Maschinentechnik aktuell

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1 10 Die Computersimulation basiert auf Lösen der strömungsmechanischen Bewegungsgleichungen und beinhaltet die vollständige Physik der Strömung. Die genannten Gleichungen sind nicht-lineare, partielle Differentialgleichungen zweiter Ordnung, die schon Ende des letzten Jahrhunderts bekannt waren. Jedoch konnten diese Gleichungen wegen ihrer Kompliziertheit nicht gelöst werden. Erst als die Computertechnologie Mitte dieses Jahrhunderts große Fortschritte machte, wurden mit Hilfe der numerischen Mathematik Algorithmen für Computer entwickelt, mit denen diese Gleichungen gelöst werden konnten. Die Computersimulation besitzt gegenüber dem Modellversuch viele unübersehbare Vorteile. So kann eine Strömungsberechnung, wie sie in Bild 2 angedeutet ist, innerhalb von zwei Wochen durchgeführt werden. Zusätzlich braucht kein Modell gebaut werden, Geometrie- und Zuströmvariationen können innerhalb von Stunden untersucht werden, alle Ähnlichkeitszahlen werden bei der Simulation eingehalten und es können abgeleitete Größen wie z.b. Verlustverteilungen, Massendurchsätze durch definierte Flächen etc. problemlos ermittelt werden. Die Strömungssimulation ist mittlerweile ein fester Bestandteil für Entwicklungsaufgaben geworden. Sie gehört deshalb auch in den Ausbildungsplan einer modernen Ingenieurausbildung. Zukünftig werden unsere Studenten die Möglichkeit haben, die Handhabung der beschriebenen Simulationstechniken mit der dazugehörigen Theorie zu lernen. Mit Feuer und Eis 3URI'U,QJ:+RIIPDQQV Bericht über ein anwendungsbezogenes Entwicklungsprojekt in Zusammenarbeit mit Delphi Automotive Systems Deutschland GmbH, Wuppertal $EE6WHFNHUXQG6WHFNEXFKVHQZLHVLHLQ$XWR PRELONDEHOVlW]HQ9HUZHQGXQJILQGHQ Das Ergebnis dieses Projekts ist die Lösung eines bisher nicht beherrschten Problems gleich auf zwei Wegen. Beide Verfahren befinden sich zur Zeit in unterschiedlichen Phasen der Patentanmeldung. Das Problem ist der durch Gesetz verursachte Zwang zur stofflichen Wiederverwendung von Material, das aus Produkten stammt, die nach ihrem Gebrauch Abfall darstellen. Dazu gehören Automobil- Kabelsätze. Bei diesem Produkt muß unterschieden werden zwischen den reinen Leitungen und den diese Leitungen miteinander und mit Schaltern und Verbrauchern verbindenden Steckern (Bild 1). Für die Leitungen verfügt Delphi über ein Verfahren, das zu zufriedenstellenden Ergebnissen sowohl für das zur Isolierung verwendete Polyvinylchlorid, kurz PVC, als auch für das als metallischer Leiter verwendete Kupfer führt. Beide Werkstoffe können in die originären Anwendungen wieder eingeführt werden, was auch geschieht [1]. Hierbei stellen sich optimale wirtschaftliche Ergebnisse ein, wenn die restlichen Komponenten der Kabelsätze wie Stecker, Sicherungsdosen, Elektronikboxen und dergleichen zuvor vom Kabel-

2 11 satz entfernt werden. Auch für diese Komponenten besteht der Zwang zur stofflichen Wiederverwendung. Im Gegensatz zu den Leitungen, bei denen das Isoliermaterial PVC durch Ablösen mittels Lösungsmittel vom Metall getrennt werden kann, widersetzt sich das bei Steckverbindungen verwendete Gehäusematerial, vor allem Polyamid und Polyethylenterephthalat, einem solchen Lösevorgang. Es kam also darauf an, ein Verfahren zu finden, das auf andere Weise eine Trennung der metallischen Anteile der Steckverbindungen und anderer Komponenten von den Kunststoffgehäusen bewirkt. Der Weg über die Kälte $EE%XWDQJDVEUHQQHUDOV %HIHXHUXQJVHLQULFKWXQJ $EE*HVDPWDQVLFKWGHU9HUVXFKVHLQULFKWXQJ PLW*HVWHOO'UHKVWURPDV\QFKURQPRWRU7URPPHO XQG6WlQGHUPLW%XWDQJDVEUHQQHU Ausgangsüberlegung war ein Aufschließen mit herkömmlichen Zerkleinerungsmethoden, um Kunststoffanteile und Metallbauteile voneinander zu separieren und das entstehende möglichst grobkörnige Kunststoffgemisch in der Folge mit herkömmlichen Methoden wie Flotation, Windsichtung und dergleichen in die einzelnen Kunststoffsorten zu zerlegen und so wiederverwendbares Material zu erhalten. Aufgrund manueller Vorversuche an kalt versprödetem Material wurden mit einer Hammermühle, die noch am ehesten geeignet erschien, Versuche unternommen. Diese waren jedoch im Ergebnis unbefrie-

3 12 digend. Der Anteil der staubförmigen Fraktion war zu hoch und stark mit metallischem Abrieb durchsetzt, vor allem herrührend aus den noch an den Kontaktteilen angeschlagenen Leitungsenden. Dieser Metallanteil schließt eine Wiederverwendung des Kunststoffs für isolierende Gehäuse aus. $EE%OLFNDXIGLHLQ%HWULHEEHILQGOLFKH 7URPPHO $EE$QVLFKWGHU7URPPHOPLW$X HQNRUEDXV /RFKEOHFKXQGHLQJHOHJWHPIHLQPDVFKLJHP6LHE Der Weg über die Wärme Thermoplastische Kunststoffe sind mittels Wärmezufuhr schmelzbar. Dabei zeigen teilkristalline Kunststoffe, wie sie zum Beispiel mit Polyamid bei Steckergehäusen Verwendung finden, relativ geringe Viskosität, die jedoch für ein Abfließen von den Metallteilen durch ein diese zurückhaltendes Gitter nicht ausreichend niedrig ist. Vorversuche zeigten dann auch erwartungsgemäß ein unbefriedigendes Ergebnis. Die treibende Kraft, das heißt die Die schon angesprochenen Vorversuche zeigten, daß eine bestimmte Beanspruchungsart das kalt versprödete Gehäusematerial in der gewünschten Weise grobstückig zerkleinert bei gleichzeitiger Unversehrtheit der metallischen Anteile des Aufgabeguts, das damit anschließend leicht zu separieren ist. Diese Beanspruchungsart konnte mit einem im Rahmen der Untersuchungen konzipierten und realisierten Gerät mit dem gewünschten Erfolg verwirklicht werden [2]. Da dieses Verfahren sich derzeit in Vorbereitung zur Patentanmeldung befindet, soll später ausführlicher darauf eingegangen werden. $EE%OLFNDXIGLHLQ%HWULHEEHILQGOLFKH$QODJH

4 13 Schwerkraft, ist für ein vollständiges Abfließen zu gering. Es lag also nahe, mit erhöhten Beschleunigungen größere treibende Kräfte zu erzeugen. Das hierzu geeignete Prinzip ist die Zentrifuge, zum Beispiel angewendet bei Wäscheschleudern oder Dekantern. Zum Nachweis der Verwendbarkeit dieses Prinzips für die Trennung des thermoplastischen Kunststoffs von den restlichen Bestandteilen der Kabelsatzkomponenten wie Kontaktteile mit angeschlagenen Leitungsenden, Kabelend- und Gehäusedichtungen sowie anderen nicht schmelzenden Bauteilen wurde im Rahmen zweier Diplomarbeiten [3, 4] eine Zentrifuge aufgebaut (Bild 2), deren Trommel mit Drehzahlen zwischen nahezu 0 und 2900 min -1 betrieben werden kann. Für die ersten Versuche wurde ein handelsüblicher Butangasbrenner oberhalb der Trommel angebracht (Bild 3), dessen Flamme den Randbereich der Trommel von oben mit Wärme beaufschlagt. Der durch die Rotation erzeugte Luftstrom unterband ein Entflammen des Aufgabeguts. Die Trommel (Bild 4) ist auf einer auf der Welle des Motors aufgesetzten Scheibe aufgebaut und besteht aus einem stützenden Lochblech, in das ein feinmaschiges Sieb eingelegt ist. Bilder 5 und 6 zeigen die Vorrichtung in Betrieb. Das Trennergebnis zeigen die Bilder 7 und 8. Im Vergleich mit Bild 1 ist auf Bild 6 an den umliegenden Wandungen das abgeschleuderte thermoplastische Material erkennbar, das Bild 7 ausschnittweise wiedergibt. Da die eingelegten Stecker vorrangig aus Polyamid gefertigt waren, erfolgte ein Verspinnen dieses Materials. Die ungeregelte Erwärmung durch die Flamme führte zum Abschmelzen aller Thermoplaste einschließlich des restlichen PVC an den angeschlagenen Kabelresten. Bild 8 zeigt die vom eingelegten Sieb zurückgehaltenen Metallteile. $EE$EJHVFKHXGHUWHV.XQVWVWRIIJUDQXODW Ausblick Damit wurde die Funktionsfähigkeit des Zentrifugenprinzips für die vorliegende Aufgabenstellung nachgewiesen. In weiteren Arbeiten muß nun ein Gerät entwickelt werden, das durch gezielte Erwärmung auf definierte Temperaturen das fraktionierte Abschmelzen einzelner Kunststoffarten erlaubt und so auch gleich die Trennung der verschiedenen Kunststoffe voneinander sortenrein ermöglicht. Hierin liegt ein gravierender Vorteil gegenüber dem mit Kälte arbeitenden Verfahren, bei dem erst nach der Trennung des Kunststoffs vom Metall das Separieren der einzelnen Kunststoffsorten mit weiteren Verfahren erfolgen muß. $EE$XVGHU7URPPHOHQWQRPPHQHU5 FNVWDQG Das Verfahren mit Wärmeeinwirkung weist über die hier beschriebene Anwendung hinaus ein weit größeres Anwendungspotential auf, was sich dadurch er-

5 14 gibt, daß aus nahezu allen Verbundmaterialien der Kunststoffanteil fraktioniert herausgeschleudert und einer erneuten Wiederverwendung zugeführt werden kann. Literatur: )UDQN$GDP*XWI UGHQ.UHLVODXI 3ODVWYHUDUEHLWHU6 *7]LRYDUDV7UHQQXQJYRQ.XQVWVWRII 0HWDOO9HUEXQGEDXWHLOHQGXUFKRV]LOOLHUHQGH 6FKODJ'UXFN%HDQVSUXFKXQJ'LSORPDUEHLW%HU JLVFKH8QLYHUVLWlW*HVDPWKRFKVFKXOH:XSSHUWDO %HWUHXHU:+RIIPDQQV '0DULQNRYLF$XIEDXHLQHU7UHQQ]HQ WULIXJHI U.XQVWVWRII0HWDOO9HUEXQGWHLOH'LSOR PDUEHLW%HUJLVFKH8QLYHUVLWlW*HVDPWKRFKVFKXOH :XSSHUWDO%HWUHXHU:+RIIPDQQV ='MXULF(USUREXQJHLQHU7UHQQ]HQWUL IXJHI U.XQVWVWRII0HWDOO9HUEXQGWHLOH'LSOR PDUEHLW%HUJLVFKH8QLYHUVLWlW*HVDPWKRFKVFKXOH :XSSHUWDO%HWUHXHU:+RIIPDQQV Verbindungs- und Beschichtungstechnik 3URI'U,QJ+%RGH Die Themen in der Verbindungs- und Beschichtungstechnik betreffen die produktbezogene, optimierte Anwendung von Technologien zur Verbindung von metallischen Materialien und Maschinenbauteilen mit anderen metallischen Materialien und Maschinenbauteilen oder mit keramischen Schichten (Löten). Zukünftig soll verstärkt ein 1,5kW Laser zum Schweißen und zur gezielten Veränderung der Materialoberflächenbeschaffenheit eingesetzt werden Die metallischen Teile bestehen aus Folien in Stärken von 0,03mm bis 0,05mm und aus Blechen bis 1,5mm. Diese Geometrien erfordern angepaßte Geräte und Technologien. Hochtemperatureigenschaften 3URI'U,QJ+%RGH Da die oben erwähnten relevanten Teile in hochtemperatur- und korrosiv-belasteten Endprodukten eingesetzt werden, bildete und bildet die Charakterisierung der Hochtemperatureigenschaften der Grundwerkstoffe, Verbunde und Werkstoffverbunde den zweiten Schwerpunkt der Arbeiten. Hervorzuheben sind Arbeiten zur Ermittlung der Hochtemperaturkorrosion von Folien und Bauteilen bis 1100 C und der mechanischen Festigkeiten von Folien bei Temperaturen bis 900 C. Auch hier sind die Geräte und Technologien bauteilbezogen angepaßt und daher zum Teil auch neuartig. Die Ergebnisse aus beiden Schwerpunkten werden eingesetzt, um Produktoptimierungen und Schadensanalysen durchführen zu können. Hierbei wurde und wird auch verstärkt die Methode der Finiten Elemente (FEM) in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Informatik eingesetzt. Die Ergebnisse werden meistens im Rahmen von Entwicklungsarbeiten der Industrie vorlaufend benötigt. Sie unterliegen daher im Allgemeinen der Vertraulichkeit. Veröffentlichte Ergebnisse technischwissenschaftlicher Art der letzten 2 Jahre sind nachfolgend aufgeführt. Zu betonen sind dabei 4 Patente, die von 3 Diploman-

6 15 den des Fachgebietes Werkstofftechnik erarbeitet und in Zusammenarbeit mit der Industrie international angemeldet wurden, sowie die Herausgabe des Buches "Metal- Supported Catalytic Converters" in In 1999 werden voraussichtlich u.a. Teile der erwähnten Dissertationsarbeit veröffentlicht. Diese Arbeit wurde vollständig von der Industrie finanziert. Folgearbeiten sollen sich anschließen, wobei erstmals ein Antrag bei der EU auf finanzielle Unterstützung gestellt wird. Erforderliche Investitionen sind zum Teil bereits eingeleitet worden. Konstruktionsanalyse von Automobiltürscharnieren mit Neuronalen Netzen 3URI'U,QJKDELO92WWH Türscharniere für Automobiltüren müssen neben den normalen Anforderungen an die Lagerstelle wie Spielfreiheit, geringes Absenken der Tür und hohe Lebensdauer aufgrund spezieller Anforderungen der Automobilproduzenten zusätzlich eine definierte Schwergängigkeit besitzen, die u.a. für eine automatisierte Türmontage benötigt wird. Gute Lagereigenschaften einerseits und die Erzeugung dieses sogenannten Schenkmomentes andererseits sind divergierende Forderungen an das Scharnier, die in der Konstruktion und Fertigung umgesetzt werden müssen. Eine Analyse der möglichen Einflußgrößen des gegebenen Scharniers auf das Schwenkmoment zeigte, daß apriori 5 Konstruktionsparameter als relevant angesehen werden können. Durch umfangreiche Versuche, bei denen die Parameter systematisch variiert wurden, konnte ihr Einfluß auf das Schwenkmoment nachgewiesen werden. Es wurde aber auch schnell klar, daß es sich hier nicht um lineare, sondern um nichtlineare Zusammenhänge zwischen den frei wählbaren Konstruktionsparametern und dem Schenkmoment handelt. Ein einfacher linearer Regressionsansatz, der aufgrund der experimentellen Ergebnisse aufstellbar war, konnte also zu keiner zufriedenstellenden Beschreibung führen. Eine analytische Darstellung der funktionellen Abhängigkeiten erwies sich als unpraktikabel. Unter Nutzung der experimentellen Daten wurde deshalb ein weiterer Ansatz verfolgt. Es wurde ein Neuronales Netz konfiguriert (als sogenannte Selbstorganisierende Karte (SOM) nach Kohonen mittels Neuro-Toolbox des Softwarepaketes MATLAB), mit ca. 50% der experimentellen Daten belehrt und mit den verbleibenden 50% getestet. Die Auswertung zeigte, daß das Netz die unbekannten funktionellen Zusammenhänge mit hinreichend geringer Irrtumswahrscheinlichkeit gelernt hat, d.h. bei Vorgabe eines beliebigen Parametersatzes von Konstruktionsdaten aus dem experimentell untersuchten Datenbestand wurde das (bereits gemessene) Schwenkmoment vorausgesagt. Das Modell ist im Rahmen der Datenbasis, d.h. im abgesteckten Versuchsraum interpolationsfähig, Extropolationen sind zwangsläufig mit großen Fehlern behaftet. Unter Nutzung des Neuromodells ließen sich eine Reihe von Datenanalysen durchführen. Clusteranalysen zeigten, welche Teilräume des Versuchsraumes durch die gemessenen Daten gut repräsentiert wurden bzw. an welchen Stellen sinnvollerweise durch weitere Versuche Informationen einzuholen waren. Der Einfluß der einzelnen Variationsparameter auf das Drehmoment konnte in Form einer sogen. Sensitivanalyse beschrieben werden.

7 16 Vor allem aber ließ sich, durch eine Abbildung des 5-dimensionalen Parameterraums auf die 2-dimensionale Kohonenkarte, das erreichbare Drehmomentgebirge visuell darstellen. Gebirgsplateaus oder konstante Höhenlinien entsprechen Parameterkombinationen, die stets das gleiche Drehmoment erzeugen, also robuste Konstruktionen darstellen, während Gebirgshänge dadurch gekennzeichnet sind, daß bereits geringe Parameteränderungen zu Schwankungen des Schwenkmomentes führen. Die Konstruktionsparameter des Scharniers können damit, bezogen auf ein gewünschtes Schwenkmomentniveau, optimiert werden. Die Prozeßsicherheit bei der Herstellung von Scharnieren mit definiertem Schwenkmoment wird erhöht. Aus den Untersuchungen ergaben sich 3 Patentanmeldungen. Hochübersetzendes Taumelgetriebe für Automobilbaugruppe 3URI'U,QJKDELO92WWH Für Antriebsaufgaben in Automobilbaugruppen (Fensterheber, Heckklappenschloß usw.) sind Getriebe erforderlich, die unter Nutzung der vorliegenden Betriebsspannung des Bordnetzes relativ hohe Abtriebsdrehmomente zur Verfügung stellen müssen. Eingesetzt werden i.d.r. Systeme, die schnelllaufende Antriebsmotoren ( U/min) mit hochübersetzenden Getrieben koppeln. Die Getriebe müssen aufgrund der besonderen Einsatzbedingungen zusätzlich klein und leicht sein und eine geringe Lärmemission besitzen. Aus der Getriebesystematik ist bekannt, daß hohe Übersetzungen erreichbar sind, wenn die Getriebe nicht im Stand-, sondern im Umlaufregime betrieben werden. Es entstehen sogenannte Umlaufräder - oder Planetengetriebe. Besonders hohe Übersetzungen sind durch weitere Modifikationen erreichbar, wie sie z.b. vom Harmonic-drive-Getriebe bekannt sind. Hier sind Übersetzungen in einer Stufe von i= erzeugbar. Da bei Harmonic - drive -Getrieben allerdings ein Getrieberad ständig unter Zug-/Druckspannungen steht, die beim vorgesehenen Einsatz von Kunststoffen aufgrund der Relaxationseigenschaften des Materials zu ungewünschten Verformungen führen, sind diese Getriebe für den betrachteten Anwendungsfall nicht geeignet. Unter Berücksichtigung weiterer Randbedingungen (Koaxialität der Wellen, max. Außendurchmesser 40 mm, max. Getriebebreite 20 mm, Übersetzung ca. 40 in einer Stufe) wurde letztlich eine Umlaufrädervariante eines Kegelradgetriebes für den Anwendungsfall favorisiert. Das Getriebe wird in der Literatur als Taumelgetriebe zitiert, spezielle Hinweise zur Kinematik, Festigkeitsberechnung und Gestaltung lagen aber nicht vor. In den Untersuchungen mußten deshalb vorerst Grundlagen für die Getriebedimensionierung geschaffen werden. Die kinematische Analyse zeigte, daß es sich beim Taumelgeriebe um eine spezielle Variante eines sphärischen Getriebes handelt, das, je nach Gestaltung der Drehsperre am Taumelrad (durch ein arretiertes Einfach -oder Doppelkardangelenk), konstante oder periodisch schwankende Übersetzungen liefert. Bei der Festigkeitsuntersuchung der Verzahnung waren die besonderen Eingriffsverhältnisse zu berücksichtigen, die sich aus der Relativbahnkurve zugeordneter Zahnpunkte ergeben. Es konnte gezeigt werden, daß sich durch ausgewählte Größen in der Getriebegestaltung die Bahnkurvenparameter im Sinne eines optimierten

8 17 Zahneingriffs (Vermeidung von Zahninterferenzen und Erhöhung der Tragfähigkeit) verändern lassen. Die Komplexität der Zusammenhänge machte es erforderlich, die ermittelten Ergebnisse in einem Rechenprogramm zu implementieren, mit dem im Dialog eine Getriebevariante bzgl. ihrer Hauptparameter (Hauptgeometrie des Getriebes, Radund Verzahnungsdaten, Übersetzung, Festigkeit unter Berücksichtigung von Verzahnungsfehlern und Temperatur - und Quellverhalten der verwendeten Kunststoffe) erzeugt werden kann. Mit dem Programm steht damit dem Konstrukteur eine Dimensionierungshilfe zur Verfügung, die über den betrachteten Anwendungsfall hinaus nutzbar ist, um Taumelgetriebe effizient dimensionieren und gestalten zu können. Im Bereich Maschinentechnik ist die numerische Strömungssimulation vertreten. Es wird demnächst versucht, die Plasmaphysik gekoppelt mit einem Strömungsvorgang auf einem großen Computer zu simulieren. Damit wird es möglich, die Vorgänge in Versuchsanlagen besser zu verstehen und Geräte für die Plasmatechnologie besser auszulegen. Die Plasmatechnologie beinhaltet viele Aufgaben, die in den Bereich des Maschinenbaus gehören, jedoch ohne spezielle Kenntnisse der Plasmaphysik nicht gelöst werden können. So sind z.b. Beschichtungsvorgänge und Oberflächenbehandlungen mit einem Plasma möglich. Die Zusammenarbeit verdeutlicht sehr schön, daß interdisziplinäre Forschung für die technische Weiterentwicklung notwendig ist bzw. sein kann. Im Fachgebiet 6 des Fachbereichs Maschinenbau sind wir deshalb über diese Zusammenarbeit erfreut. Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Elektrotechnik (Prof. Engemann) 3URI'U,QJ0% KOH Seit Mai dieses Jahres gibt es eine Zusammenarbeit zwischen den Fachbereichen 12: Maschinentechnik (Fachgebiet 6) und dem Fachbereich 13: Elektrotechnik. Die Zusammenarbeit beinhaltet als Thema die Wechselwirkung zwischen Plasma und Strömung. Die Gruppe von Herrn Prof. Engemann betreibt schon seit längerem Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Plasmaphysik, und es stellt sich zur Zeit die Frage, wie sich ein Plasma in einer Strömung verhält.

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