Technische Sauberkeit in der Refabrikation

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1 Technische Sauberkeit in der Refabrikation Von der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften der Universität Bayreuth zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Stefan Schweinstig aus Berlin-Spandau Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel Tag der mündlichen Prüfung: Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik Universität Bayreuth 2012

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3 Geleitwort der Herausgeber Das erfolgreiche Industrieunternehmen von heute ist ein aktives Element der global zunehmend vernetzten Welt. Mit hohem Innovationstempo steigern neue Märkte und Technologien die Arbeitsanforderungen, vergrößern neue Werkstoffe und Verfahren, die Informationstechnik und ein Wertewandel der Kundenwünsche aber auch die Gestaltungund Entfaltungsmöglichkeiten des Ingenieurs. Die Konstruktion ist die Königsdisziplin des Ingenieurs. Die Produktion ist die technische Dienstleistung am König Kunde. Beide Aufgabenfelder zusammengenommen bilden den Kern des industriellen Wertschöpfungsprozesses. Mit der hier vorgelegten Reihe "Fortschritte in Konstruktion und Produktion" ist es den Herausgebern ein Anliegen, Beiträge von wissenschaftlicher Seite zu fördern, die durch Entwicklung neuer Denkansätze, methodischer Vorgehensweisen und zugehöriger Instrumente die Leistungsfähigkeit der industriellen Wertschöpfung verbessern und erweitern. Nicht nur technische Lösungen, sondern auch ökonomische, ökologische und soziale Fortschritte stehen hierbei im Blickpunkt oder zumindest am Horizont. Hierfür bietet die Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften mit ihrer interdisziplinären Ausrichtung und Einbindung in die Universität Bayreuth ein glückliches Umfeld. Das Engagement der beiden Herausgeber ist dort vertreten als - Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD - Lehrstuhl für Umweltgerechte Produktionstechnik.

4 Mögen also die von uns betreuten Dissertationen, die in dieser Buchreihe erscheinen, zu den wünschenswerten Fortschritten in Konstruktion und Produktion beitragen. Den Autoren der einzelnen Bände dieser Reihe sei für Ihre wissenschaftliche und redaktionelle Arbeit gedankt, den Lesern wünschen wir eine interessante Lektüre und hoffentlich manch wertvolle Anregung für eine erfolgreiche Anwendung der Forschungsergebnisse in ihrer beruflichen Praxis. Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper

5 Vorwort Vorwort Diese wissenschaftliche Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation am Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth. Im Rahmen meiner Tätigkeiten in zahlreichen Industrie- und Forschungsprojekten ergab sich die notwendige Basis zur erfolgreichen Ausarbeitung meiner Dissertation, ohne welche diese Arbeit so nicht hätte entstehen können. An erster Stelle danke ich Herrn Professor Dr.-Ing. Rolf Steinhilper, Doktorvater meiner Arbeit und Ordinarius des Lehrstuhls Umweltgerechte Produktionstechnik sowie Leiter der Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation, für die Möglichkeit zur Promotion an seinem Lehrstuhl. Besonders zu erwähnen sind die Gewährung einer umfassenden wissenschaftlichen Freiheit und die konsequente Wegweisung im Hinblick auf meine wissenschaftliche Ausbildung. Mein Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel, Ordinarius des Lehrstuhls Metallische Werkstoffe, für die Übernahme des Koreferats. Die praxisnahe wissenschaftliche Arbeit im Team Refabrikation und Fertigungstechnik des Lehrstuhls erlaubte mir sehr tiefe Einblicke in die vielschichtigen und komplexen Themenbereiche der industriellen Aufarbeitung von Automobilkomponenten (Refabrikation). Besonders der Prozessschritt der Bauteilreinigung sowie die sich daraus ableitende technische Bauteilsauberkeit, welche für stetig komplexer werdende Systeme zwingend zu untersuchen ist, erweckten meine Grundidee zur Erstellung dieser Arbeit. Weiterhin danke ich allen Industriepartnern, welche mir durch ihre Kooperation im Projekt CleanER die Gelegenheit zur Analyse ihrer Prozesse und Versuchsbauteile verschafften. Besonders danken möchte ich hierbei Frau Dr. Graser, die mir in ihren Laboren die Durchführung von Analysen maßgeblich ermöglichte. Meinen Team- und Lehrstuhlkollegen danke ich für die erfolgreiche und freundschaftliche Zusammenarbeit in den vergangenen Jahren. Besonders herzlich möchte ich meinem Teamleiter Herrn Dr.-Ing. Michael Haumann für seine Unterstützung in dieser Zeit danken einer sehr intensiven Zeit voller Erfahrungen, die wir miteinander sammeln durften. Zum Schluss gilt mein herzlichster Dank meiner ganzen Familie, meiner Freundin Vanessa Spörrer sowie meinen Freunden, welche mir bei allen Höhen und Tiefen motivierend zur Seite standen. Bayreuth, im Mai 2012 Stefan Schweinstig

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7 Inhalt Inhalt 1 Ausgangssituation Problemstellung Zielsetzung Vorgehensweise Stand der Erkenntnisse Refabrikation Klassische Prozessschritte in der Refabrikation Industriezweige und Produktsparten Technische Sauberkeit Technische Sauberkeit in der Neuteilproduktion Technische Sauberkeit in der Refabrikation Zusammenfassung des Standes der Erkenntnisse Analyse und Bewertung technischer Sauberkeit in der Refabrikation Auswahl von Repräsentanten Repräsentant elektrohydraulische Steuereinheit Repräsentant Zylinderkopf Kontaminationen in der Refabrikation Kontaminationen vor Erzeugung der technischen Sauberkeit Kontaminationen nach Erzeugung der technischen Sauberkeit Vergleich mit Neuteilen Optische und technische Funktionalitäten Situation in herstellerungebundenen Refabrikationsunternehmen Situation in herstellergebundenen Refabrikationsunternehmen Leistungsvermögen bestehender Reinigungsprozesse Technologien Refabrikationsumgebung und Handhabung Zusammenfassung und Ableitung des Handlungsbedarfs Entwicklung einer Methodik zur Analyse der technischen Sauberkeit in der Refabrikation Grobanalytik Abwischtest Klebestreifenabrisstest / Partikelstempeltest I

8 Inhalt Grenzmusterkartentest Optischer Mustererkennungstest Feinanalytik Trübungsmessung Scannerbasierte Bilderfassung Methodik zur Analyse der technischen Sauberkeit in der Refabrikation Zusammenfassung der Ergebnisse zur Entwicklung einer Methodik zur Analyse der technischen Sauberkeit in der Refabrikation Definition technischer Sauberkeitsanforderungen in der Refabrikation Definition optischer und technischer Funktionalitäten Repräsentant elektrohydraulische Steuereinheit Repräsentant Zylinderkopf Normalisierte Angabe der technischen Sauberkeit Reverse Engineering zur Ermittlung der relevanten Gesamtoberfläche Repräsentant elektrohydraulische Steuereinheit Repräsentant Zylinderkopf Ableitung von technischen Sauberkeitsanforderungen Repräsentant elektrohydraulische Steuereinheit Repräsentant Zylinderkopf Methodik zur Definition technischer Sauberkeitsanforderungen Zusammenfassung der Ergebnisse zur Definition technischer Sauberkeitsanforderungen in der Refabrikation Optimierung von Reinigungsprozessen in der Refabrikation Praktische Optimierung für die gewählten Repräsentanten Repräsentant elektrohydraulische Steuereinheit Repräsentant Zylinderkopf Wechselwirkungen zwischen Bauteilgeometrie, Reinigungsprozessen und erzielbarer technischer Sauberkeit Entwicklung und Herstellung von Testkörpern Entwicklung und Erzeugung von Referenzkontaminationen Gezielte Kontaminierung, Erprobung und Bewertung ausgewählter Reinigungsverfahren und -prozesse Maßnahmenableitung Verallgemeinerung der durchgeführten Optimierung von Reinigungsprozessen in der Refabrikation II

9 Inhalt 6.3 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Optimierung von Reinigungsprozessen in der Refabrikation Gesamtkonzept zur Optimierung der technischen Sauberkeit in der Refabrikation Zusammenfassung und Ausblick Conclusion and Outlook Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis Anhang Sicherheitsdatenblatt Exxsol D Restschmutzanalysen (exemplarisch) Lebenslauf III