem ohne Zwischen-

speicher in einem häufig über 300-tägigen Dauerbetrieb mit einem in

seiner Beschaffenheit sehr unterschiedlichen Klinker beaufschlagt.

Die Temperatur des ofenfallenden Klinkers beträgt ca. 1.350 °C. Er

fällt in geringem Maß staubförmig an, hat üblicherweise Korngrößen

von wenigen bis einigen hundert Millimetern, kann aber auch Ansatz-

stücke mit Durchmessern von weit mehr als einem Meter enthalten.

Klinker ist extrem abrasiv und verursacht durch seine mechanische

Beanspruchung in Kombination mit der Temperaturbelastung erheb-

liche Verschleißkosten. Deshalb müssen in den jährlichen Winterstill-

ständen regelmäßig große Teile der Kühlereinbauten ersetzt werden.

Typisch für den Ofenprozess ist auch die ungleichmäßige Klinkerver-

teilung über die Kühlerbreite. Der Ofen wirft groben Klinker auf der

| POLYTRACK®, statischer Vorrost und Modul 1 Bild 1 | Klinkerkühler in der Zementanlage

Rohmaterialaufbereitung Klinkererzeugung Zementherstellung

POLYTRACK®


Der neue Klinkerkühler POLYTRACK® | 6362 | Der neue Klinkerkühler POLYTRACK®


einen und feinen Klinker auf der anderen Seite des Kühlers ab. Dies

kann zu unterschiedlichen Kühlluftmengen und damit zur Entstehung

von „red river“ auf dem Klinkerbett führen. | Bild 2 | zeigt das Phäno-

men „red river“: Man erkennt den von Luft durchströmten, gekühlten

Klinker in dunkelrot und darin eingebettet Bereiche hoher Klinkertem-

peratur in orangeroter Farbe. Bei Übertemperatur besitzt das Material

eine sehr klebrige Beschaffenheit, die zum Verfritten neigt und zu-

dem einen Kühlluftdurchtritt sehr erschwert. Schließlich wirft der

Ofen zeitweise unterschiedlich große Klinkermengen ab, wodurch der

Mengenfluss kurzzeitig auf das Mehrfache der Nennleistung anwachsen

kann. Für die Produktqualität ist eine schnelle Abkühlung erforderlich.

Das soll mit möglichst geringen Luftmengen geschehen, um einen

hohen Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung zu erreichen. Des-

halb werden zur Verbesserung der Wärmeabfuhr die groben Klinker-

körner nach der ersten Kühlstufe (Rost 1) mit einem Walzenbrecher

in Partikel mit Kantenlängen von kleiner als 60 mm zerkleinert, um

die noch innen weißglühenden Bruchstücke danach auf die gefor-

derte Endtemperatur zu kühlen. Ferner muss die Kühlerbaureihe

die gängigen Tagesleistungen der Öfen von ca. 1.000 t/d bis 12.000 t/d

abdecken.

Die Lösung

Der POLYTRACK® ist eine Kombination aus statischem Belüftungsbo-

den mit einem darüber angeordneten Fördersystem. Er basiert auf

einem modularen Aufbau | Bild 3 |. Jedes Modul ist 4,8 m lang und

steht in den Breiten 1,5 m, 2,0 m und 2,5 m zur Verfügung. Sind für

höhere Durchsatzleistungen breitere Kühler erforderlich, so werden

die Breiten 3,0 m, 3,5 m, 4,0 m, 4,5 m und 5,0 m durch seitliches

Zusammenfügen zweier Module erreicht. Die gewünschte Länge des

Kühlers erhält man über die stirnseitige Verschraubung der Module.

Dadurch, dass auch Zwischenlängen von 2,4 m möglich sind, lassen

sich Abmessungen mit einem Vielfachen dieser Länge realisieren.

Weitere Hauptkomponenten des POLYTRACK® sind der statische

Vorrost, der Zwischenbrecher, der sich dem Rost 1 anschließt und

der Rost 2, der als Nachkühler den gebrochenen Klinker auf die End-

temperatur (ca. 80–100 °C) kühlt | Bild 4 |. Konzeptionell sind die

Module von Rost 1 und Rost 2 identisch.

Die Vormontage der Module findet bereits im Fertigungsbetrieb

statt. Aufgrund der Abmessungen kann man sie problemlos und

kostengünstig transportieren sowie schnell und einfach montieren.

Das Förderprinzip besteht aus Förderplanken, die über einem statischen

Belüftungsboden in Förderrichtung angeordnet sind. Die Planken

besitzen einen bestimmten Abstand zueinander und die Kühlluft

tritt zwischen ihnen in das Klinkerbett ein | siehe Titelbild Bericht |. Die

Klinkerförderung erfolgt dergestalt, dass das gesamte Plankensystem

gemeinsam in Förderrichtung schiebt und dabei den Klinker über

Abstützkräfte mitnimmt. Danach erfolgt der Rückhub benachbarter

Förderplanken jeweils einzeln im Wechsel. Da dann die Abstützkräfte

zwischen den einzelnen zurückfahrenden Förderplanken und dem

Klinkerbett klein sind, wird der Klinker nicht mit zurückgenommen.

Mit der Frequenz der Förderhübe und deren Hublänge werden die

Klinkerschichthöhe, der Klinkerdurchsatz und die Breitenverteilung

auf dem Rost festgelegt. Auf diese Weise entsteht ein Transportme-

chanismus mit hohem Förderwirkungsgrad. Der Transportmechanis-

mus ist ähnlich dem von Pendelböden und erfordert ein unabhängi-

ges Betätigen benachbarter Förderelemente. Beim POLYTRACK®

treiben die Hydraulikzylinder, die unterhalb des statischen Belüf-

tungsbodens montiert sind, die Förderplanken an | Bild 5 |. Der stati-

sche Belüftungsboden besteht aus einzelnen Belüftungsplatten, die

auf das Tragwerk aufgeschraubt sind. Über eine Labyrinthkonstruktion

der Belüftungsplatten | Bild 6 | wird Kühlluft aus den unter dem sta-

tischen Boden befindlichen Belüftungskammern in die Klinkerschicht

gedrückt. Der POLYTRACK® stellt im Gegensatz zu alten Konstruktio-

nen sicher, dass Klinkerdurchfall aus dem Kühler in die Belüftungs-

kammern nicht mehr auftritt.

Bild 3 | POLYTRACK®, statischer Vorrost und zwei Module

Bild 4 | POLYTRACK® mit Zwischenbrecher und Rost 2 Bild 5 | Hydraulikzylinder zum Antrieb der Förderplanken

Bild 2 | „Red river“ auf einem Klinkerkühler

Bild 6 | Labyrinth der Belüftungsplatte

Walzenbrecher

POLYTRACK®, Rost 2POLYTRACK®, Rost 1

5 Förderelemente

Modul 1

Rost 1

statischer Vorrost

Modul 2

64 | Der neue Klinkerkühler POLYTRACK® Der neue Klinkerkühler POLYTRACK® | 65


Betriebskosten

Die Belüftungselemente des Belüftungsbodens weisen großflächige

Kammern auf, die sich bei der Inbetriebnahme dauerhaft mit Klinker

füllen und so einen autogenen Verschleißschutz bilden. Im Gegensatz

zu den Rostplatten bisheriger Kühlerkonstruktionen verschleißen diese

Elemente praktisch nicht mehr. Der gute Förderwirkungsgrad führt zu

relativ geringem Abrieb an den Förderplanken und damit zu einem

deutlich niedrigeren Wartungsaufwand. Der Wegfall des Rostdurchfall-

förderers erspart Kosten in der Ersatzteilhaltung und -montage und

erhöht die Verfügbarkeit der Ofenanlage.

Fazit

Mit der Entwicklung des POLYTRACK® hat die Polysius AG im hart

umkämpften Markt der Klinkerkühler die technologische Führerschaft

übernommen und ihre Wettbewerbsposition deutlich gestärkt. Viele

innovative Verfahrens- und Konstruktionsdetails ergeben herausra-

gende Eigenschaften, die zu beträchtlichem Kundennutzen führen:

Der POLYTRACK® ist sehr kompakt, robust, verschleißarm und war-

tungsfreundlich. Dadurch erreichte er innerhalb weniger Monate eine

sehr hohe Marktakzeptanz, wertet durch seine strategische Bedeutung

die Polysius-Gesamtanlagen technisch und wirtschaftlich auf und

belebt das Einzelgeschäft.


Kundennutzen

Investitionskosten

Der hohe Förderwirkungsgrad führt dazu, dass der POLYTRACK® als

einziger moderner Klinkerkühler waagerecht installiert werden kann

und damit das kompakteste Aggregat auf dem Markt ist. Daraus

ergeben sich erhebliche Bauhöhenreduzierungen des vorgeschalte-

ten Drehofens und des Vorwärmers und damit Investitionskostenein-

sparungen, die bei Neuanlagen je nach Anlagengröße mehrere

hunderttausend Euro betragen können.

Gegenüber anderen Schubrostkühlern tritt beim POLYTRACK® auf-

grund seines statischen Belüftungsbodens kein Rostdurchfall auf.

Dadurch entfällt der bislang obligatorische, sehr verschleißintensive

Rostdurchfallförderer, und die Kühlerbauhöhe wird weiter reduziert.

Die Vormontage der Module in der Werkstatt | Bild 7 | ist kosten-

günstiger als eine Baustellenmontage, denn Ausrichtarbeiten, Schwei-

ßungen und sonstige Fügearbeiten können zuverlässiger im Eigenferti-

gungsbetrieb ausgeführt werden. Zudem spart der Kunde Montagezeit.

Bei Umbauten, also dem Ersatz eines vorhandenen Klinkerkühlers,

erreicht man zudem kürzere Anlagenstillstände und damit weniger

Produktionsausfall. Durch die kompakte Bauweise des POLYTRACK®

ist es viel besser als bisher möglich, einen Kühler so umzubauen,

dass sich sogar das bestehende Gehäuse wieder benutzen lässt. Das

| Titelbild des Berichts | zeigt ein Beispiel für einen Umbau eines

Wettbewerbskühlers, bei dem das ursprüngliche Kühlergehäuse

weiter im Einsatz verbleibt.

Leistungssteigerung

Oft müssen im Rahmen von Produktionssteigerungen vorhandene

Klinkerkühler ersetzt werden. Da sich aber die Aufstellungsflächen

wegen der bestehenden Anlagenteile im Allgemeinen nicht vergrö-

ßern lassen, stellt der POLYTRACK® durch seine kompakte Bauweise

in vielen Fällen die einzige technisch-wirtschaftliche Lösung dar.

Verfahrenstechnische Eigenschaften

Die gute Belüftung bewirkt einen hohen thermischen Wirkungsgrad:

| Bild 8 | zeigt die Temperaturverteilung über die Breite des Kühlers,

die mittels CFD- (Computational Fluid Dynamics-) Berechnung ermit-

telt wurde. Man erkennt die gleichmäßige Temperaturverteilung in

der Klinkerschicht des POLYTRACK®.

Durch die variable Vorschubgeschwindigkeit der einzelnen Förder-

planken kann man erstmalig ein Querfließen des Klinkers über die

Kühlerbreite erreichen und damit insbesondere einen außermittigen

Abwurf des Ofens kompensieren oder auch Verfrittungen vorbeugen.

Das neue Förderprinzip transportiert feinen sowie groben Klinker mit

wenig Schlupf, und auch bei größten Durchsatzschwankungen der

Klinkermenge wird die gewünschte Klinkerendtemperatur zuverläs-

sig erreicht.

Bild 7 | Installierter POLYTRACK® in einem bestehenden Gehäuse Bild 8 | CFD-Berechnung der Temperaturverteilung [°C] in der Klinkerschicht

Einleitung

Die wesentliche Voraussetzung zur erfolgreichen Vermarktung von

Produkten oder Dienstleistungen kann eigentlich in einem häufig

zitierten Satz zusammengefasst werden:

„Adapt your products to the market requirements“

(„Passen Sie Ihre Produkte den Marktanforderungen an“)

Was für den Anbieter eigentlich nichts anderes bedeutet, als attraktive

Produkte zu entwickeln, die nicht nur den Erwartungen der potenziellen

Käufergruppen entsprechen, sondern auch nachvollziehbare Vorteile

gegenüber herkömmlichen Angeboten darstellen. Natürlich dürfen

auch die Veränderungen der Verbrauchergewohnheiten und die stra-

tegische Positionierung des Unternehmens bei der Entwicklung neuer

Produkte nicht außer Acht gelassen werden.

NovoPort®

Diese und weitere Überlegungen haben nach sehr intensiver Zusam-

menarbeit der beiden zur Novoferm Gruppe gehörenden Unternehmen

tormatic GmbH und Novoferm GmbH mit der Entwicklung des auto-

matischen NovoPort®-Torsystems zu einem zukunftsweisenden Ergebnis

geführt. Dabei wurden die Marktentwicklung und die sich ändernde

Erwartung des Verbrauchers und der Handelspartner in besonderem

Maße berücksichtigt.

Garagentor-Antriebe gehörten aufgrund ihres hohen Preisniveaus

noch vor ca. 20 Jahren zu begehrten Luxusartikeln mit entsprechend

geringer Nachfrage. Die stark wachsende Zahl von Eigenheimen in

Europa, zunehmender Wohlstand und der Wunsch des Verbrauchers

nach Komfortausstattungen im Privatbereich haben im Laufe der

Jahre zu einer deutlich gestiegenen Nachfrage für diese Artikel geführt.

Auf der anderen Seite begründete die Erschließung dieses Wachstums-

marktes durch zahlreiche Hersteller ein stetig sinkendes Preisniveau

in Verbindung mit geringeren Margen. Heute sind automatische

Garagentore vielgefragte Standardausstattungen für Eigenheimbesitzer

geworden, die sogar in Zeiten einer rückläufigen Baukonjunktur jährlich

zweistellige Zuwachsraten erzielen können. Ein wesentlicher Grund ist

der ausgesprochen hohe Bestand an Privatgaragen und das damit

verbundene, interessante Renovierungspotenzial. Allein in Deutsch-

land existieren ca. 3,5 Mio Privatgaragen mit Toren, die älter als

20 Jahre sind. Grund genug, sich diesem Marktsegment intensiv zu

widmen, zumal im Renovierungsbereich die Entscheidung des Käufers

fast ausschließlich zu Gunsten eines automatischen Torsystems ge-

troffen wird.

Das NovoPort®-Torsystem wurde unter Berücksichtigung des bereits

bestehenden, umfangreichen Novoferm-Sektionaltor-Programms mit

dem strategischen Ziel entwickelt, die Stellung des Unternehmens im

Markt als Systemlieferant automatischer Toranlagen für den Privat-

bereich europaweit weiter zu festigen und eine höhere Wertschöpfung

durch die Vermarktung kompletter Torsysteme zu erzielen. Durch patent-

rechtlich geschützte Alleinstellungsmerkmale, die sich für den Ver-

braucher in nachvollziehbarem Nutzen ausdrücken, konnten selbst in

einer für die Baukonjunktur schwierigen Zeit deutliche Zuwachsraten

durch die Übernahme von Wettbewerbsanteilen erzielt werden.

NovoPort® – das innovative Garagentorsystem mit integriertem Antrieb | 6766 |

NovoPort® – das innovative Garagentorsystem mit integriertem Antrieb

ARMIN BECHTLOFF Produktmanagement Torsysteme | Novoferm GmbH, Dortmund

| Gesamtansicht NovoPort®-Garagentor


Da automatische Garagentore im Privatbereich genutzt werden, ist

die Sicherheit besonders wichtig. Eine selbstüberwachende Kraftbe-

grenzung mit 2-Prozessor-Technologie sorgt dafür, dass die in den

neuesten Europäischen Normen geforderten Schließkräfte nicht nur

eingehalten, sondern deutlich unterschritten werden.

Ausblick

Seit der europaweiten Markteinführung des NovoPort®-Sektionaltores

im Oktober 2001 wurden insgesamt ca. 35.000 Einheiten verkauft,

was einer deutlichen Steigerung der Automatisierungsquote bei Sek-

tionaltoren entspricht. Novoferm ist damit seinem Ziel, der führende

Anbieter von automatischen Garagentorsystemen zu werden, ein

bedeutendes Stück nähergekommen | Bild 3 |.

NovoPort® – das innovative Garagentorsystem mit integriertem Antrieb | 6968 | NovoPort® – das innovative Garagentorsystem mit integriertem Antrieb

Anders als bei herkömmlichen, nachträglich automatisierten Toren

können beim integrierten NovoPort®-Antrieb keine Adaptionsprobleme

zwischen Tor und Antrieb entstehen, da alle Komponenten schon in

der Entwicklung exakt aufeinander abgestimmt wurden und als Einheit

zusammengehören, wie der Motor beim Auto | Bild 1 |. Ein laufruhiges,

kompaktes und zuverlässiges System ist das Ergebnis.

Bei der Auswahl für ein automatisches Garagentor sind für den

Verbraucher aber nicht nur die Optik und Funktionsmerkmale interes-

sant. Vielmehr wird seine Entscheidung häufig von einem günstigen

Komplettpreis beeinflusst, bei dem die geringen Montagekosten des

NovoPort®-Torsystems eine entscheidende Rolle spielen. In Anlehnung

an andere Branchen wünscht der Kunde heute darüber hinaus

„all-inclusive“-Angebote, die für ihn die Anschaffung kalkulierbar

machen und vor möglichen, unerwarteten Zusatzkosten schützen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Torantrieben, die abhängig von

der Torgröße ausgewählt und oftmals mit viel Aufwand unter der

Garagendecke und am Sturz montiert werden müssen, wurde mit

dem automatischen NovoPort®-Torsystem ein neuer Weg beschritten,

der die Montage völlig unabhängig von den baulichen Gegebenheiten

in der Garage macht | siehe Titelbild Bericht |. Das Motoraggregat des

Antriebes läuft entlang einem geschützt in der vorhandenen Torlauf-

schiene liegenden Zahnriemen. Dadurch wird nur noch Platzbedarf

für den Einbau des Tores benötigt, und die für herkömmliche Decken-

antriebe erforderliche Schiene entfällt als kosten- und montageintensive

Baugruppe vollständig. Das lästige Bohren und Dübeln in Sturz und

Garagendecke gehört ebenso der Vergangenheit an wie ein entspre-

chender Zusatzaufwand für den Fall, dass die Garagendecke mit

Gipsplatten verkleidet ist oder aus einer Stahlbetonkonstruktion besteht.

Durch die Trennung von Motoraggregat und der an der Garagenwand

in der Nähe der Wandsteckdose befestigten Steuerung vereinfacht sich

der Installationsaufwand beträchtlich. Eine Deckensteckdose wird

nicht mehr benötigt | siehe Titelbild Bericht |. Durch dieses einzigartige

Antriebskonzept, das schon in der Entwicklung die spätere Verarbei-

tung in hohem Maße berücksichtigt, werden die Montagekosten erheb-

lich reduziert, was sich in günstigeren Komplettpreisen gegenüber

Wettbewerbsangeboten bzw. größeren Margen für den Handelspart-

ner ausdrückt.

Die formschöne Steuerung ist serienmäßig mit Anschlussmöglich-

keit für eine Außenbeleuchtung bis 500 W und einem integrierten

Drucktaster ausgestattet. Dies bedeutet neben der komfortablen Be-

dienung einen weiteren Kostenvorteil | Bild 2 |.

Bild 2 | NovoPort®-Steuerungseinheit mit Garagenbeleuchtung

Bild 3 | Entwicklung der Stückzahlen NovoPort® nach „Product launch“ kumuliert

Bild 1 | NovoPort®-Antrieb, integraler Bestandteil der Torkonstruktion

Dieser Erfolg ermutigte uns, im Januar 2003 auf der Messe

„Bau 2003“ in München mit VivoPort® ein automatisches Schwingtor

mit einem integrierten Antrieb einem breiten Publikum vorzustellen.

Das neue Tor, bei dem der Antrieb zukünftig werksseitig komplett auf

dem Torblatt vormontiert sein wird, wurde vom Handel mit Begei-

sterung aufgenommen. Diese konsequente Weiterentwicklung des

mit NovoPort® begonnenen Konzeptes von integriert angetriebenen

Torsystemen für den Privatbereich ist im Mai 2003 europaweit einge-

führt worden.


Stück

40.000

30.000

35.000

25.000

20.000

15.000

10.000

5.000

01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Monate

Einleitung

Das Jahrhunderthochwasser der Elbe in Ost- und Norddeutschland

Mitte 2002 hat auf katastrophale Weise gezeigt: steigende Pegelstände

drücken mit wiederkehrender Regelmäßigkeit Wassermassen auf die

vorhandenen Deiche und Sicherungsanlagen, weichen sie auf, unter-

oder überspülen sie und lassen sie brechen.

Den betroffenen Gemeinden bleibt oft nur der verzweifelte Versuch,

mit meist unzureichenden Mitteln, wie Planen und Sandsäcken, abzu-

dichten, zu verstärken oder aufzuschichten. Zum Jahreswechsel 2003

haben die Wassermassen erneut bedrohliche Ausmaße angenommen

und weitere Schäden angerichtet. Meteorologen prophezeien eine Zu-

nahme dieser extremen Wettersituationen. Die Hochwasserschäden

allein des letzten Jahres betragen mehrere Milliarden Euro. Mit einem

geringen Teilbetrag dieser Summe lassen sich Deiche in den von Hoch-

wasser gefährdeten Gebieten dauerhaft sichern und flexibel erhöhen.

Dadurch kann der Aufwand für Technisches Hilfswerk oder Bundes-

wehr bei Extremsituationen erheblich gesenkt werden.

Ausgangssituation

Seit Jahrhunderten schützen sich Menschen gegen Hochwasser mit

Deichbauten aus Erdreich. Diese Deichbauwerke sind aber häufig nicht

mehr in der Lage, die Menschen dauerhaft und sicher vor den gewal-

tigen Wassermassen zu schützen. Dies liegt zum einen daran, dass

einige der bei der Deichhöhenberechnung zugrunde liegenden Infor-

mationen und Erkenntnisse noch aus dem Beginn des 20. Jahrhun-

derts stammen, zum anderen datieren selbst die Deichbauten aus

dieser Zeit.

Aus heutiger Sicht müssen die Deiche so aufgebaut werden, dass

sie bei allen Lastfällen standsicher sind. Der innere Aufbau eines

Deiches unterteilt sich in 3 Zonen:

durchlässiger Stützkörper, vornehmlich aus Sand,

abgedichtete vorgelagerte Böschungszone aus Lehm oder anderen

kohäsiven Materialien,

stark durchlässiger Filterkörper, der das durchgehende Wasser in

einer Drainage sammelt.

Häufig sind die Dämme nicht so aufgebaut. Speziell ältere Dämme

bestehen aus einem Erddamm, der sich aus beliebigem Material

zusammensetzt. Bei diesen Deichen ist die Gefahr der Unter- und

Durchströmung sehr groß.

Die Ursachen bei Dammbrüchen liegen häufig in der Unterströmung

| Bild 1a | und Überströmung | Bild 1b |. In der Praxis wird die Gefahr

unterschätzt, die bei Durchweichung und Unterströmung des Deich-

körpers entsteht. Durch die Unterströmung kommt es zu Auswaschun-

gen und Sackungen, die die Stabilität des Deiches gefährden und

häufig erst ein Überströmen ermöglichen. Um die Durch- und Unter-

strömung von Deichen und Dämmen zu verhindern, sollte eine Innen-

dichtung in der Mitte des Deiches vorgesehen werden.

Die Basis: Stahl-Spundwände

Basis für den Hochwasserschutz sind Stahl-Spundwände, die sich im

Hafen- und Spezialtiefbau bewährt haben, und die mit modernen Ge-

räten umweltfreundlich und materialschonend eingerammt werden.

Als Deichsicherung ist die Stahl-Spundwand eine wirtschaftliche,

praktikable und dauerhafte Lösung. Dabei ist es unerheblich, ob die

Spundwand direkt beim Deichneubau zum Einsatz kommt oder nach-

träglich eingebaut wird. Gerade aber in der schnellen Deichsanierung

und für den temporären Einsatz bei akuter Hochwasserbedrohung

liegen die Stärken des Spundwand-Systems | Bild 2 |.

Stahl-Spundwände und Aufbaukonstruktionen für Hochwasserschutzsysteme | 71

Stahl-Spundwände und Aufbaukonstruktionen für Hochwasserschutzsysteme

70 |

DIPL.-ING. GODEHARD DREES Geschäftsführung | ThyssenKrupp GfT Bautechnik GmbH, Essen

CHRISTIAN WALTER Geschäftsführung | ThyssenKrupp GfT Bautechnik GmbH, Essen

| Deich mit Innendichtung aus Stahl-Spundwänden

Bild 1a | Unterströmung bei Deichen Bild 1b | Überströmung bei Deichen Bild 2 | Spundwände sichern die Jeetzel beiDannenberg gegen rückstauendes Elbehochwasser


Stahl-Spundwände und Aufbaukonstruktionen für Hochwasserschutzsysteme | 73

Permanentes Glassystem

Stahl-Spundwände lassen sich mit Klinkerverblendungen oberhalb

der Deichkrone dekorativ und entsprechend regionalen Gegebenheiten

verkleiden | Bild 6a |.

Eine ästhetische und gleichzeitig elegante Lösung für den Hoch-

wasserschutz sind bruchsichere Glaswände. Dabei werden von Alu-

miniumstützen gehaltene Verbundsicherheitsgläser auf die eingebauten

Spundwandprofile befestigt. Ohne den Deichquerschnitt zu verändern,

lässt sich so ein idealer Schutz für stark gefährdete Ortskernbereiche

realisieren | Bild 6b |.

Fazit

Das Wesentliche an der Innovation ist eine Systemlösung durch das

Zusammenführen von ingenieurtechnischem Know-how mit modernster

Gerätetechnik und umweltgerechten Materialien. Das bedeutet: Pla-

nung, Statik sowie die Rammpläne werden im eigenen technischen

72 | Stahl-Spundwände und Aufbaukonstruktionen für Hochwasserschutzsysteme

Die Spundwand übernimmt im Deich dichtende, lastabtragende und

stabilisierende Funktionen. Sie verhindert Unterströmungen und gibt

dem Deich auch Stabilität bei wasserseitigem Ausspülen des Bodens.

Sie ist undurchdringbar für Wühltiere und Baumwurzeln und verhin-

dert somit dauerhaft das Entstehen von Sickerwegen. Im Boden ein-

gebracht ist die Spundwand korrosionsunempfindlich, die maximale

Abrostung liegt unter normalen Bedingungen nach EAU (Empfehlungen

des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen, Häfen u. Wasserstraßen)

bei 0,03 mm/Jahr, in 50 Jahren also bei 1,5 mm. Ein weiterer Erfolgs-

faktor für die Spundwand im Deich ist der umweltfreundliche Werk-

stoff Stahl. Er ist homogen, elastisch sowie plastisch mit Trägheits-

reserven und hohen Sicherheiten versehen. Der Werkstoff durchläuft

Qualitätskontrollen, die in den EN-Normen verankert sind. Stahl ist

außerdem zu 100 % recycelbar und somit wiederverwendbar.

Die Spundwand wird als fertiges Produkt geliefert und ist sofort

einsetzbar. Bauliche Veränderungen wie Umsetzen, Tieferrammen,

Aufständern und Anschließen, sind jederzeit möglich. Die Spund-

wand hält problemlos Bewegungen im Deich stand. Risse, wie bei

anderen Baustoffen, sind auch bei Setzungen nicht möglich.

Systemlösung

Aufsatz-Systeme werden immer dann erforderlich, wenn der Wasser-

pegel die Deichkrone erreicht. Je nach örtlichen Gegebenheiten und

Hochwassersituation werden verschiedene Systeme eingesetzt. Aus-

gehend von unsichtbar im Deichkern eingebauten Stahl-Spundwän-

den sorgen Aufsatzkonstruktionen für eine Reihe von Möglichkeiten,

die Sicherheit schnell und flexibel zu erhöhen:

Stahl-Spundwandaufsätze

Hier wird ein modulares, vorgefertigtes Stahlelement bestehend aus

vier Spundwandprofilen, einem U-Profil und Dichtungen auf die mit

einem Holm versehene Spundwand aufgesetzt und mit Spannvor-

richtungen verbunden. Mit dieser einfachen und wasserdichten Kon-

struktion, die beliebig horizontal verlängert werden kann, lässt sich

die Dammkrone um etwa 1,00 m erhöhen.

Deich-Aufsätze aus Stahl-Spundwänden garantieren eine schnelle

und sichere Montage und sind ein preisgünstiges Systemangebot

| Bilder 3a und 3b |.

Aluminiumaufsätze

Zum Schutz der Dammkrone bei drohenden Überströmungen verfügt

ThyssenKrupp GfT Bautechnik über nachmontierbare Systeme, die den

Deich temporär bis zu einer Höhe von 2,40 m über Krone schützen.

Hierfür steht eine Aluminiumkonstruktion zur Verfügung, die mit einer

Kopfplattenbefestigung auf die Stahl-Spundwände aufgesetzt wird.

Die Alu-Profile zeichnen sich sowohl durch leichte Handhabung

und Montage als auch durch einen geringen Platzbedarf für die

Lagerung aus und sind robust bei gleichzeitig hoher Stabilität und

Dichtigkeit | Bilder 4a und 4b |.

Aqua-Damm

Der Aqua-Damm ist eine temporäre Dammwand zum schnellen Auf-

bau bei Hochwasser. Als Ersatz für Sandsäcke ist die Wand schneller

und wirtschaftlicher einsetzbar. Die Konstruktion besteht aus einem

A-förmigen Kunststoffteil mit abgewickeltem Fußauflager, hergestellt

aus glasfaserverstärktem, ungesättigtem Polyesterharz | Bild 5 |.

Eine Spreizbremse aus Stahl bildet die solide Unterkonstruktion. Der

Aqua-Damm wird in einer Länge von 2,20 m und einer Höhe von

1,00 m geliefert. Die Elemente werden beliebig aneinander gesetzt.

Gedichtet wird das Dammsystem mit einer aufgelegten wasserdich-

ten, UV-beständigen Folie. Die Elemente lassen sich nach Einsatz

leicht abtransportieren, hervorragend reinigen und können zügig und

platzsparend verstaut werden. Eine 100 m lange Dammwand kann in

1,5 Stunden von 2 Personen ohne Kraneinsatz aufgebaut werden.

Bild 3a | Deichquerschnitt mit Deich-Aufsätzen aus Stahlspundwänden

Bild 3b | Deich-Aufsätze aus Stahlspundwänden Bild 6b | Verkleidete Spundwand mit aufgeständertenGlasplatten

Bild 4a | Deichquerschnitt mit Aluminium-System zur Deicherhöhung

Bild 4b | Aluminium-System zur Deicherhöhung

Büro aus einer Hand ausgearbeitet. Darüber hinaus ermöglicht die

moderne Gerätetechnik ein schonendes und umweltfreundliches Ein-

bringen der Spundwände. Für den Einbau in Deichen haben sich in

eigener Fertigung hergestellte Hochfrequenzvibratoren mit resonanz-

freiem An- und Auslauf sowie Hydraulikpressen bewährt. Der um-

weltgerechte Werkstoff Stahl ist ein weiterer, zusätzlicher Erfolgs-

faktor.

Mit den Systemen auf Basis der Spundwandtechnik bietet

ThyssenKrupp GfT Bautechnik komplette Lösungen für den Hoch-

wasserschutz, sowohl für die dauerhafte Sicherung von Deichen als

auch für den temporären Einsatz bei akuter Bedrohung. Die für die

unterschiedlichen Hochwassersituationen entwickelten Systeme

machen ThyssenKrupp GfT Bautechnik zu dem führenden Komplett-

anbieter im Hochwasserschutz. Die Spundwand-Basiskonstruktion

hat sich, mit und ohne Aufsatzsysteme, bei zahlreichen Projekten in

der Praxis bewährt | Bild 7 |.

Bild 5 | Aqua-Damm

Bild 7 | Der Deich zum Schutz der Ortslage Osmarsleben

Bild 6a | Verkleidete Spundwand mit Klinkermauer verblendet


Einführung

ThyssenKrupp Materials France ist im Lager- und Dienstleistungsgeschäft

mit Edelstählen und NE-Metallen in Frankreich tätig. 19 Verkaufsnieder-

lassungen, die mit mehreren zentralen Lägern elektronisch verbunden

sind, erwirtschaften einen Jahresumsatz von 400 Millionen Euro. Es

werden ca. 700 Mitarbeiter beschäftigt. Bei Werkzeugstählen ist das

Unternehmen in Frankreich Marktführer und arbeitet mit zahlreichen

spezialisierten Verarbeitern zusammen, die pulvermetallurgisch

erzeugte Stähle, Kaltarbeits-, Kunststoffformen- und Warmarbeits-

stähle einsetzen. Für diesen Kundenkreis wird ein umfangreiches

Lagerprogramm vorgehalten. Hinzu kommen Dienstleistungen

nach individuellen Vorgaben der Kunden. Waren es früher haupt-

sächlich Zuschnittdienste, so bietet ThyssenKrupp Materials France

inzwischen auch wesentlich weitergehende Leistungen, wie Fräsen,

Bohren und Tiefbohren von Werkzeugstählen nach Kundenzeich-

nungen, an | Bild 1 |.

1997 wurde ein Projektteam „Neue Werkzeugstähle“ gegründet,

das aus den Metallurgen Gèrard Krämer (Technischer Direktor) und

Bertrand Rémi (Technischer Direktor) sowie den Produktmanagern

Yves Metzger (Verkaufsdirektor Langprodukte) und Christian Sergent

(Verkaufsdirektor) von ThyssenKrupp Materials France besteht. Die

Gesellschaft verfügt über umfangreiches Know-how und betreibt

seit 20 Jahren in Maurepas ein eigenes Labor | Bild 2 |. Das Pro-

jektteam wurde während seiner mehrjährigen Arbeit von weiteren

Experten aus dem Unternehmen unterstützt. Ziel der Projektarbeit

war es, Werkzeugstahlgüten für spezifische Einsatzzwecke zu opti-

mieren bzw. neu zu entwickeln. Die Optimierung betraf Verände-

rungen in den Legierungskombinationen. Dadurch sollten wesentli-

che metallurgische Vorteile sowie Vorteile der Wirtschaftlichkeit für

die daraus herzustellenden Werkzeuge erreicht werden.

Während die von breiten Anwenderkreisen in Standardgüten ein-

gesetzten Werkzeugstähle seit Mitte der 90er Jahre zunehmend in

einen nationalen und internationalen Preis- und Mengenwettbewerb

gerieten und somit die Marktstellung und Rentabilität des Lagerhalters

ThyssenKrupp Materials France beeinträchtigten, bieten Werkzeug-

stähle für spezifische Einsatzzwecke und exakt definierte Beanspru-

chungen Chancen für bessere Produkt- und Geschäftsergebnisse. Aus

Sicht eines Handelshauses mit laufenden hohen Aufwendungen für

eigene Lagerhaltung, Kapitalbindung und Marketing verstärken sich die

Alleinstellungsmerkmale durch Produktgüten, über die die Wettbewerber

im Markt nicht in entsprechendem Umfang verfügen. Durch speziell ent-

wickelte Güten können Geschäftsverbindungen zu maßgeblichen Verar-

beitern von Werkzeugstählen gesichert und ausgebaut werden.

Bis heute sind vom Projektteam 15 neue Stahlgüten entwickelt

worden. Dabei bestand eine enge Zusammenarbeit mit Partnerwerken,

insbesondere hinsichtlich Probeschmelzungen und Materialtests

sowie für die Herstellung von Kundenmustern. Inzwischen ist rund

die Hälfte der neuen Stahlgüten europaweit oder zumindest für den

französischen Markt patentiert worden. Im abgelaufenen Geschäftsjahr

hat ThyssenKrupp Materials France mit den neu entwickelten Stahlgüten

bereits einen Umsatzanteil von 13 % am Gesamtgeschäft der Werk-

zeugstähle erzielt. Der Bruttogewinn aus diesen Geschäften lag über

dem Durchschnitt im Lagergeschäft.

Der vorliegende Beitrag dokumentiert in Kurzform Eigenschaften,

Einsatzgebiete und Vorteile der neu entwickelten Stahlgüten, soweit

sie patentrechtlich geschützt sind.

Werkzeugstähle als verarbeiterorientierte Neuentwicklungen | 75

Werkzeugstähle als verarbeiterorientierte Neuentwicklungen

74 |

DR. RER. POL. CLAUS ALGENSTAEDT Abteilungsdirektor Zentrales Marketing | Thyssen Schulte GmbH, Düsseldorf

YVES METZGER Verkaufsdirektor Langprodukte | ThyssenKrupp Materials France S.A.S., Maurepas/Frankreich

Bild 1 | Sägeanlage, Lager Maurepas, mit pulvermetal-lurgisch hergestelltem Block aus neuer Stahlgüte TSP 6

| Presswerkzeug für die Pulververdichtung aus TSP 8

Bild 2 | Metallurgisches Labor Maurepas, genutzt für Untersuchungen zur Kundenberatung


Kaltarbeitsstähle

Die Einsatzbreite für Kaltarbeitsstähle ist besonders groß und umfasst

die Anwendungsgebiete Stanzen, Schneiden, Scheren ebenso wie

Prägen, Umformen, Tiefziehen, Walzen, Abkanten etc. Hier steht der

Werkzeugbau speziellen Anforderungen hinsichtlich Verschleißbestän-

digkeit, Härte, Zähigkeit und Zerspanbarkeit gegenüber. Dieser Bereich

des Werkzeugbaus ist ein Arbeitsfeld, dem sich das Projektteam be-

sonders gewidmet hat, weil längere Standzeiten, hohe Stückzahlen

und kurze Taktzeiten wesentliche Vorteile für die Verarbeiter von

Werkzeugstählen bedeuten.

Mit der Stahlgüte FOR 821 ESR hat ThyssenKrupp Materials France

unter Verwendung des Elektroschlacke-Umschmelzens (engl. ESR:

Electroslag Refining) auf metallurgischem Wege einen speziellen Kalt-

arbeitsstahl mit stabilen, ausgewogenen Matrixeigenschaften entwickelt

| Bild 5 |. Er kombiniert die charakteristischen Eigenschaften der 5%igen

Chromstähle [Werkstoffnummer 1.2363 (AISI A2)] und der 12%igen

ledeburitischen Chromstähle [Werkstoffnummer 1.2379 (AISI D2)].

Wesentliche Vorteile sind die feinere Struktur der Karbide und die

Gefügegleichmäßigkeit. FOR 821 ESR verbindet hohe Härte mit guter

Zähigkeit und zeichnet sich darüber hinaus durch hervorragende

Härtbarkeit – auch bei Stickstoffabschreckung im Vakuumofen – aus.

Werkzeugstähle als verarbeiterorientierte Neuentwicklungen | 7776 | Werkzeugstähle als verarbeiterorientierte Neuentwicklungen

Pulvermetallurgisch erzeugte Stahlgüten

Die pulvermetallurgische Herstellung von Stahlgüten bietet Möglich-

keiten, die beim konventionellen Erschmelzen von Stahl nicht gegeben

sind. Durch das Verdüsen von Pulver entstehen Legierungen, die

eine weitgehende Beherrschung der Seigerungsproblematik bieten.

Im speziellen Fall, der vom Projektteam genutzt wurde, ergibt sich

eine besonders homogene Mikrostruktur und perfekte Isotropie und

damit eine Beeinflussung der Karbide in Größe, Form und Verteilung.

Hieraus resultieren Leistungsmerkmale für die hochlegierten Stahlgü-

ten, die bei der Herstellung von Werkzeugen zu der gewünschten

Verbesserung der Basiseigenschaften entscheidend beitragen.

Bei höchstem Verschleißwiderstand weisen die neuen Güten eine

extreme Zähigkeit auf, die für Schneid- oder Kaltumformwerkzeuge

von großem Vorteil ist. Sie lassen sich gut bearbeiten und haben ein

hervorragendes Schleifverhalten. Ihre Gebrauchshärte bleibt auch bei

Anlasstemperaturen bis zu 600 °C erhalten. Die aus diesen Stählen

hergestellten Werkzeuge zeichnen sich durch eine wesentlich höhere

Lebensdauer (Standzeit) aus als die Schnellarbeitsstähle, die aus kon-

ventioneller Herstellung stammen. Für die Hersteller von Werkzeugen

liegen die Vorteile des Einsatzes der patentierten Stahlgüten von

ThyssenKrupp Materials France darüber hinaus vor allem in den hervor-

ragenden Gebrauchseigenschaften und der hohen Wirtschaftlichkeit.

Die unter TSP (Thyssen Stahl Pulvermetallurgie) im Markt einge-

führten, pulvermetallurgisch erzeugten und durch ThyssenKrupp

Materials France optimierten Werkzeugstähle sind in ihrer chemischen

Zusammensetzung aus der Tabelle ersichtlich | Bild 3 |.

TSP 0 ist eine aushärtbare Stahlgüte mit guter Beständigkeit gegen

Verschleiß, Härteverlust bei hohen Temperaturen sowie guten Werten

hinsichtlich Formbeständigkeit und Kühlbarkeit für Anwendungen,

bei denen der Werkstoff erwärmt werden und hohen mechanischen Be-

anspruchungen standhalten muss, z.B. bei der Herstellung von Ventilen

im Gesenkschmiedebetrieb. Diese Eigenschaften wurden durch geziel-

tes Hinzulegieren von Kobalt und Molybdän erreicht. Der niedrige Gehalt

an Kohlenstoff und Silizium wirkt sich positiv auf die Zähigkeit aus.

TSP 1 ist ein Semi-Schnellarbeitsstahl mittlerer Gehalte an Legie-

rungselementen, der für die Herstellung von halbwarm arbeitenden

Schmiedewerkzeugen geeignet ist, aber auch für Kaltumformwerk-

zeuge, besonders wenn sie groß dimensioniert sind. Entsprechendes

gilt für PVD- und CVD-Beschichtungen sowie Salzbad-, Gas- oder

Plasmanitrieren. Diese Stahlgüte zeichnet sich durch sehr hohe

Zähigkeit aus. Weitere Vorteile sind hoher Verschleißwiderstand und

hohe Warmhärte als Ergebnis der speziellen Legierungskombination

durch Zusatz von Niob, Vanadium und Kobalt.

TSP 6 ist ein Hochleistungs-Schnellarbeitsstahl | Bild 3 |, der für

Werkzeuge besonders geeignet ist, die bei harten und verschleißend

wirkenden Materialien zur Bearbeitung eingesetzt werden, wie:

Zerspanwerkzeuge für stark abrasiv wirkende Materialien,

Abstech- und Automatendrehwerkzeuge,

Fräswerkzeuge mit hoher Leistungsfähigkeit und thermischer

Belastbarkeit.

Die Vorteile von TSP 6 liegen in hervorragender Schnitthaltigkeit,

hohem Verschleißwiderstand sowie ausgezeichneter Warmhärte und

sind durch den speziellen Legierungsgehalt an Wolfram, Vanadium

und Kobalt bedingt.

TSP 8 ist ein Werkzeugstahl, der vor allem für den Einsatz in der

Fertigung von Presswerkzeugen | s. Titelbild Bericht | sowie zum

Schneiden von hochabrasiven Materialien, z.B. Papier, Karton oder

glasfaserverstärkten Kunststoffen, entwickelt worden ist. Der hohe

Gehalt an Vanadium und Niob | Bild 3 | sichert den ausgezeichneten

Verschleißwiderstand bei guter Zähigkeit. | Bild 4 | zeigt die Eigen-

schaften der pulvermetallurgisch erzeugten Werkstoffgüten TSP im

Vergleich zu konventionell erzeugten Werkzeugstählen.

Güte Patent Chemische Zusammensetzung – Richtwerte in %

C Cr Mo V W Co Nb

TSP 0 Frankreich � 0,05 � 0,50 19,5 � 0,2 � 1,0 30,5 –

TSP 1 Europa 0,80 6,2 3,0 1,1 – 3,0 1,0

TSP 4 1,30 4,3 4,8 4,1 5,4 – –

TSP 5 1,60 4,8 2,3 5,1 10,0 7,9 –

TSP 6 Europa 1,85 4,8 4,8 6,3 18,5 5,8 –

TSP 8 Frankreich 2,40 6,2 3,0 8,0 – � 0,8 1,8

TSP 30 1,30 4,3 5,0 3,2 6,3 8,5 –

Bild 3 | Übersicht über die neu entwickelten, pulvermetallurgisch erzeugten Werkzeugstähle mit Richtanalysen


Güte Patent Chemische Zusammensetzung – Richtwerte in %

C Si Mn S Cr Mo V Nb

FOR 821 ESR Europa 1,10 0,90 0,40 � 0,005 8,25 2,15 0,30 –

ADS 331) Europa 0,18 0,10 1,80 � 0,005 2,20 0,45 – 0,12

ADS 381) Europa 0,18 0,10 1,80 � 0,005 2,20 0,45 – 0,12

ADS 40 VAR2) 0,18 0,20 1,80 � 0,005 � 0,30 0,40 – –

ADS 40 ESR2) 0,18 0,20 1,80 � 0,005 � 0,30 0,40 – –

SPAL 38 0,37 0,30 0,30 � 0,005 5,10 1,35 0,45 –

SPAL 36 ESR 0,35 0,25 0,30 � 0,005 5,10 1,35 0,50 –

FORAL 390 ESR 0,38 0,16 0,35 � 0,003 5,20 1,50 0,50 –

1) Bor-Gehalt: 0,0025; Nickel-Gehalt: � 0,202) Nickel-Gehalt: 3,00; Kupfer-Gehalt: 1,10

Bild 5 | Übersicht über die weiteren, neu entwickelten Werkzeugstähle einschließlich Richtanalysen

1.2550

1.2363 1.3343

1.2379

FOR 821

TSP 1

TSP 4

TSP 5

TSP 30

TSP 8

Zähi

gkei

t

Verschleißwiderstand

Pulvermetallurgisch erzeugte Stähle Konventionell erzeugte Stähle

Bild 4 | Vergleich der neuen, pulvermetallurgisch erzeugten Werkstoffgüten TSP mit konventionell erzeugten Stählen hinsichtlich Zähigkeit und Verschleißwiderstand

Hinsichtlich der Schweißbarkeit weist ADS 33 attraktive Eigenschaften

auf, die zum Reparierschweißen und Aufschweißen besonders von

Interesse sind: durch einfaches Anlassen (Aushärtung-Wärmebehand-

lung) werden die Eigenschaften von ADS 33 in der Schweißzone wie-

der zum ursprünglichen Zustand gebracht.

ADS 38 ist eine Variante von ADS 33 mit höheren Härtewerten

(38 HRC) durch eine speziell angepasste Wärmebehandlung. Der

höhere Härtewert führt dazu, dass eine bessere Druckfestigkeit erreicht

wird, ohne dass die übrigen Vorteile von ADS 33 beeinträchtigt werden.

Warmarbeitsstähle

Die hier entwickelten neuen Güten sind im Werkzeugformenbau beson-

ders geeignet für die spanlose Formgebung, wenn lange Standzeiten

der Formen und entsprechend hohe Wirtschaftlichkeit gefordert sind.

Warmarbeitsstähle müssen durch Merkmale wie Temperaturwechsel-

beständigkeit, hoher Verschleißwiderstand, hohe Warmfestigkeit,

Warmzähigkeit und Anlassbeständigkeit gekennzeichnet sein.

Die von ThyssenKrupp Materials France in der Einsatzmatrix gezielt

auf die Verarbeiterbedürfnisse veränderten Güten weisen als 5%ige

Chromstähle eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit

auf. Ein besonderer weiterer Vorteil ist die gute Beständigkeit gegen

Warmrissempfindlichkeit.

Bisher wurden drei neue Güten entwickelt. Während SPAL 38

als Basisgüte ausgeprägt ist, können die Güten SPAL 36 ESR und

FORAL 390 ESR | Bild 5 | vor allem in kritischen Anwendungsbereichen

eingesetzt werden, wie z.B. zur Herstellung von Werkzeugen im Ge-

senkschmiede- und Druckgussbereich.

Fazit

Die mehrjährigen Eigenentwicklungen durch das Projektteam

„Neue Werkzeugstähle“ haben zu einer Stärkung der Geschäftsver-

bindungen von ThyssenKrupp Materials France geführt. Neben den

spezifischen Werkstoffeigenschaften wirken sich vor allem die Vorteile

der höheren Einsatz- und Prozesswirtschaftlichkeit der neuen Stahlgü-

ten positiv auf die Zusammenarbeit mit den Kunden aus (Alleinstel-

lungsmerkmal). Die Entwicklungskosten sind inzwischen durch die

erhöhten Bruttogewinne aus den steigenden Lieferungen der neu-

en Werkstoffgüten mehr als überkompensiert worden.

Die Markteinführung der neuen Stahlgüten war durch intensive

Beratungsgespräche mit den Experten der Verarbeiterbetriebe ver-

bunden. Darüber hinaus wurden vielfältige Maßnahmen im technischen

und kundenorientierten Marketing von ThyssenKrupp Materials France

eingesetzt. Seit geraumer Zeit hat auch Thyssen Edelstahl Service,

Krefeld, als Spezialanbieter und Dienstleister die neuen Werkzeugstähle

von ThyssenKrupp Materials France ins Lager- und Verkaufsprogramm

übernommen. Entsprechendes gilt für die Tochterunternehmen, u.a. in

Portugal, Spanien, der Schweiz, Österreich und in den Benelux-Ländern.

Für die patentierte Kaltarbeitsstahlgüte FOR 821 ESR gibt es eine

Vereinbarung, nach der Edelstahl Witten-Krefeld (EWK) die Güte selbst

produzieren kann. Der Verkauf erfolgt jedoch nur über die Gesellschaf-

ten der ThyssenKrupp Materials AG. Gespräche über die Übernahme

von weiteren, neu entwickelten Güten in das EWK-Produktionspro-

gramm sind angelaufen.

Werkzeugstähle als verarbeiterorientierte Neuentwicklungen | 7978 | Werkzeugstähle als verarbeiterorientierte Neuentwicklungen

Weitere Vorteile sind hohe Druckfestigkeit und hoher Verschleißwider-

stand ebenso wie sehr gute Anlassbeständigkeit mit Härten > 60 HRC

bei Anlasstemperaturen von über 500 °C und gute Maßhaltigkeit bei

der Wärmebehandlung. Weitere gute Resultate werden hinsichtlich

Weichbearbeitbarkeit und Schleifbarkeit erzielt.

Durch die ausgezeichneten mechanischen Werkstoffeigenschaften

von FOR 821 ESR | Bilder 6 und 7 | ist dieser Kaltarbeitsstahl im

Werkzeugbau – vor allem für Kaltumformung, Schneiden und Stanzen –

gut einsetzbar:

Schnittwerkzeuge (Stempel, Matrizen)

Abscherwerkzeuge

Profil- und Lochstempel

Kaltumformwerkzeuge (Ziehwerkzeuge, Tiefziehwerkzeuge,

Kaltfließpressstempel, Matrizen)

Riffelwerkzeuge

Gewindewalzrollen und Gewindewalzbacken

Messer und Messerwerkzeuge

Holzbearbeitungswerkzeuge

Sendzimierwalzen

Richtwalzen und Richtrollen.

Kunststoffformenstähle

Hohe Standzeiten, hervorragende Wärmeleitfähigkeit, guter Verschleiß-

widerstand, hohe Maß- und Formstabilität, Härte und Druckfestigkeit

– das sind einige der ständig wachsenden Anforderungen, die der

Kunststoffformenbau heute an die einzusetzenden Werkzeugstähle

stellt. Das Projektteam von ThyssenKrupp Materials France hat diese

wachsenden Anforderungen des Formenbaus aufgegriffen und schritt-

weise drei neue Güten für den Einsatz in dieser Branche entwickelt.

Davon sind die Güten ADS 33 und 38 europaweit patentiert worden

| Bild 5 |.

Mit einer Härte von 33 HRC ist ADS 33 eine aushärtbare Stahlgüte

mit reduziertem Kohlenstoff-Anteil. Wesentlich ist, dass die Härte-

vorgänge der Bor-Mischkristalle kombiniert zusammen mit den Niob-

Ausscheidungen erfolgen. ADS 33 ist durch folgende Merkmale

gekennzeichnet:

ausgezeichnete Ätz- und Polierfähigkeit, da keine auffallenden

Seigerungen mehr eintreten,

hervorragende Druckfestigkeit,

gleichmäßige Härte über alle Querschnitte,

bessere Bearbeitbarkeit beim Bohren und Fräsen,

gute Senkerodierbarkeit,

gute Ergebnisse beim Nitrieren, PVD-Beschichten und Hartchromen.


Cha

rpy-

Sch

lagb

iege

wer

te [

J/cm

2 ]

80

60

40

20

0

Härte [HRC]

54 56 58 60 62 64

Bild 7 | Kerbschlagzähigkeit in Abhängigkeit von der Härte der neu entwickelten Stahlgüte FOR 821 ESR im Vergleich zu Standardgüten

50

52

54

56

58

60

62

64

66

300200nurgehärtet

400 500 600

Anlasstemperatur [°C]

Här

te [

HR

C]

FOR 821

DIN 1.2379 (AISI D2)

Bild 6 | Anlasskurven für FOR 821 ESR: Abhängigkeit der Härte HRC von der Anlasstemperatur bei der jeweiligen Härtetemperatur

Härtetemperatur 1030 °C

FOR 821

AISI A2 (DIN 1.2363)

AISI D2 (DIN 1.2379)

Einleitung

Die anhaltende Konjunkturflaute erhöht den Effizienz- und Wettbewerbs-

druck auf produzierende Unternehmen. Um die Kosten zu senken und

sich somit Wettbewerbsvorteile zu verschaffen, konzentrieren sich die

Unternehmen daher immer stärker auf das, was sie besser können als

andere – auf ihr Kerngeschäft, die Herstellung von Produkten. Aus

diesem Grund werden vermehrt Einzelteile von Zulieferern hergestellt

und nur noch zur Endmontage an den Produzenten geliefert. Dadurch

entsteht ein erhöhter Logistikaufwand von Zulieferteilen, die - je nach

Branche - in speziellen Behältnissen, sogenannten Kleinladungsträgern

| Bild 1 |, transportiert werden. Diese Kleinladungsträger, die meist aus

Kunststoff bestehen, werden häufig durch Zwischenlagen, Formteile,

Deckel, Kunststoffpaletten etc. | Bild 2 | komplettiert. Aufgrund der

großen Vielfalt an Zulieferteilen können sich die einzelnen Ladungsträger

und Einsätze erheblich voneinander unterscheiden. So handhabt die WIG

Industrieinstandhaltung, ein Unternehmen der ThyssenKrupp Serv,

acht verschiedene Ladungsträgertypen und über 150 verschiedene

Zwischenlagen und Formteile alleine an ihrem Standort in Remseck.

Das Problem

Die Sortierung, Reinigung, Lagerung, Kommissionierung, Konfektio-

nierung und zeitgerechte Bereitstellung der Kleinladungsträger mit

den entsprechenden Zwischenlagen und Formteilen ist personal-, zeit-

und kostenintensiv. Eine besondere Herausforderung stellt in diesem

Zusammenhang die Reinigung der Kleinladungsträger, Zwischenlagen

und Formteile dar. Da diese während ihres Einsatzes oft stark ver-

schmutzt werden (z.B. durch Öl, Staub und Produktionsrückstände),

bedürfen sie einer regelmäßigen Reinigung. Häufig lohnt sich jedoch

für einzelne Firmen die Investition in eigene, automatische Waschanla-

gen nicht. Die Auslastung der Anlagen wäre durch die Kleinladungs-

träger einer einzigen Firma nicht sichergestellt.

Die Lösung

Um ihre Kunden von diesem nicht-wertschöpfenden Aufwand zu ent-

lasten, bietet die WIG Industrieinstandhaltung ihren Industriekunden

eine neue Systemdienstleistung rund um das Handling von Kleinla-

dungsträgern an. Dabei werden alle anfallenden Arbeitsschritte von

der Sortierung und Reinigung über die Lagerung bis hin zur Kommis-

sionierung, Konfektionierung und zeitgerechten Bereitstellung der

Kleinladungsträger inklusive der Dokumentation übernommen. Der

Kunde zahlt hierfür lediglich einen Festpreis pro Kleinladungsträger.

Die Systemdienstleistung

Sofort nach der Anlieferung werden die Kleinladungsträger zunächst

nach Behältnistypen, Deckeln, Einsätzen und Sauberkeitsanforderungen

sortiert. Anschließend erfolgen Reinigung, Spülung und Trocknung

sowie Qualitätskontrolle. Für Sonderbehälter, die aufgrund ihrer Größe

nicht automatisch gereinigt werden können, steht ein mit Spritzpistolen

ausgerüsteter Handwaschplatz zur Verfügung. Abschließend werden

alle Behältnisse und Flachteile erneut sortiert, auf Paletten gestapelt

und eingelagert. Um die gereinigten Behälter und Teile zu schützen,

werden diese mit Hilfe einer Stretchmaschine automatisch mit PVC-

Folie umwickelt.

Den gereinigten Ladungsträgern wird von einer Lagerverwaltungs-

software der WIG Industrieinstandhaltung ein Platz im Regal- oder

Blocklager | Bild 3 | zugeordnet, parallel werden sie über einen Online-

Anschluss in die Bestandsverwaltung des Kunden eingegeben. Erfolgt

eine Bedarfsmeldung des Kunden an die WIG Industrieinstandhal-

tung, wird das geforderte Teilespektrum dem Lager entnommen, zum

Versand bereitgestellt und erst jetzt dem Kunden berechnet. Zum Rund-

um-Service der WIG Industrieinstandhaltung gehört natürlich – falls

erforderlich – auch die Entsorgung unbrauchbar gewordener Kleinla-

dungsträger.

Systemdienstleistungen rund um Kleinladungsträger für Industriekunden | 81

Systemdienstleistungen rund um Kleinladungsträger für Industriekunden

80 |

DIPL.-ING. DIRK BARTELS Unternehmensentwicklung | WIG Industrieinstandhaltung GmbH, Köln

HARDY SCHWEIGL Geschäftsleiter Niederlassung | WIG Industrieinstandhaltung GmbH, Stuttgart

DIPL.-PSYCH. SABINE STOFFELS Marketing | WIG Industrieinstandhaltung GmbH, Köln

| Rhönradanlagen zur Reinigung von Kleinladungsträgern

Bild 1 | Kleinladungsträger vor und nach der Reinigung Bild 2 | Zwischenlagen und Deckel von Kleinladungsträgern


Fazit

Die neu entwickelten Waschanlagen erzielen eine höhere Qualität be-

züglich Sauberkeit und Trocknung der Kleinladungsträger als alle bis-

her bekannten Reinigungsmethoden. Des Weiteren ergeben sich

für die Kunden nennenswerte Kosteneinsparungen, da sie nicht in

eine Waschanlage investieren müssen und sie darüber hinaus von

Lagerhaltungs- und entsprechenden Personalkosten befreit werden.

Die WIG Industrieinstandhaltung ist in der Lage, diese Systemdienst-

leistung wirtschaftlich anzubieten, da sie die Aufträge mehrerer

Kunden an einem Standort ausführt. Auf diese Weise kann die Auslas-

tung sowohl der Waschanlagen als auch der Mitarbeiter gewährleistet

werden. Ursprünglich wurden die automatischen Waschanlagen für

einen speziellen Großkunden entwickelt, jedoch erfreut sich diese

Systemdienstleistung inzwischen einer immer größeren Nachfrage –

bedingt durch den verstärkten Outsourcing-Trend in der produzierenden

Industrie und die dadurch wachsende Bedeutung von Transportbe-

hältnissen. So hat die WIG Industrieinstandhaltung zwischenzeitlich

sogar die Reinigung von Kleinladungsträgern übernommen, die ein-

mal wöchentlich aus der Türkei und aus Frankreich angeliefert werden.

82 | Systemdienstleistungen rund um Kleinladungsträger für Industriekunden

Die Reinigungstechnik

Die Reinigung der Kleinladungsträger erfolgt in drei vollautomatischen

Waschanlagen, die von der WIG Industrieinstandhaltung mit Hilfe eines

Ingenieurbüros entwickelt und gebaut wurden. Die mit SPS-Steuerungen

ausgestatteten Waschanlagen sind Eigentum der WIG Industriein-

standhaltung und werden von ihr auf eigene Kosten betrieben.

Zwei Rhönradanlagen | siehe Titelbild Bericht | dienen der Reinigung

der Kleinladungsträger, eine Vierspurdurchlaufanlage reinigt Deckel, Zwi-

schenlagen, Formteile, Euro-Paletten und sonstige Flachteile | Bild 4 |.

Der Zu- und Abtransport der Kleinladungsträger erfolgt dabei auto-

matisch über Förderbänder.

Die Waschanlagen verfügen über einen geschlossenen Wasserkreis-

lauf. Das anfallende Schmutzwasser wird innerhalb dieses Kreislaufs

zunächst durch einen Bandfilter vorgereinigt. In einer Zwischenstufe

wird die vorgereinigte Waschflüssigkeit dann durch eine Ultrafiltrations-

anlage geleitet. Nach der abschließenden Reinigung in einer Vakuum-

verdampfungsanlage erhält das Wasser wieder Trinkwasserqualität

und steht somit dem Reinigungsprozess erneut zur Verfügung. Dank

dieses geschlossenen Systems kann die Einspeisung von Frischwasser

auf ein Minimum reduziert und die Anlage umweltverträglich betrie-

ben werden. Die Waschanlagen wurden in einer 3.500 m2 großen

Halle installiert, in der sich zusätzlich noch Lagerplätze für ca. 3.700

Paletten befinden.

Bild 3 | Eingelagerte Kleinladungsträger und Formteile Bild 4 | Bestückung der Durchlaufanlage zur Reinigung von Flachteilen


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