BOLTED

Ein Forum über die Optimierung
von Schraubenverbindungen

Was Megaschiffe antreibt

Während der schlimmsten Schifffahrtskrise in der Geschichte erfand Mecklenburger Metallguss die Schiffsschraube neu und hilft seitdem den größten Containerschiffen der Welt, sicher durch den Sturm zu segeln.

Es ist spät am Abend und schwer beladene Lastwagen, begleitet von Polizeifahrzeugen und Blaulicht, bewegen sich langsam durch die verschlafene Stadt Waren im Nordosten Deutschlands. Doch die Bewohner der malerischen kleinen Häuser sind alles andere als beunruhigt; sie wissen, dass wieder einmal eine Schiffsschraube die Stadt verlässt.

Waren mit seinen rund 20.000 Einwohnern ist die Heimat der Mecklenburger Metallguss GmbH (MMG) – einem weltweit führenden Unternehmen in der Entwicklung und Herstellung von Propellern für große Containerschiffe. Eine seiner Entwicklungen, ein 131 Tonnen schwerer Sechs-Blatt-Propeller für Maersk, hält den Weltrekord für die größte Schiffsschraube.

Der Transport ist eine besonders knifflige Herausforderung. Hamburg, Deutschlands größter Seehafen, ist mehr als 200 Kilometer entfernt und das Anhalten auf der Autobahn zeitaufwändig für den Konvoi von langen und schweren Fahrzeugen. Vor einigen Jahren mussten eine ganze Autobahnstrecke und zwei Bahngleise verlegt werden, da das Unternehmen größer wurde und die Propellertransporte ständig zu Verkehrsbehinderungen führten. Was macht ein XXL-Schiffszulieferer wie MMG so weit weg vom Meer?

„Wir haben vor 70 Jahren mit der Herstellung von Propellern begonnen, als die Gegend in der sowjetischen Besatzungszone lag und der ostdeutsche Schiffbau nach dem Krieg wieder aufgebaut werden musste“, erklärt Jörn Klüss, Head of Design and Construction bei MMG und gebürtiger Warener. „Damals waren die Schiffsschrauben noch viel kleiner. Heute ist das Know-how in der Region der Grund für unser Festhalten an diesem Standort.“

DIE FRACHTKAPAZITÄT HAT IN DEN VERGANGENEN 40 JAHREN UM 1.200 PROZENT ZUGENOMMEN.

Vor fünfzehn Jahren bewegten Schiffe noch 5.000 TEU (sog. Twenty-foot Equivalent Units, standardisierte Transportcontainer mit einer Länge von 6,1 Metern). Heute laden sehr große Containerschiffe bis zu 22.000 TEU. Die Nachfrage im Containerverkehr ging jedoch im Zuge der Finanzkrise 2009 drastisch zurück und die Aufträge für neue Propeller kamen zum Erliegen. „Die Rettung war unser Umrüstprogramm“, sagt Klüss, „eine neue Generation von Propellern, die alte Schiffe effizienter machen.“

BIS DAHIN WURDEN PROPELLER FÜR SCHIFFE GEBAUT, DIE MIT HÖCHSTMÖGLICHER GESCHWINDIGKEIT UNTERWEGS WAREN.

Nach der Krise begannen die Reedereien mit dem sogenannten „Slow Steaming“, wobei die Schiffe unterhalb ihrer Kapazität betrieben werden, um den
Kraftstoffverbrauch zu senken. Schiffe, die zuvor mit 25 Knoten (46,3 km/h) auf den Ozeanen unterwegs waren, haben ihre Geschwindigkeit auf 18 Knoten (33,3 km/h) oder weniger verringert.

„Je langsamer ein Motor läuft, desto größer kann der Propeller ausfallen“, erklärt Klüss. „Durch Analysieren der individuellen Betriebsprofile passen wir die Anzahl der Blätter und den Durchmesser an, um für jeden Anwendungsfall den effizientesten Propeller zu bestimmen.“ Zudem analysierte das Unternehmen die Propellerkappe – das Teil des Propellers hinter den Blättern, das die Stahlkomponenten der Antriebswelle vor Korrosion durch Meerwasser schützt. Es entwickelte eine neue energiesparende Kappe (MMG-escap) mit einem neuen Flossen-Design, das den Nabenwirbel entdrallt und gleichzeitig den Drehmomentverlust reduziert und Verschleiß am Ruder verhindert. Diese Innovationen ermöglichen Effizienzsteigerungen um bis zu 10 Prozent, was auf der Fahrt von Asien nach Europa eine Ersparnis von rund 200.000 EUR bedeutet.

VIELE REEDEREIEN ZEIGTEN INTERESSE an der Umrüstung ihrer alten Propeller mit der MMG-escap Lösung, die bereits die Effizienz des Antriebssystems um bis zu 3 Prozent steigert. Traditionell werden Propellerkappen mit Bolzen am Propeller befestigt, die zusätzlich mit einem chemischen Klebstoff gesichert sind. Hierfür muss das Schiff allerdings mindestens drei Tage im Trockendock liegen, wodurch Kosten von rund 15.000 USD pro Tag zuzüglich der Kosten für den Kapazitätsausfall der Reederei anfallen.

„Wir begannen, über eine Unterwassermontage der neuen Kappe durch Taucher nachzudenken“, sagt Klüss. „Das aber schloss den Einsatz von Klebstoffen aus, die nämlich Sauerstoff brauchen, um auszuhärten. Dann erfuhren wir von Keilsicherungsscheiben und dem Erfinder dieser Technologie – Nord-Lock.“

ALLERDINGS GIBT ES IN DER STRENG REGULIERTEN SCHIFFFAHRT Klassifikationsgesellschaften, die die Sicherheit auf See gewährleisten und technische Standards für den Bau und Betrieb von Schiffen definieren sollen. Ohne Klassifikation kann ein Schiff nicht betrieben werden, da es keine Versicherung oder Frachtaufträge erhält. Die Nord-Lock Keilsicherungsscheiben waren nicht für den Einsatz mit der in der Propellerkappe verwendeten speziellen Kupferlegierung geprüft und zugelassen, weshalb dringend eine Zertifizierung im Hinblick auf die effiziente Sicherung der Propellerkappen durch die Keilsicherungsscheiben benötigt wurde. Jedes Land, in dem Schiffe gebaut werden, verfügt über eigene Klassifikationsgesellschaften und MMG arbeitet mit allen von ihnen zusammen. In diesem Fall wandte sich das Unternehmen an DNV GL, eine der größten Gesellschaften.

„Wenn sich Reederei und Klassifikationsgesellschaft einig sind, kann man eine Anwendung umsetzen und anschließend eine Prüfung durchführen“, erklärt Klüss. „Die Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock wurden schon mehrfach zertifiziert und DNV GL war aufgrund unserer innovativen Stahl-Kupfer-Legierung zu einer weiteren Zertifizierungsprüfung bereit.“

DIE ERSTE UNTERWASSERMONTAGE EINER PROPELLERKAPPE mit Nord-Lock Keilsicherungsscheiben erfolgte 2014 an einem großen europäischen Containerschiff. Drei Taucher brauchten nur 1,5 Tage, weshalb die Arbeiten während der normalen Anlegezeit und ohne Dockgebühren vonstattengehen konnten – ein Erfolg.

MMG, DNV GL und Nord-Lock trafen sich erstmals im September 2016. Weniger als ein Jahr später waren die Keilsicherungsscheiben geprüft und zugelassen. „Die Schiffsindustrie ist sehr konservativ“, so Klüss. „Aber wir haben sie von den Vorteilen der Lösung mit Tauchern überzeugt und Nord-Lock ist nun unser neuer Standard für sämtliche Anwendungen mit Schraubenverbindungen.“

FAKTEN:

KUNDE: Mecklenburger Metallguss GmbH
ENDKUNDE: Reederein auf der ganzen Welt, Werften vor allem in Asien
ORT: Waren (Müritz) in Mecklenburg-Vorpommern,
Deutschland
ANWENDUNG: Sicherung einer Propellerkappe für Schiffe mit Nord-Lock
Keilsicherungsscheiben anstelle von Klebstoffen
NORD-LOCK LÖSUNG: SMO Keilsicherungsscheiben für Edelstahlbolzen

ERZIELTE VORTEILE:

  • Äußerst zuverlässige Verriegelung
  • Verringerung von Montagefehlern durch einfache Anwendung
  • Möglichkeit zur Montage der Propellerkappe an einem bestehenden Propeller unter Wasser

„Es gibt keine Lagerbestände, keine Abfälle und alles kann lokal erledigt werden“

Seit seiner Gründung 2013 hat 3D Hubs, ein niederländisches Start-up im Bereich 3D-Druck, mehr als eine Million Teile produziert, was es zum weltweit führenden Unternehmen in der dezentralen Fertigung macht. Filemon Schöffer, Chief Marketing Officer von 3D Hubs, erläutert das Konzept.

Welche Idee steckt hinter 3D Hubs?

„Die gegenwärtige Wertschöpfungskette, in der Waren hergestellt werden, erzeugt eine Menge Abfall. Viele Produkte werden in sehr hohen Mengen gefertigt, um positive Skaleneffekte zu erzielen, aber rund ein Drittel davon wird nie verkauft. Was die dezentrale Fertigung verspricht, ist die sogenannte ‚On-Demand‘-Herstellung‘, wonach Waren erst bei ihrem Verkauf produziert werden. Es gibt keine Lagerbestände, keine Abfälle und alles kann lokal erledigt werden.“
„Der 3D-Druck ist eine neue Fertigungstechnologie und eine sehr gute noch dazu. Seitens der Verbraucher herrscht darüber noch Skepsis, da sich vielen keine echten Fortschritte offenbaren. Darum lautet meine Botschaft: im Produktionssektor tut sich was!“

Welche Vorteile bietet der 3D-Druck in der Fertigung?

„Beim Spritzgießen, dem am häufigsten eingesetzten Verfahren in der Fertigung in China, muss zuerst eine Form hergestellt werden, was hohe Vorlaufkosten bedeutet. Durch den Wegfall solcher Formen ist der 3D-Druck eine sehr wettbewerbsfähige Alternative für die Kleinserienfertigung. Alles funktioniert auf Abruf, das heißt, wenn wir jetzt eine Datei hochladen, können wir direkt mit der Produktion beginnen. Durch die additive Fertigung lassen sich äußerst komplexe Strukturen herstellen.“

Gibt es bestimmte Branchen oder Anwendungen, die besonders profitieren?

„Der 3D-Druck erobert derzeit den Markt für Prototypen. Danach folgen Branchen, die kleine Chargen mit hochkomplexen Geometrien produzieren müssen, wie zum Beispiel Prothesen, Hörgeräte und Zahnimplantate. Es gibt bereits eine Reihe von Verkehrsflugzeugen, in denen Teile aus dem 3D-Drucker verbaut wurden. Auch Ersatzteile sind ein sehr großer Markt, der wirklich vom ‚On-Demand‘-Aspekt des 3D-Drucks profitiert.“

Welche Vorteile bieten sich der Branche für Befestigungselemente?

„Das ist tatsächlich ein interessanter Fall. Da es sich bei Befestigungselementen fast schon per Definition um standardisierte Bauteile handelt, sind sie in der Regel nicht für den 3D-Druck geeignet – das wäre einfach nicht wettbewerbsfähig. In einem breiteren Kontext hat der 3D-Druck aber aus Sicht der Wertschöpfungskette eine Menge zu bieten, gerade wenn es um Ersatzteile und ‚On-Demand‘-Durchsatz geht. Besonders im technischen Kundendienst wird der 3D-Druck aus diesen Gründen gerne eingesetzt, selbst bei standardisierten Bauteilen. Hier würde ich auch Befestigungselemente jeder Art einordnen.“

FAKTEN:

FILEMON SCHÖFFER
TITEL: Chief Marketing Officer, 3D Hubs, Amsterdam, Niederlande
ALTER: 32
HINTERGRUND: Ich bin Industriedesigner und Physiker, weiß also eine Menge über Fertigung, aber ich arbeite schon immer im kreativen Bereich mit Anzeigen und Kampagnen.
WOHNORT: In der Nähe des Büros von 3D Hubs inmitten der Start-ups, Galerien und hippen Bars von Amsterdams trendigem Stadtteil Westerpark.
LEIDENSCHAFT: AFC Ajax.
INTERESSANT: Filemons Vorfahre Peter arbeitete im 15. Jahrhundert mit Gutenberg.
„Der 3D-Druck hat großes Potenzial, die Fertigung vieler Dinge zu lokalisieren. Er dezentralisiert sowohl Fähigkeiten als auch Know-how und ist meiner Meinung nach eine ähnliche Revolution wie vor einiger Zeit die Druckmaschine.“

Eine Lösung für luftige Höhen

Vor fast zwei Jahren begann das US-Unternehmen All Energy Management (AEM) mit der Entwicklung von Nachrüstlösungen und der Schulung von Unternehmen mit insgesamt 1.000 Windkraftanlagen in Großbritannien, den USA, Kanada und Italien.

Bei den Reparaturarbeiten zeigte sich, dass neben den Rotorbohrlöchern auch die Bolzen zwischen Rotorblättern und Rotor vorzeitig verschleißen. Aufwändige Bohr- und Schweißarbeiten auf dem Turm der Windkraftanlage waren aufgrund der Gewichts- und Platzbeschränkungen nicht möglich. Die einzige Lösung war der komplette Austausch von Rotor und Bolzen, was etwa zehn Arbeitstage in Anspruch nahm und 15.000 USD kostete.

Daraufhin diskutierte AEM mit Expander die Entwicklung einer Lösung, mit der sich die Geschwindigkeit erhöhen, die Effizienz und Wartungssicherheit verbessern und letztendlich die Kosten senken lassen sollten. AEM entwickelte ein System zum Bohren der Löcher vor dem Einbau der Bolzen, um eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten. Expander lieferte drei Gelenkbolzen mit drei unterschiedlichen Übermaßhülsen, die je nach Verschleißstadium perfekt in die Löcher passten.

Weniger Teile bedeutet eine schnellere und einfachere Montage, während das Expander System außerdem durch den perfekten Sitz im Bohrloch weiteren verschleißfördernden Bewegungen vorbeugt. AEM verwendet die Lösung bereits seit über einem Jahr und ist mit den Ergebnissen sehr zufrieden. „Statt drei Tage mit vier Arbeitern vor Ort an einer Turbine zu verbringen, dauert die Reparatur jetzt weniger als einen Tag mit nur noch zwei Arbeitern“, sagt Ian Sleger, Operations Manager. „Das Team von Expander ist wirklich bemüht und die Lösung bringt eine deutliche  Entlastung, sodass wir uns jetzt auf andere Dinge konzentrieren können.“

Unbemannte Hubschrauber in der Luft halten

Hergestellt für den Einsatz in einigen der weltweit schwierigsten Umgebungen, lassen sich die modernen unbemannten APID One Hubschrauber des schwedischen Herstellers CybAero problemlos an die individuellen Anforderungen der Kunden anpassen.

 

Das Konzept basiert auf vier Hauptkomponenten: Hubschrauberplattform, Nutzlast, Datenverbindung und Bodenstation. Der Hubschrauber kann mit verschiedenen Sensoren ausgestattet werden und ein Austausch der Sensorik ist einfach und schnell möglich. Die Sensoren umfassen Videokameras, Lautsprecher, Scheinwerfer, Infrarotkameras, elektrooptische Kameras sowie Lichtdetektion und Real/Synthetic Aperture Radar (RAR/SAR).

Dank dieser Modularität eignen sich die unbemannten Luftfahrzeuge (UAV; Unmanned Aerial Vehicles) für eine Vielzahl von Anwendungen, wie die Inspektion von Hochspannungsleitungen, die Durchführung von zeitkritischen Such- und Rettungsaktionen sowie Grenzkontrollmissionen. Bei solchen Anwendungen dürfen keine Kompromisse bei der Sicherheit gemacht werden. Um sicherzustellen, dass kritische Flugmissionen problemlos verlaufen, setzt CybAero auf die Keilsicherungstechnologie der Nord-Lock Gruppe.

Seit 2009 liefert Nord-Lock Keilsicherungsscheiben für den Heckausleger, die Abgasanlage und den Hauptrotorkopf des APID One Hubschraubers. Bei diesen Anwendungen sind die Teile in hohem Maße Schwingungen, Hitze und extremen Kräften ausgesetzt – die Hauptursachen für gelockerte Verriegelungen und Schraubenverbindungen.

„Für die Technologie von Nord-Lock haben wir uns wegen ihrer einzigartigen Schwingungsbeständigkeit entschieden“, erklärt Mikael Smith, CEO von CybAero. „Eine robuste Schraubenverbindung verursacht weniger Abnutzung und Verschleiß, was wiederum die Lebensdauer verlängert und die Wahrscheinlichkeit von Störungen und Fehlern sowie den Wartungsaufwand reduziert.“

EINFACHE HANDHABUNG

Angesichts der zeitkritischen Einsatzbereiche, oft in schlecht zugänglichen Gebieten, ist eine einfache Handhabung ein ganz wesentlicher Aspekt des unbemannten APID One Hubschraubers. Die Verglasungen, Zellen und Avionik wurden so konzipiert, dass sie sich einfach verpacken und transportieren, aber auch warten und instand halten lassen.

Mithilfe der Nord-Lock Produkte konnte CybAero die Lebensdauer seiner Schraubenverbindungen weiter verlängern und die Wahrscheinlichkeit von Störungen und Fehlern sowie den Wartungsaufwand reduzieren.

Die Abbildung unterhalb zeigt einen mit Nord-Lock Keilsicherungsscheiben gesicherten Rotorkopf.

 

Vom Draht zur Schraube

Schrauben zählen zu den grundlegendsten Bestandteilen in Maschinenbau und Konstruktion, aber ihre Herstellung ist heute ein komplexes Hightech-Verfahren mit mehreren Schritten. Erfahren Sie, wie aus Rohstahl hochspezifische und präzise Metallteile werden.

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2018.

Schrauben können in einer Vielzahl von Größen und Formen zum Einsatz kommen, aber das Herstellungsverfahren bleibt im Kern das Gleiche. Es beginnt mit dem Kaltumformen von
Stahldraht in die richtige Form, gefolgt von einer Wärmebehandlung zur Optimierung der Festigkeit und einer Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Haltbarkeit sowie der anschließenden
Verpackung für den Transport. Für komplexere Ausführungen kann das Herstellungsverfahren allerdings um eine Reihe zusätzlicher Schritte erweitert werden.

Als einer der führenden Anbieter von Befestigungselementen für die Automobilindustrie verfügt der schwedische Hersteller Bulten über viel Know-how bei jedem Schritt und jedem Aspekt der Schraubenherstellung. „Wir produzieren keine Katalogteile – sondern ausschließlich individuell nach Kundenvorgabe“, sagt Henrik Oscarson, Technical Manager des Bulten Produktionsbetriebs in Hallstahammar, Schweden. „Je nachdem, wo das Befestigungselement zum Einsatz kommen soll, gibt es eine Reihe verschiedener Optionen für die Herstellung der richtigen Schraube.“

DAS KALTUMFORMEN BEGINNT mit großen Stahlwalzdrähten, die abgerollt und auf Länge geschnitten werden. Die Stahlsorte ist in der gesamten Branche entsprechend den Anforderungen von ISO 898-1 genormt. Mithilfe von Spezialwerkzeug wird der Draht dann kalt in die richtige Form gewalzt. Hier wird der Stahl im Grunde bei Raumtemperatur und unter hohem Druck durch Pressformen gezogen. Das Werkzeug selbst kann sehr komplex sein und bis zu 200 verschiedene Teile mit Toleranzen im Hundertstel-Millimeter-Bereich beinhalten. Einmal perfektioniert, ermöglicht das Kaltumformen eine schnelle Herstellung der Schrauben in großen Mengen und mit hoher Homogenität.

Kompliziertere Ausführungen, die sich nicht allein durch Kaltumformen konturieren lassen, können weitere Dreh- oder Bohrschritte erfordern. Beim Drehen wird die Schraube mit hoher Geschwindigkeit rotiert, während gleichzeitig Stahl abgetragen wird, um die gewünschte Form zu erreichen. Bohren kann dazu dienen, die Schraube mit Löchern zu versehen. Falls erforderlich, können einige Schrauben an dieser Stelle des Verfahrens auch mit Keilsicherungsscheiben versehen werden.

DIE WÄRMEBEHANDLUNG IST ein Standardverfahren für alle Schrauben, in dem diese extremen Temperaturen ausgesetzt werden, um den Stahl zu härten. Ihr Gewinde erhält die Schraube in der Regel vor der Wärmebehandlung, entweder durch Rollen oder durch Schneiden, wenn der Stahl weicher ist. Das Rollen funktioniert ähnlich wie das Kaltumformen, wobei die Schraube durch eine Pressform geleitet wird, um aus dem Stahl ein Gewinde zu formen. Beim Schneiden wird das Gewinde durch Fräsen und Abtragen des Stahls gebildet.

Da bei der Wärmebehandlung die Eigenschaften des Stahls verändert werden, um ihn härter zu machen, ist es einfacher und kostengünstiger, das Gewinde vorher zu formen. Allerdings führt das Gewindeformen nach der Wärmebehandlung zu einer besseren Ermüdungsfestigkeit.

„Die Wärmebehandlung kann Wärmeabdrücke und kleinere Schäden an der Schraube hinterlassen“, erklärt Henrik Oscarson. „Aus diesem Grund verlangen einige Kunden das Gewindeschneiden nach der Wärmebehandlung, besonders für Anwendungen wie Motoren- und Zylinderkopfschrauben. Dieses Verfahren ist sehr teuer, da gehärteter Stahl geformt werden muss, aber dafür bleiben die Gewinde besser in Form.“

Bei Schrauben, deren Länge mehr als das Zehnfache des Schraubendurchmessers beträgt, kann die Wärmebehandlung dazu führen, dass der Stahl wieder die Rundungen des ursprünglichen
Stahldrahts annimmt. Daher ist häufig ein zusätzlicher Glättungsprozess erforderlich.

DIE WAHL DER OBERFLÄCHENBEHANDLUNG richtet sich nach der Anwendung der Schraube und den Anforderungen des Kunden. Das größte Problem bei den Befestigungselementen ist oftmals ihre Korrosionsbeständigkeit, weshalb eine verzinkte Beschichtung im Elektrolyseverfahren eine gängige Lösung darstellt. Hierbei wird die Schraube in eine Flüssigkeit mit Zink getaucht und es wird ein elektrischer Strom angewendet, sodass das Zink eine Schicht über der Schraube bildet. Die elektrolytische Behandlung birgt allerdings die erhöhte Gefahr einer Wasserstoffversprödung. Eine weitere Option sind Zinkflakes, die eine noch höhere Korrosionsbeständigkeit bieten, aber auch teurer sind.

WENN DIE KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT kein Problem ist, beispielsweise in einem Motor oder bei einer Anwendung, die regelmäßig Öl ausgesetzt ist, ist die Verwendung von Phosphat eine kostengünstigere Möglichkeit. Nach Abschluss der Oberflächenbehandlung können Standardschrauben in der Regel verpackt werden. Komplexere Ausführungen können aber noch zusätzliche Bauteile wie Klammern erfordern. Für andere Schrauben kann auch eine Form von Sicherung notwendig sein, entweder eine Gewindesicherung oder ein Sicherungslack. Eine Gewindesicherung besteht aus einer dicken Nylonschicht über dem Gewinde, wodurch die Griffigkeit verbessert wird. Ein Sicherungslack hilft, das gewindeformende Drehmoment zu verbessern.

NACHDEM DIESE SCHRITTE abgeschlossen sind, ist die Schraube fertig. Nun fehlt nur noch die Qualitätskontrolle, um Gleichmäßigkeit und Kohärenz sicherzustellen, bevor die Schrauben für den Transport verpackt werden können.

DIE STADIENGÄNGE

1. DRAHT
Abgerollt, geglättet und auf Länge geschnitten.

2. KALTUMFORMEN
Der Stahl wird bei Raumtemperatur in die richtige Form gebracht.

3. SCHRAUBENKOPF
Schrittweise geformt, indem der Stahl unter hohem Druck durch mehrere Pressformen gezogen wird.

4. GEWINDE
Das Gewinde entsteht durch Rollen oder Schneiden.

5. WÄRMEBEHANDLUNG
Die Schraube wird extremer Hitze ausgesetzt, um den Stahl zu härten.

6. OBERFLÄCHENBEHANDLUNG
Abhängig von der Anwendung. Eine Zinkbeschichtung ist üblich, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen.

7. VERPACKUNG/LAGERUNG
Nach der Qualitätskontrolle zur Sicherstellung der Gleichmäßigkeit und Kohärenz werden die Schrauben verpackt.

Highspeed für den Transport von morgen

Erstveröffentlichung Bolted #1 2018.

IM JAHR 2015 initiierte Elon Musk, der Milliardär hinter den futuristischen Technologieunternehmen Tesla und SpaceX, den sogenannten Hyperloop Pod Competition. Der Wettbewerb
ruft Studenten zur Entwicklung der besten Transportkapseln für den Hyperloop auf – Musks Traum, in dem Menschen in einer frei schwebenden Kapsel bei nahezu Überschallgeschwindigkeit
durch ein riesiges Röhrennetz befördert werden, das die größten Städte der Welt miteinander verbinden soll.

Im Rahmen des Wettbewerbs 2017 wurde schließlich dem Team WARR Hyperloop der Technischen Universität München die lasergesinterte Titan-Siegertrophäe überreicht. Im Wettbewerb brach es mit seiner Kapsel, bei der für jede Schraube original Nord-Lock Keilsicherungsscheiben zum Einsatz kamen, den weltweiten Geschwindigkeitsrekord für den Hyperloop.

DAS 30-KÖPFIGE Team WARR Hyperloop war in mehrere kleinere Teams unterteilt, die für verschiedene Bereiche von CAD-Konstruktion und -Struktur bis hin zu Beschaffung, Finanzen und Marketing zuständig waren. Florian Janke, Teamleiter für CAD-Konstruktion und -Struktur, war inspiriert von Musks Vision eines superschnellen futuristischen Transportsystems und insbesondere von der Vorstellung, dass Menschen eines Tages in nur 30 Minuten von München nach Berlin reisen könnten.

„Als Elon Musk mit seinen SpaceX-Wettbewerben begann, musste ich einfach dabei sein. Wir haben in allen Phasen des Hyperloop Pod Competition gut abgeschnitten. In der letzten, bei der es um die maximale Geschwindigkeit ging, erreichten wir einen Wert von 324 km/h“, sagt er.

Die leichte Kapsel des Teams WARR Hyperloop brach den bisherigen Geschwindigkeitsrekord des in Kalifornien ansässigen Unternehmens Hyperloop One von 310 km/h, dessen Kapsel diese Geschwindigkeit in einer 500 Meter langen Röhre erreicht hatte. „Beim Testen mit derart hohen Geschwindigkeiten in einer relativ kurzen Röhre von 1,2 km Länge haben wir natürlich enorm viel Beschleunigung und Schwingung“, erklärt Janke. „Sichere Schrauben waren daher besonders wichtig, weshalb wir uns für die Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock entschieden haben, mit denen die Schrauben bombenfest sitzen. Einfach perfekt.“

Das WARR-Team ist für den kommenden dritten Hyperloop-Wettbewerb angemeldet und hat bereits die erste Auswahlrunde hinter sich. Obwohl einige Teammitglieder im neuen Team für 2018 wieder aktiv sind, wenn auch mit neuen Funktionen und Aufgaben, studieren die meisten von ihnen nebenher weiter. Einige sind auch viel auf Messen unterwegs, um die Gewinnerkapsel von 2017 auszustellen.

DA DAS TEAM SEHR ENG MIT EINER VIELZAHL VON HERSTELLERN ZUSAMMENGEARBEITET HAT, um die finanzielle Unterstützung sowie verschiedene Teile zu erhalten, haben einige Teammitglieder bereits Gespräche mit diesen Unternehmen geführt und ziehen inzwischen eine Anstellung dort in Betracht.

Die besten Tipps vom Verschraubungsexperten

Bolted hatte die einzigartige Gelegenheit, Japans führenden Experten für Schraubenverbindungen, Doktor Tomotsugu Sakai, zu treffen. Sein Buch „Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications“ gilt nach wie vor als Standardwerk auf dem Gebiet geschraubter Befestigungen.

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

Wie definieren Sie eine ideale Befestigung, auf die Sie auch in Ihrem Buch eingehen?

„Im Idealfall sollte eine Befestigung auf der Verwendung von weit verbreiteten, standardisierten Befestigungselementen basieren und nicht auf individuell konstruierten Teilen. Noch wichtiger aber ist, dass die ideale Befestigung eine Schraubenbefestigungskonstruktion gewährleisten sollte, die zu keiner Art von Versagen führt. Die gesamte Gestaltung eines Produktes verliert ihre Gültigkeit, wenn auch nur ein einziger Ausfall auftritt. Jeder einzelne Aspekt muss beachtet werden. Für mich ist eine „Beurteilung ohne jede Auslassung“ am wichtigsten.

Ist es von Vorteil, Schmiermittel bei der Schraubenbefestigung zu verwenden?
„Ja, wenn die befestigten Objekte nicht gegeneinander gleiten, ist die Verringerung des Reibungskoeffizienten in jeder Hinsicht vorteilhaft. Wenn sich die befestigten Objekte in einer „Lockerungsumgebung“ befinden, ist deren Lockerung wahrscheinlicher, wenn der Reibungskoeffizient niedrig ist, aber dies führt nicht notwendigerweise zu einer Lockerung.
In einer „Lockerungsumgebung“ befinden sie sich dann, wenn sie durch eine Kraft, die einen bestimmten Grenzwert überschreitet, gezwungen werden, gegeneinander zu gleiten.

Wie führen von außen einwirkende Kräfte zum Gleiten, basierend auf Scherrichtung, Axialrichtung und Torsion?
„Wenn eine äußere Kraft in Scherrichtung einwirkt, führt sie zum Gleiten. Wirkt sie in axialer Richtung ein, trennen sich die befestigten Objekte voneinander – Separation. Unter diesen Bedingungen gilt, je niedriger der Reibungskoeffizient in der Trennfuge, desto wahrscheinlicher ist ein spontanes Lösen.

Beim Schreiben von „Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications“ habe ich die konventionelle Sicht des Gleitphänomens verwendet, die das Gleiten von befestigten Objekten auf der Kontaktfläche erklärt – das sogenannte „Makrogleiten“. Das kann mit bloßem Auge beobachtet werden, da diese Art von Gleiten für eine visuelle Bestätigung nur 0,1 mm betragen muss. Um das Jahr 1988 wurde festgestellt, dass vor dem Makrogleiten ein nicht sichtbares „Mikrogleiten“ auftritt, das eine Drehung bewirkt, die so mikroskopisch klein ist, dass sie nicht mit bloßem Auge bestätigt werden kann, egal ob sie in Lockerungsrichtung oder nicht erfolgt. Dieses Phänomen, „Mikrogleiten“, verursacht eine allmähliche Abnahme der Axialkraft. Es wurde erstmals in einem Artikel im ‚Journal of the Japan Society for Precision Engineering‘ vorgestellt.“

„Wenn befestigte Objekte miteinander in Kontakt sind, kann der Gleitwert eines bestimmten Abschnitts der Kontaktfläche oder anderer Abschnitte durch herkömmliche Experimente nicht gemessen werden. Aber alle diese Werte lassen sich mithilfe der Finite-Elemente-Methode, FEM, berechnen. Sie wird etwa seit dem Jahr 2000 in der Befestigungsindustrie verwendet und kommt heute bei den meisten Forschungsarbeiten über Verbindungselemente mit Gewinde zum Einsatz. In einem Artikel von Doktor Satoshi Izumi et al. aus dem Jahr 2006 wurde die Entdeckung bekanntgegeben, dass nicht beim Makrogleiten (deutliches, sichtbares Gleiten), sondern beim Mikrogleiten (nicht sichtbares, mikroskopisch kleines Gleiten) eine allmähliche Drehlockerung auftritt. Als ich den Artikel zum ersten Mal las, war ich schockiert; er besagt, dass ein wiederholtes Auftreten von Mikrogleiten zu einer mikroskopisch kleinen Drehlockerung in einer Größenordnung von 1 Grad pro 1.000 Mal oder 1/1000 Grad bei jedem Mal führt. Eine Drehung um 1/1000 Grad ist mit bloßem Auge nicht erkennbar. Mit der Finite-Elemente-Methode kann sie jedoch perfekt untersucht werden und es wurde nachgewiesen, dass Mikrogleiten eine Drehlockerung verursacht. Nun war ich in Schwierigkeiten! [lacht] Die Ergebnisse stellten das Konzept eines kritischen Gleitwertes auf drastische Weise in Frage.

Ich hatte gedacht, dass Mikrogleiten zwangsläufig zu Reibverschleiß führt, zog jedoch nicht in Betracht, dass es eine Drehlockerung bewirken könnte. Zu dieser Zeit hatte ich keine Möglichkeit, das zu testen. Es war eine Erfahrung, die mir die Augen geöffnet hat.”

Fakten: Mikrogleiten
Ein Gleiten, das mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Es verringert nach und nach die Klemmkraft und kann letztlich zu einer sichtbaren Drehlockerung (Makrogleiten) führen. Auch Setz- und Relaxationserscheinungen des Materials können die Klemmkraft herabsetzen. Um beiden Arten des Gleitens entgegenzuwirken, hat die Nord-Lock Gruppe die X-series Keilsicherungsscheiben entwickelt. Durch ihre Federwirkung wird Klemmkraftverlust vermieden, während die Keilwirkung ein spontanes Lösen und eine Lockerung der Schraube verhindert.

Facten: Doctor Tomotsugu Sakai

  • 1941 – Geboren in Okazaki City, Japan
  • 1979 – Erhält nach der Arbeit für die Toyota Motor Corporation seinen Doktortitel in Maschinenbau; beschäftigt sich vor allem mit der Festigkeits- und Dauerbelastungsprüfung, Forschung und Entwicklung von verschiedenen Automobilteilen.
  • 2001 – Wechselt zu Toyota Techno Service Corp und ist dort für die Weiterbildung und technische Beratung auf dem Gebiet von Schraubenverbindungen zuständig.
  • 2007 – Geht in den Ruhestand und gründet die Firma „Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineering“, in der er sich bis heute auf die technische Beratung und Ausbildung im Bereich Schraubenverbindungen konzentriert.

Nukleare Sicherheit durch dreifachen Schutz

23 Februar 2018
Kommentar

Text: Ulrich Schamari

Foto: ILLUSTRATIONEN: Daher Nuclear Technologies

Erstveröffentlichung Bolted #2 2017.

DIE HERAUSFORDERUNG

Daher Nuclear Technologies GmbH aus Hanau bei Frankfurt am Main, Deutschland, entwickelt Behälter für den Transport radioaktiver Stoffe. Aus offensichtlichen Gründen müssen diese Behälter extrem sicher sein.

Bei der Konstruktion eines neuen Behälters für Uranhexafluorid-Transporte musste das Unternehmen die sehr strengen internationalen und nationalen Auflagen berücksichtigen, einschließlich der Empfehlungen der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEA) für den Transport im Straßen-, Schienen- und Seeverkehr. Ein Behälter, der diese Anforderungen erfüllt, muss zum Beispiel den mechanischen und thermischen Belastungen wiederstehen, die bei einem Unfall auftreten können.

Diese mechanischen Unfallbelastungen werden durch eine Reihe von Prüfungen definiert, die einen Fall aus einer Höhe von 120 Zentimetern, gefolgt von einem Fall aus 9 Metern Höhe und anschliessend einem Fall aus einem Meter auf eine Spitze beinhalten. Dabei muss der Behälter dicht bleiben, so dass die nachfolgende thermische Prüfung in Form eines Brandes die Sicherheit des Behälters nicht beeinträchtigt.

DIE LÖSUNG

Daher konstruierte die Behälterschlösser so, dass sich die Verriegelungsbolzen beim Verladen des Behälters auf einen Lkw oder während des Transportes unter keinen Umständen lockern oder verloren gehen können. Die intensive Suche nach der optimalen Lösung führte das Unternehmen schließlich zu den Nord-Lock Keilsicherungsscheiben des Typs NL16-254SMO. Diese Keilsicherungsscheiben sind ein wichtiger Bestandteil des von Daher eingesetzten dreifach geschützten Verriegelungssystems: Das Schloss ist mit einem Bolzen gesichert, der wiederum durch einen weiteren Bolzen verriegelt wird. Die Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock befinden sich unter dem zweiten dieser Bolzen. Jeder Behälter verfügt über sechs Schlösser und jedes Schloss ist mit einem Paar der Nord-Lock Keilsicherungsscheiben ausgestattet.

DAS ERGEBNIS

Durch den Einsatz der Nord-Lock Keilsicherungstechnologie können sich die Verriegelungssysteme an den Daher-Transportbehältern für die Nuklearindustrie nicht mehr durch Vibrationen oder Belastungen lockern, sondern bleiben fest und sicher verriegelt. Daher war außerdem positiv von der Kosteneffektivität und problemlosen Wartung dieser Nord-Lock Produkte überrascht. Bei Bedarf lassen sich die Keilsicherungsscheiben jederzeit austauschen, um sicherzustellen, dass die Transportbehälter in einwandfreiem Zustand bleiben. Die Behälter haben eine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren – wozu die Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock ihren Teil beitragen