BOLTED

Foro sobre la optimización
del aseguramiento de uniones atornilladas

Washers reduce costs in propeller assembly

During the worst shipping crisis in history, Mecklenburger Metallguss reinvented the ship propeller to help the world’s largest container ships sail through the storm.

It’s late in the evening and heavily loaded lorries escorted by police cars, blue lights flashing, move through the sleepy town of Waren, north-eastern Germany. Yet the residents of the quaint little houses aren’t worried; they know it’s just another ship propeller about to leave town. Waren, with some 20,000 inhabitants, is home to Mecklenburger Metallguss GmbH (MMG) – a world leader in the design and production of propellers for large container ships. One of its crea-tions, a 131-ton, huge six-blade propeller for Maersk, holds the world record for the largest ship propeller.

It’s a tricky transport challenge. Hamburg, Germany’s largest sea-port, is more than 200 kilometres away and stopping on the autobahn is time-consuming for the convoy of long and heavy vehicles. Some years ago, a whole A-road, along with two railway tracks, had to be moved as the company grew and propeller transports kept jamming the traffic. So, what is an XXL ship supplier like MMG doing this far from the sea?

“We started manufacturing propellers 70 years ago, as the area was a Soviet occupation zone and the East German ship building industry had to be rebuilt after the war,” explains Jörn Klüss, Head of Design and Construction at MMG and a Waren native. “Back then, ship propellers were a lot smaller. Today, the know-how in the region is what makes us stay.”

CARGO CAPACITY has grown 1,200 percent over the past 40 years. Fifteen years ago, ships moved 5,000 TEU (twenty foot equivalent unit, a standard 6.1-metre shipping container). Today, ultra-large container ships load 22,000 TEU.

However, container demand collapsed during the financial crisis in 2009, and orders for new propellers stopped. “What saved us was our  ‘Retrofit’ programme,” says Klüss, “a new generation of propellers that optimises efficiency in old ships.”

UNTIL THEN, propellers were built for ships operating at the highest possible speed. After the crisis, ships started slow steaming with engines running below capacity to cut fuel consumption. Ships that used to cross the oceans at 25 knots (46.3 km/h) slowed down to 18 knots (33.3 km/h) or less.  “The slower an engine runs, the larger you can go on the propeller,” explains Klüss. “By analysing individual operating profiles, we adapt the number of blades and the diameter to determine the most efficient individual propeller.”

The company also analysed the propeller cap – the part of the propeller behind the blades that protects the steel components of the propeller shaft from seawater corrosion. It created a new energy saving cap (MMG-escap) with a new fin design that straightens the hub vortex, reducing the required torque and preventing wear on the rudder. These innovations made it possible to increase efficiency by up to 10 percent, sav-ing roughly EUR 200,000 for an Asia-Europe voyage.

MANY SHIPPING COMPANIES showed interest in upgrading old propellers with the MMG-escap, which alone increases propulsion system efficiency by up to 3 percent. Conventionally, propeller caps are fitted to the propeller with bolts secured by a chemical locking adhesive. But this requires the ship to dock for at least three days, incurring docking fees of about USD 15,000 per day, plus the cost of removing the ship from its sailing schedule. “We started thinking about attaching the new cap underwater, using divers,” says Klüss. “But that excludes the use of adhesives, which need oxygen to harden. That is how we found out about wedge-locking washers and the inventor of this technology – Nord-Lock.”

HOWEVER, the strictly regulated shipping industry relies on classification societies to ensure safety at sea and define technical standards for ship construction and operation. A ship cannot operate without classification, as it won’t get insurance or freight orders. The Nord-Lock washers hadn’t been tested and approved for use with the special copper alloy used in the propeller cap, so a certification that the washers efficiently secured the propeller cap was urgently needed. Every ship building country has its own classification organisation, and MMG works with all of them. In this case, they contacted DNV GL, one of the largest.

“If the shipping company and classification society agree, you may implement an application and perform a subsequent verification,” explains Klüss. “The Nord-Lock washers already had multiple certifications and DNV GL was motivated to test for another one due to our innovative steel-copper alloy combination.”

THE FIRST UNDERWATER ASSEMBLY of a propeller cap with Nord-Lock washers was carried out in 2014 on a large European container ship. Three divers only needed 1.5 days to do it during regular port time and without docking fees – a success. MMG, DNV GL and Nord-Lock met in September 2016. Less than a year later, the washers had been tested and approved.
“The shipping industry is very conservative,” says Klüss. “But we’ve convinced them of the diver solution’s merits, and Nord-Lock is now our new standard for all bolted joint applications.”

FACTS:
CUSTOMER:  Mecklenburger Metallguss GmbH.
END CUSTOMERS: Shipping companies across the globe, ship yards mainly in Asia.
LOCATION: Waren (Müritz) in Mecklenburg-Vorpommern, Germany.
APPLICATION: Securing a ship propeller cap with Nord-Lock washers instead of adhesives.
NORD-LOCK GROUP SOLUTION: SMO washers for stainless steel bolts.

BENEFITS GAINED:
■ Excellent locking reliability.
■ Reduction of assembly errors thanks to ease of use.
■ Possibility to fix the propeller cap to an existing propeller under water.

“There’s no stock, no waste, and it can be done locally”

26 junio 2018
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Texto: Richard Orange

foto: Simon Van Boxtel

Since its launch in 2013, Dutch 3D printing start-up 3D Hubs has produced over a million parts, making it the world leader in distributed manufacturing. Chief Marketing Officer Filemon Schöffer explains the concept.

What is the thinking behind 3D Hubs?
“The current value chain in which goods are manufactured produces a lot of waste. Many products have been produced in very high amounts for economies of scale, but roughly one third never get sold. What distributed manufacturing can bring is ‘on-demand manufacturing’, so goods are only produced the moment they’re sold. There’s no stock, no waste, and it can be done locally.

“3D printing is a new manufacturing technology, and in that it’s doing really well. The scepticism is based on the consumer market, where few people see anything happening. So that would be my message: it’s in the manufacturing sector.”

So, what benefits does 3D printing bring to manufacturing?
“For injection moulding, the most common process used for manufacturing in China, you need to build a mould first, and that means that there are a lot of up-front costs. Without moulds, 3D printing is very price competitive for small-batch production. It’s also on-demand, so if you upload a file now, we can start producing instantly. And because it’s additive, you can do highly complex geometries.”

Are there any specific industries or applications that benefit?
“3D printing is completely conquering the prototyping market. Then industries that need small-batch production of highly complex geometries, such as prosthetics, hearing aids and dental implants. There are already a lot of commercial aircraft with 3D printed parts in them. Replacement parts are also a very large business, which really leverages the on-demand aspect of 3D printing.”

What are the benefits for the fastener industry?
That’s an interesting case actually. As fasteners, almost by definition, are standardised parts, they are typically not suitable for 3D printing – simply not price competitive. However, in a wider context, from a value chain perspective – 3D printing can offer a lot in terms of replacement parts and ‘ondemand’ turn-around. Especially in the technical service branch, we see 3D printing used
a lot for these benefits, even for standardised parts. This is where I would see fasteners of any kind benefit as well.

FACTS: FILEMON SCHÖFFER
TITLE: Chief Marketing Officer, 3D Hubs, Amsterdam, The Netherlands.
AGE: 32.
BACKGROUND: I’m an industrial design engineer and physicist, so I know a lot about manufacturing, but I’ve always worked in ads and creative campaigning.
LIVES: Near the 3D Hubs office among the start-ups, galleries and hip bars of Amsterdam’s trendy Westerpark district.
PASSION: AFC Ajax.
INTERESTING FACT: Filemon’s ancestor Peter worked with Gutenberg in the 15th century. “3D printing has a lot of potential to localise manufacturing of lots of things, it distributes both skill and know-how, and I think that’s comparable to what the printing press did.”

► Video: Watch how Superbolt uses 3D printing in their research and development

Safe and effective wind turbine maintenance

NEARLY TWO YEARS AGO, US company All Energy Management (AEM) began developing retrofits and training com-panies that service a fleet of 1,000 wind turbines in the UK, the US, Canada and Italy.

When embarking on repair work, it was found that the pins attaching the turbine blades to the rotor were wearing prematurely, along with the rotor holes. Line boring and welding when up on the turbine tower was not possible due to weight and space constraints. The only solution was to replace the rotor and pins, which took roughly 10 working days and cost USD 15,000.

Subsequently, AEM began discussions with Expander about developing a solution that would increase speed, improve efficiency and maintenance safety, and ultimately reduce costs. AEM developed a system to bore the holes out before installing the pins to ensure a reliable connection. Sets of three pivot pins and three different oversized sleeve options were supplied by Expander, which fitted perfectly into the holes depending on the degree of wear.

Fewer parts meant faster and simpler installation, while the Expander System also provided a perfect fit into the borehole, eliminating further movement causing wear. AEM has now been using the solution for over a year and is delighted with the results. “Instead of taking three days with four workers onsite to repair a turbine, it now takes us less than a day with only two workers required,” says Ian Sleger, Operations Manager. “The guys at Expander are really accommodating and the solution has freed us up to concentrate on other matters.”

Los ganadores de un concurso de SpaceX optan por arandelas de bloqueo en cuña

Publicado por primera vez en Bolted #1 2018.

EN 2015, ELON MUSK, el multimillonario detrás de las futuristas empresas de tecnología de transporte Tesla y SpaceX, lanzó la Hyperloop Pod Competition, que desafía a los estudiantes universitarios a diseñar los mejores módulos de transporte para el Hyperloop, el sueño de este emprendedor, que permitirá a la gente desplazarse dentro de una cápsula levitante a velocidades casi supersónicas a través de una gigantesca red de túneles entre las principales ciudades del mundo.

En el certamen de 2017 fue el equipo WARR Hyperloop de la Universidad Técnica de Múnich el que finalmente se alzó con el trofeo de titanio sinterizado por láser. Durante la competición batieron un registro mundial de velocidad en cápsula de Hyperloop con ayuda de arandelas de bloqueo en cuña Nord-Lock destinadas a asegurar cada uno de los pernos de su bólido.

LOS 30 INTEGRANTES del equipo WARR Hyperloop se dividieron en varios subgrupos para la gestión de distintas áreas, desde el diseño CAD y la estructura a las tareas de aprovisionamiento, financiación y marketing. Florian Janke, responsable del subgrupo de diseño CAD y estructura, afirma que se inspiraron en la visión de Musk sobre un futurista sistema de transporte ultrarrápido y, en particular, en la idea de que un día la gente podría desplazarse entre Múnich y Berlín en solo media hora.

“Cuando Musk lanzó sus concursos de SpaceX, me dije que tenía que formar parte de ello. Nos fue yendo bien en todas las etapas de la competición sobre cápsulas de Hyperloop. En la última de ellas, centrada en la velocidad máxima, alcanzamos 324 km/h”, señala Janke.

El módulo ligero del equipo WARR Hyperloop pulverizó la marca anterior de 310 km/h lograda por el equipo californiano Hyperloop One, cuya cápsula obtuvo esta velocidad en un tubo de 500 metros de longitud. “Obviamente es mucha la aceleración y la vibración cuando realizas ensayos a una velocidad tan alta en un tubo relativamente corto, de 1,2 km”, explica Janke. “Era esencial poder contar con pernos seguros, por lo que recurrimos a arandelas de bloqueo en cuña Nord-Lock, que sujetan los pernos firmemente. Y funcionaron a la perfección”.

El equipo WARR se ha inscrito en el siguiente concurso Hyperloop, lo que será su tercera edición, y ya ha superado la primera ronda de selección. Si bien algunos de sus miembros se dedican al nuevo equipo, es decir, el de 2018 (aunque con nuevas funciones y responsabilidades), la mayoría prosigue con sus estudios académicos. Unos pocos de ellos visitan distintas ferias de muestras para mostrar la cápsula ganadora del certamen de 2017.

EL EQUIPO COLABORÓ muy estrechamente con un buen número de fabricantes para obtener respaldo financiero y distintos componentes. Posteriormente, algunos de los componentes del mismo han acudido a entrevistas de trabajo con dichas compañías y barajan la posibilidad de incorporarse a estas.

¡Ya está disponible la nueva Edición de la Revista Bolted!

¡La edición de Marzo de 2018 de la revista Bolted ya está disponible! Como en todas las ediciones, hemos llenado la revista con casos interesantes y puntos de vista del mundo de los tornillos.

En esta edición de Bolted, analizamos de cerca lo que entra en el proceso de fabricación de pernos tradicionales, desde acero bruto hasta aplicaciones hechas a la medida.

Le preguntamos al experto Filemon Schöffer sobre los potenciales de la impresión en 3D, y conocemos a la empresa alemana “MMG”, que es líder mundial en la producción de propelas para grandes portacontenedores.

Y por supuesto mucho más.

La revista Bolted está disponible en 9 idiomas – Léalos ahora:
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Los mejores consejos de los expertos en empernado

Bolted tuvo la oportunidad única de reunirse con el doctor Tomotsugu Sakai, el más destacado experto japonés en el ámbito del empernado. Su libro Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications (“Ingeniería de uniones empernadas: principios y aplicaciones”) sigue cosechando una estupenda acogida como la obra definitiva en lo concerniente a las fijaciones de pernos.

First published in Bolted #1 2017.

¿Cómo definiría la sujeción ideal, un tema que también aborda en su libro?
“Lo ideal sería que la sujeción se basara en cierres estándar y fácilmente accesibles, no en piezas de diseño específico. Aún más importante: la fijación ideal debe garantizar un diseño de empernado que no origine ningún tipo de fallo. Toda la concepción del producto queda invalidada con solo producirse un fallo. Debes prestar atención a cada uno de los aspectos. Para mí, lo principal es la ‘evaluación sin omisión alguna’”.

¿Ofrece el uso de lubricantes una ventaja en la fijación por pernos?
“Sí, si los objetos unidos no se deslizan el uno contra el otro, la reducción del coeficiente de fricción es beneficiosa en todos los aspectos. Si los elementos fijados se insertan en un ‘entorno de aflojamiento’ es más probable que se suelten con un coeficiente de fricción bajo, pero ello no desemboca necesariamente en aflojamiento”.

“Se hallarán en un ‘entorno de aflojamiento’ si se someten reiteradamente a un deslizamiento mutuo con una fuerza que rebase un umbral determinado”.

¿Cómo causan las fuerzas externas deslizamiento en función de la dirección de cizallamiento, la dirección axial y la torsión?
“Si se aplica una fuerza externa en la dirección de cizallamiento originará un deslizamiento. Si, por el contrario, se ejerce en la dirección axial, los objetos fijados se distanciarán el uno del otro, es decir, se obtendrá una separación. Bajo estas condiciones, cuanto menor sea el coeficiente de fricción, más probable es que se produzca un aflojamiento”.

“Al escribir Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications apliqué una visión convencional del fenómeno del deslizamiento, explicando el escurrimiento de los objetos fijados sobre la superficie de contacto, lo que se conoce como ‘macrodeslizamiento’. Esto puede observarse a simple vista, ya que dicho tipo de deslizamiento solo necesita ser de 0,1 mm para su confirmación visual. En torno a 1988 se descubrió que ocurre un ‘microdeslizamiento’ invisible con anterioridad al ‘macrodeslizamiento’, y que genera rotación, pero esta es tan ínfima que, se produzca o no en la dirección de aflojamiento, no puede confirmarse ocularmente. Dicho fenómeno de ‘microdeslizamiento’ disminuye gradualmente la fuerza axial. Fue presentado en un artículo en el Journal of the Japan Society for Precision Engineering”.

”Si los elementos unidos están en contacto mutuo, los experimentos convencionales no son capaces de calibrar el índice de deslizamiento de una sección determinada de la superficie de contacto ni de otras secciones, pero todos estos valores pueden calcularse recurriendo al método de los elementos finitos (MEF), el cual viene utilizándose dentro de la industria de los cierres desde aproximadamente el inicio del milenio. A día de hoy lo aplican la mayor parte de las investigaciones sobre cierres roscados. Un artículo de 2006 de, entre otros, el doctor Satoshi Izumi, anunció que se había detectado un aflojamiento rotacional gradual en el microdeslizamiento (diminuto e invisible) más que en el macrodeslizamiento (evidente y apreciable a simple vista). Me quedé estupefacto cuando leí por primera vez el artículo, donde se afirmaba que si el microdeslizamiento es reiterado provoca un aflojamiento rotacional de un ínfimo grado por cada mil ocasiones, es decir, de una milésima de grado en cada instancia. Una rotación de una milésima de grado no es en absoluto apreciable por el ojo humano. El método de los elementos finitos permite estudiarla perfectamente, quedando demostrado que el microdeslizamiento produce un aflojamiento rotacional. ¡Comprendí que tenía un problema! [Risas] Estos resultados sacudieron drásticamente el concepto de cantidad crítica de deslizamiento”.

“Había creído que el microdeslizamiento propiciaba naturalmente un desgaste abrasivo, pero no pensé que pudiera causar un aflojamiento rotacional. En aquella época no tenía forma de comprobarlo. Fue una experiencia que me abrió los ojos”.

FICHA: Microdeslizamiento
Un deslizamiento no apreciable a simple vista que reduce gradualmente la fuerza de agarre y puede terminar provocando un aflojamiento rotacional visible (macrodeslizamiento). Los asentamientos y relajación del material también pueden disminuir la fuerza de agarre. El Grupo Nord-Lock ha desarrollado las arandelas de serie X, que gestionan ambas formas de deslizamientos neutralizando todo tipo de pérdida de fuerza de sujeción con un efecto de resorte, al tiempo que su efecto cuña impide que el perno se suelte espontáneamente.

FICHA: Doctor Tomotsugu Sakai

  • 1941 – Nace en la ciudad japonesa de Okazaki.
  • 1979 – Tras trabajar para la Toyota Motor Corporation obtiene su título de doctor en Ingeniería dedicándose fundamentalmente al control, investigación y desarrollo de la resistencia y durabilidad de distintos componentes de automóviles.
  • 2001 – Pasa a la Toyota Techno Service Corp, centrando su labor en la formación y asesoría técnica sobre sistemas de fijación roscados.
  • 2007 – Se retira para crear la Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineering, donde ofrece formación y asesoría técnica en el ámbito de la fijación de pernos, labor que desempeña hasta el día de hoy.

Arandelas para una triple protección de los transportes nucleares

23 febrero 2018
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Texto: Ulrich Schamari

foto: ILLUSTRATIONS: Daher Nuclear Technologies

First published in Bolted #2 2017.

EL RETO

Daher Nuclear Technologies GmbH, con sede en la localidad alemana de Hanau, cerca de Fráncfort, desarrolla contenedores para el transporte de material radiactivo. Por motivos obvios, los contenedores tienen que ser extremadamente seguros.

En el diseño de un nuevo contenedor destinado al transporte de hexafluoruro de uranio, la empresa hubo de tener en cuenta la estricta normativa internacional y nacional en este ámbito, incluyendo las recomendaciones del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) sobre transporte por carretera, ferrocarril y marítimo. Por ejemplo, un contenedor que cumple estos requisitos debe debe contar con resistencia mecánica y térmica en caso de accidente.

Estas cargas mecánicas en caso de siniestro se definen mediante una secuencia de pruebas, entre las que se incluye una caída de 120 centímetros, seguida de otra de 9 metros y de una tercera de 1 metro, encima de una estaca. El contenedor debe permanecer hermético, de modo que la siguiente prueba térmica (un incendio) no amenace la seguridad del mismo.

LA SOLUCIÓN

Daher se propuso diseñar los cierres del contenedor de modo que los pernos de bloqueo no pudieran soltarse o perderse bajo ninguna circunstancia durante la carga del contenedor en un camión o en el transporte. La intensa búsqueda de la compañía en pos de una solución óptima la llevó hasta las arandelas de bloqueo en cuña de tipo NL16-254SMO de Nord-Lock. Dichas arandelas de seguridad son un componente importante del sistema de bloqueo de triple protección de Daher: el cierre se asegura con un perno, que se inmoviliza a su vez con otro perno. Las arandelas de bloqueo en cuña de Nord-Lock se ubican bajo el segundo de estos pernos. Cada contenedor incorpora seis cierres, cada uno de ellos a su vez dotado de un par de arandelas Nord-Lock.

EL RESULTADO

Gracias a haber recurrido a la tecnología de bloqueo en cuña de Nord-Lock, los sistemas de cierre del contenedor de transporte Daher para la industria nuclear ya no pueden deteriorarse por causa de vibraciones o tensiones, manteniéndose bloqueados con firmeza y seguridad. A Daher le agradó igualmente comprobar la rentabilidad asociada al uso del producto de Nord-Lock, así como su facilidad de mantenimiento. De requerirse, las arandelas de bloqueo en cuña pueden sustituirse en cualquier momento para garantizar el perfecto estado de los contenedores de transporte. Estos ofrecen una vida útil superior a los 30 años, hecho al que contribuyen las arandelas Nord-Lock.

The Experts: Improving fatigue resistance

First published in Bolted #2 2015.

A: The fatigue capacity of a bolted joint is very small, as compared to its static capacity. To improve fatigue resistance, designers can increase the thread capacity and decrease the alternating stresses at the threads.

To increase the thread capacity, it is recommended to use a rolled thread instead of a cutting process. To increase the bolted joint capacity, utilize multiple smaller fasteners instead of a single larger fastener.

The capacity is also increased by using an improved connector, such as a Superbolt MJT (Multi-Jackbolt Fastener) or Flexnut, which improves the load distribution in the threads and adds elasticity to the bolted joint.

The best way to improve fatigue resistance is to reduce the alternating stresses at the threads. There are three main ways of doing this: Assembly design, assembly tightening, and assembly security.

The assembly design process provides an opportunity for improvement of the load distribution on bolted joints and to reduce the level of external stresses supported by each joint. To facilitate that, keep these principals in mind:

1. Use the highest possible preload
2. Minimize the bolt to load eccentricity
3. Use the largest possible contact surfaces
4. Use the largest possible clamping lengths
5. In most cases, use a preload higher than the working load

Other assembly design options include the use of necked-down studs or bolts, and the use of elastic washers, which counter the effects of relaxation, creeping, and thermal differential elongation.

With regard to assembly tightening, achieving the necessary preload is the main factor in reducing alternating stresses. It is recommended to use calibrated tools with high accuracy. It is also recommended to use a proper lubricant to achieve preload accuracy, and to reduce the risk of seizing. A suitable tightening sequence should be used to mitigate the risk of un-evenly loaded bolts and to ensure overall bolted joint integrity.

Regarding assembly security, it is recommended to secure the bolted joint against loss of preload. Further, secure the assembly against environmental effects, such as corrosion that could initiate a fatigue crack. This may be done through the selection of suitable materials and/or coatings for parts and fasteners.

 

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