Entwicklung technischer Lösungen zur Umsetzung motorspezifischer Restschmutzanforderungen

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Inhalt

Abstract

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation der Arbeit
1.2 Aufgabenbeschreibung und Ziel der Arbeit
1.3 Vorgehen und Struktur der Arbeit

2 Reinigungstechnologie - Grundlagen und Stand der Technik
2.1 Definition Reinigung
2.2 Reinigungsverfahren im Überblick
2.2.1 Waschverfahren
2.2.2. Entgratungsverfahren
2.2.3 Trocknungsverfahren.

3 Analyse - Untersuchung des aktuellen Zustandes
3.1 Entwicklung und Stand der Anforderungen untersuchter Motoren.
3.1.1. Dieselmotor OM
3.1.2. Benzinmotor M271 evo
3.2 Entwicklung und Stand der Anforderungen untersuchter Komponenten.
3.2.1. Zylinderkurbelgehäuse
3.2.2 Zylinderkopf
3.2.3. Kurbelwelle
3.2.4. Pleuelstange
3.2.5. Ölkühler
3.2.6. Pleuellagerschalen
3.3 Analyse vorhandener Reinigungsprozesse
3.3.1. Fertigungsteile OM
3.3.2. Fertigungsteile M271 evo
3.4 Analyse erzielter Reinigungsergebnisse

4 Evaluation - Bewertung des aktuellen Zustandes
4.1 Prävention - Bewertung technischer Vorgaben
4.2 Produkt - Bewertung untersuchter Motorkomponenten
4.3 Prozess - Bewertung vorhandener Reinigungsanlagen
4.4 Praxis - Bewertung der Einsatzbedingungen

5 Lösung - Identifizierung von Optimierungspotential.
5.1 Prävention - Maßnahmen an technischen Vorgaben
5.2 Produkt - Bauteilkonstruktive Maßnahmen.
5.2.1. Reinigungsgerechte Bauteilkonstruktion
5.2.2. Einsatz von Sieben in Medienkreisläufen.
5.3 Prozess - Maßnahm en an Reinigungsanlagen
5.3.1. Bauteilspezifische Maßnahmen an Reinigungsanlagen.
5.3.2. Allgemeine baureihenübergreifende Maßnahmen an Reinigungsanlagen
5.4 Praxis - Maßnahmen im Feld/Service.
5.5 Zusammenfassung der Maßnahmenempfehlungen

6 Zusammenfassung.

7 Ausblick

8 Literatur- und Quellenverzeichnis.

9 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

10 Anhänge

Vorwort

Diese Bachelorarbeit ist Teil des 6. Semesters des Maschinenbaustudiums an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) Stuttgart zum Erreichen des Bachelors of Engineering. Der Bearbeitungszeitraum betrug 12 Wochen innerhalb der Abteilung PPA/PAP.

Der Bereich Produktionsplanung Aggregate (PPA) ist zuständig für Achsen, Getriebe, Motoren, Gießerei und Schmiede.

Die Aufgabengebiete umfassen im Wesentlichen folgende Punkte:

- Planungskoordination und Methoden
- Anlauffabrik und Produktprojekte Powertrain
- Prozessoptimierung Powertrain
- Kaufteil- und Kostenplanung Powertrain

Im Bereich der Produktionsplanung ist die Abteilung PAP (Prozessoptimierung und Anlauffabrik Powertrain) integriert. Diese übernimmt die Verantwortung für die Anlauffabrik Motoren und Getriebe.

Die PPA steht aufgrund der steigenden Anzahl der Produktprojekte vor großen Herausforderungen. In der Übergangsphase zwischen Entwicklung und Produktion leistet die Anlauffabrik einen wichtigen Beitrag zur Übergabe von serienreifen Prozessen, Bauteilen und Aggregaten an die Zielwerke. Mit der Integration der Serienvorbereitung Motoren und Getriebe in die Produktionsplanung Aggregate im September 2008 wurde die Rolle der PPA/PAP als Gesamtprozesstreiber im Zusammenarbeitsmodell der Anlauffabrik Powertrain neu definiert. Im Rahmen von Workshops wurde mit den Partnern aus Entwicklung, Projekten, Logistik und Qualität der Grundstein für einen Businessplan zur Weiterentwicklung der Anlauffabrik gelegt.

Im Jahr 2008 wurden mehr als 1.100 Motoren und Getriebe in der Serienvorbereitung aufgebaut. Dabei haben sämtliche Aggregate die Kernprozesse der Anlauffabrik durchlaufen. Gleichzeitig wurden im Rahmen der durchgeführten Workshops ca. 2.000 Maßnahmen zur produktionsgerechten Produktgestaltung definiert und davon mehr als 1.100 erfolgreich umgesetzt. Des Weiteren wurden für den standardisierten Montageprozess Festlegungen von der Materialbereitstellung bis zu den Betriebsmitteln abgeleitet, sowie zahlreiche Mitarbeiter aus den Zielwerken qualifiziert.

Auch im Jahr 2009 steht die Anlauffabrik vor besonderen Herausforderungen. Im Fokus stehen hierbei der Aufbau der Anlauffabrik für Getriebe am Standort Hedelfingen, der Aufbau und die Qualifizierung von mehr als 1.600 Aggregaten der Neuproduktprojekte von Diesel- und Ottomotoren, sowie die Ausgestaltung und Weiterentwicklung der Anlauffabrikprozesse.¹

Die Thematik der Bauteilsauberkeit spielt im Rahmen der Qualifizierung von Neuproduktprojekte eine wichtige Rolle. Unter Beachtung bisheriger Erkenntnisse müssen Sauberkeitsanforderungen bestimmt und gegeben falls neu definiert werden.

Reinigungsprozesse müssen analysiert und sowohl unter technischen, als auch ökonomischen Gesichtspunkten beurteilt werden. Des Weiteren ist die Untersuchung und Bewertung alternativer Konzepte von Bedeutung.

Die vorliegende Arbeit soll Grundlagenwissen zu Verfahren der Bauteilreinigung vermitteln und eine Hilfestellung zur Umsetzung motorspezifischer Restschmutzanforderungen geben.

An dieser Stelle möchte ich Herrn Dipl.-Ing. Jürgen Pfänder und Herrn Dr.-Ing. Axel Heuberger herzlich für die gute Betreuung und Hilfestellungen danken. Mein Dank geht auch an Frau Manuela Josteit und die Herren Ludger Weber, Andreas Grossmann und Markos Chatziantoniou für die vielen nützlichen Informationen und die gute Unterstützung bei der Informationsrecherche zu dieser Arbeit.

Des Weiteren möchte ich mich bei zahlreichen Helfern zur Analyse der angewandten Reinigungstechnologien bedanken. Folgende Personen haben mich mit vielen hilfreichen Informationen tatkräftig unterstützt und sollen an dieser Stelle namentlich erwähnt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Stuttgart, den 07. September 2009 Markus Wagner

Inhalt

Die vorliegende Bachelorarbeit soll der Erarbeitung und dem Vermitteln von Grundlagenwissen zur Thematik Bauteilreinigung, sowie der Maßnahmenempfehlung bei der Umsetzung motorspezifischer Restschmutzanforderungen dienen.

In der Einleitung wird kurz auf den derzeitigen Trend in der Motorenentwicklung eingegangen und die Motivation für diese Bachelorarbeit dargestellt. Des Weiteren beinhaltet die Einleitung eine ausführliche Aufgabenbeschreibung und die Zielsetzung der Arbeit.

Im darauffolgenden Kapitel werden die Grundlagen der Reinigungstechnologie erläutert. Nach der Begriffsdefinition „Reinigung“ erfolgt ein Überblick zu den aktuellsten und am häufigsten angewendeten Reinigungsverfahren.

In der Beschreibung des derzeitigen Technikstandes werden zunächst kurz die beiden untersuchten Motoren und anschließend die betrachteten Komponenten beschrieben. Mit der Unterscheidung zwischen intern gefertigten Bauteilen und Kaufteilen erfolgt anschließend eine umfassende bauteilspezifische Analyse der vorhandenen Reinigungstechnologien. Zuletzt wird in diesem Kapitel auf baureihenübergreifende Reinheitsanforderungen und Ergebnisse von Restschmutzanalysen eingegangen.

Im vierten Kapitel wird eine Bewertung des zuvor betrachteten Zustandes vorgenommen. An dieser Stelle soll auf die festgelegten Reinheitsanforderungen eingegangen und eine Bewertung der Bauteile hinsichtlich vorzunehmender Änderungsmaßnahmen durchgeführt werden. Zuletzt wird mit Hilfe einer Bewertungsmatrix eine Beurteilung der vorhandenen Reinigungsprozesse und Restschmutzergebnisse vorgenommen.

Im Anschluss an die Bewertung erfolgt die Identifizierung von Optimierungspotential im fünften Kapitel. Bei der Umsetzung von technischen Lösungen muss der Einfluss verschiedener Bereiche kritisch betrachtet werden. Nach der Benennung unterschiedlicher Maßnahmen für jeden Bereich erfolgt am Ende des Kapitels eine Zusammenfassung der Maßnahm enempfehlungen.

Es ist anzunehmen, dass die Restschmutzanforderungen funktionsrelevanter Bauteile weiter steigen. Aus diesem Grund muss darauf geachtet werden, dass die vorliegende Arbeit den derzeitigen Stand der Technik auf Grundlage bestehender Anforderungen untersucht. Diese Anforderungen können sich in Zukunft verändern.

Abstract

The present bachelor thesis should serve the development and providing of basis knowledge for the topic component cleaning, as well as the measure recommendation with the conversion of residual dirt requirements specific for engine.

In the introduction it is briefly entered on the present trend in the engine development and the motivation is shown for this bachelor thesis. Besides, the introduction contains a detailed description of the problems and the objective of the work.

In the next chapter the bases of the cleansing technology are explained. According to the concept definition “cleaning” an overview occurs to the most topical and most often applied cleansing procedures.

In the description of the present technology state the both examined engines and the observed components are described briefly. Afterwards with the differentiation between inside made components and purchase parts a comprehensive analysis specific for component of the available cleansing technologies occurs. Last it is entered in this chapter at class-covering cleanness standards and results by residual dirt analysis.

In the fourth chapter an assessment of the observed state is carried out. At this point should be entered at the agreed cleanness standards and an assessment of the components concerning change measures to be carried out. Last a judgement of the available cleansing processes and residual dirt results is performed with the help of an assessment matrix.

After the assessment the identification of optimisation potential occurs in the fifth chapter. With the conversion of technical solutions the influence of different areas must be observed critically. After the designation of different measures for every area a summary of the measure recommendations occurs at the end of the chapter.

It is to be supposed that the residual dirt requirements of components relevant for function further rise. That's why it must be paid attention to the fact that the present work examines the present state of the technology for basis of existing demands. These demands can change in future.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Um auf die aktuelle Thematik dieser Arbeit zu sprechen zu kommen wird in diesem Kapitel zunächst der derzeitige Trend in der Motorenentwicklung beschrieben und die Motivation für diese Bachelorarbeit dargestellt. Darauf aufbauend werden die einzelnen Aufgabenstellungen erläutert und das Ziel der Untersuchungen definiert. Zuletzt soll anhand einer anschaulichen Tabelle dargestellt werden, wie bei der Erarbeitung der Aufgaben und bei der Lösungsgenerierung dieser Bachelorarbeit vorgegangen wurde.

1.1 Motivation der Arbeit

Bei der Herstellung von Motorenkomponenten stehen die Produktionsbereiche sämtlicher Automobilhersteller vor neuen Herausforderungen. Aufgrund der stetigen Weiterentwicklung von Antrieben unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten und den damit verbundenen technischen Innovationen gewinnt die Bauteilsauberkeit zunehmend an Bedeutung.

Der Anstieg der Bauteilanforderungen basiert im Wesentlichen auf der Gesetzgebung und den angewandten Technologien. Auch die angestrebten Kosten- und Qualitätsvorgaben spielen hierbei eine wichtige Rolle.

Automobilhersteller sind aufgrund der ACEA-Selbstverpflichtung und den EU-Normen gezwungen Aggregate mit geringerem Kraftstoff- und reduziertem Ölverbrauch zu entwickeln. Diese Forderungen machen oftmals eine Reduzierung von Reibung und Verschleiß notwendig.

Parallel zu den Gesetzesanforderungen führen Entwicklungen im technologischen Bereich zu erhöhten Leistungsverdichtungen, neuen Leichtbaumaßnahm en, zunehm ender Funktionalität und vermehrter Einbindung mechatronischer Systeme. Diese Innovationen sind maßgeblich für die steigenden Anforderungen an das Gesamtsystem verantwortlich.

Die Wettbewerbsfähigkeit eines Fahrzeugherstellers hängt neben der Entwicklung neuer Technologien auch von der Qualität und den Kosten der angebotenen Produkte ab. Um die

Marktposition des Herstellers zu sichern, müssen kostensenkende Maßnahmen ergriffen werden, welche die Produktqualität nicht negativ beeinflussen. Dieses Ziel lässt sich hauptsächlich durch das Senken von Produktionskosten und der Umsetzung robuster Prozesse erreichen.

Aufgrund der zuvor beschriebenen funktionalen, ökologischen und ökonomischen Randbedingungen entstehen ständig höhere Systemanforderungen. Der Anstieg dieser

Anforderungen wird anhand der Entwicklung der spezifischen Leistung und dem Spitzendruck bei Pkw-Dieselmotoren besonders deutlich (Vgl. Abbildung 1.1):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Entwicklung spezifischer Leistung und Spitzendruck bei Dieselmotoren²

In den letzten 10 Jahren hat sich die spezifische Leistungsdichte eines PKW-Dieselmotors verdoppelt und die Leistungsdrücke sind stark angestiegen. In Abhängigkeit von zukünftigen Abgasgesetzgebungen sind weitere Steigerungen absehbar. Diese Leistungs- und Druckanstiege bringen letztendlich einen signifikanten Anstieg der Belastung sämtlicher Motor-Komponenten mit sich.

Damit ein Motor diesen Belastungen standhalten kann, müssen die Systemanforderungen präzise definiert und bei der Produktion berücksichtigt werden. Die Komplexität der Werkstücke nimmt ständig zu, während immer engere Toleranzen gefordert werden.

Einhergehend mit diesen Bedingungen ist eine steigende Empfindlichkeit der Komponenten gegenüber Restschmutzpartikel zu verzeichnen. Aus diesem Grund wird die Bauteilsauberkeit zu einem wesentlichen Qualitätsmerkmal.

Um die geforderten Restschmutzgrenzwerte zu erreichen kommen in der Fertigung verschiedene Wasch- und Reinigungskonzepte zum Einsatz. Unterschiedliche Fahrzeughersteller montieren teilweise Siebe im Wasser- und Ölkreislauf von Aggregaten um Verschmutzungen von funktionskritischen Stellen fern zu halten.

Diese Arbeit soll die Entwicklung der Reinheitsanforderungen von Motorhauptteilen darstellen und verschiedene Möglichkeiten zur Einhaltung dieser Anforderungen untersuchen.²

1.2 Aufgabenbeschreibung und Ziel der Arbeit

Der Titel „Entwicklung technischer Lösungen zur Umsetzung motorspezifischer Restschmutzanforderungen“ der Bachelorarbeit lässt noch einen großen Untersuchungs- und Handlungsbereich offen. Die Thematik der Teilereinigung und Bauteilsauberkeit umfasst ein sehr umfangreiches und komplexes Feld. Im Folgenden sollen daher das Vorgehen und die Aufgabenstellungen präzisiert werden. Dabei werden auch das Umfeld, die vorhandenen Randbedingungen und die Betrachtungsgrenzen dargestellt, sowie das Ziel definiert.

Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht Hauptkomponenten der im Mercedes-Benz Werk Untertürkheim gefertigten Motoren OM651 und M271 evo, wobei der Schwerpunkt der Untersuchungen bei Wasser- und Ölräumen liegt.

Die folgenden Punkte sollen im Rahmen dieser Arbeit nacheinander behandelt werden:

- Aufzeigen der Entwicklung von Anforderungen an die Bauteilsauberkeit und der technischen Hintergründe am Beispiel konkreter Motoren und Bauteile.
- Zusammenstellung und Vergleich aktueller, bauteilspezifischer Restschmutzanforderungen an Motorteilen verschiedener Baureihen.
- Analyse der im Einsatz befindlichen Reinigungs- und Waschtechnik an konkreten Beispielen der Motorhauptteile Kurbelgehäuse, Zylinderkopf, Kurbelwelle und Pleuel unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten.
- Ableitung und Bewertung geeigneter Lösungsansätze unter Berücksichtigung der technischen Anforderungen und ganzheitlicher wirtschaftlichen Aspekte wie Investitionen, Energie- und Wartungskosten oder Stückkosten.
- Analyse und Vergleich alternativer Lösungen wie z.B. Einsatz von Filtern, Sieben oder robusterer Bauteilauslegungen.
- Konzeption bauteilspezifischer Lösungen als Handlungsempfehlung für den Einsatz in der Motorenproduktion.

Ziel der Arbeit ist es, auf Basis der Analyse und Bewertung von motor- oder bauteilspezifischen Funktionen in Verbindung mit Anforderungen an die Bauteilsauberkeit geeignete Konzepte und Handlungsempfehlungen für Motorhauptteile abzuleiten.

Bei der Umsetzung von Maßnahmen muss beachtet werden, dass die ausgeführten Untersuchungen auf den derzeitig vorliegenden Technikanforderungen basieren.

1.3 Vorgehen und Struktur der Arbeit

Die nachfolgende Grafik veranschaulicht, wie bei der Bearbeitung der Aufgabenstellungen vorgegangen wurde. Die Struktur dieser Arbeit spiegelt auch den Weg zur Lösungsfindung wieder.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 Reinigungstechnologie - Grundlagen und Stand der Technik

Die unterschiedlichen Reinigungstechnologien (Reinigen: DIN 8592³ ) zählen bei der Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 zum Prozess „Trennen“ (vgl. Abbildung 2.1). In dieser Gruppe werden alle Verfahren zur Aufhebung des Werkstoffzusammenhaltes an der Bearbeitungsstelle zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Einordnung der Reinigungstechnologie nach DIN 8580

Im nachfolgenden Abschnitt soll zunächst die Bedeutung des Begriffs „Reinigung“ definiert werden. Gleichzeitig wird auf verschiedene Einflussgrößen eingegangen und es erfolgt eine Einteilung der unterschiedlichen Reinigungsleistungen. Der darauffolgende Unterpunkt nimmt eine detaillierte Beschreibung der wichtigsten und am häufigsten verwendeten

Reinigungsprozesse vor. Bei der Untersuchung der einzelnen Reinigungsverfahren werden außerdem die Vor- und Nachteile ausführlich dargestellt.

2.1 Definition Reinigung

Im Herstellungsprozess eines Bauteils können die unterschiedlichsten Verschmutzungsarten auftreten. Die Reinigung ist ein Verfahren zum Abtrennen und Entfernen dieser unerwünschten Stoffe oder Stoffgemenge vom Reinigungsobjekt. In der industriellen Teilereinigung spielt die Entfernung dieser Oberflächenverschmutzungen eine wichtige Rolle.

In Abhängigkeit vom Reinigungsobjekt und dessen Fertigungsverlauf können unterschiedlich viele Reinigungsanlagen mit speziellen Verfahren zum Einsatz kommen. So beinhalten Fertigungslinien von Bauteilen mit komplexer Geometrie meist mehrere Reinigungsanlagen. Diese Zwischenreinigungen sind notwendig, wenn nachfolgende Fertigungs- oder Prüfprozesse eine definierte Bauteilsauberkeit voraussetzen und Verschleppungen von Verunreinigungen verhindert werden sollen.

In Abbildung 2.2 wird schematisch der Verschmutzungsgrad eines Bauteils vom Fertigungs- bis zum Montageprozess dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Verschmutzungsgrad im Fertigungsverlauf⁴

Die Werkstückreinigung geschieht innerhalb der Zwischenreinigung zumeist nur partiell an den zur weiteren Bearbeitung notwendigen Bauteilbereichen. Dies kann beispielweise zur Dichtheitsprüfung unterschiedlicher Medienräume notwendig sein. Die übrigen Stellen werden hierbei nur einer groben Reinigung ohne hohe Anforderungen an die Bauteilsauberkeit unterzogen. Erst am Ende des Fertigungsprozesses wird eine gründliche Endreinigung durchgeführt, so dass die geforderten Restschmutzbedingungen erfüllt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass Kontaminationen teilweise erst in den nachfolgenden Montage- oder Transportprozessen auftreten können.

Bei der Optimierung von Reinigungsprozessen haben Maßnahmen an den Zwischenreinigungsanlagen im Allgemeinen einen größeren Einfluss als Maßnahmen an den Endreinigern. Studien^{5 6} belegen, dass der Anteil der Zwischenreinigung ca. 70% des gesamten Reinigungsaufwandes ausmacht. Auf die Endreinigung entfallen somit lediglich 30%.

Der optimale Reinigungsprozess wird durch die Bauteilgröße, Geometrie, Beschaffenheit, Oberflächengüte und der geforderten Reinheit bestimmt. Neben diesen Einflussfaktoren ist zusätzlich noch der Bauteilwerkstoff oder die Werkstoffkombination bei der Auswahl des Reinigungsverfahrens zu beachten.

Bei der Dimensionierung der Reinigungsanlage, der Auswahl des Reinigungsmediums und der Anpassung des Reinigungsverfahrens muss die Anzahl der zu reinigenden Bauteile und der Durchsatz der Anlage ermittelt werden. Während kleine Bauteile oft als Schüttgut oder einzeln fixiert in Chargenbehältern zusammengefasst werden können, kommt für große Werkstücke hauptsächlich die Einzelteilreinigung zum Einsatz. Bei der Einzelteilreinigung muss das Bauteil in einer vordefinierten Lage separat durch den Reinigungsprozess geführt.

Bei der Auslegung von Reinigungsanlagen spielt auch die Art der Verschmutzung eine große Rolle. Auftretende Partikel können aufgrund von Formschluss oder aufgrund wirkender Adhäsionskräfte an die Bauteiloberfläche gebunden sein. Die Adhäsionskräfte können dabei entweder allein durch den Kontakt von Partikel und Bauteil entstehen oder durch weitere Faktoren, wie beispielsweise den Kapillarkräften eines Feuchtigkeitsfilmes, hervorgerufen werden. Zur Entfernung der Verunreinigung muss das Reinigungsverfahren diese Bindungskräfte überwinden und den Partikel vom Bauteil wegtragen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Optimierung des Reinigungsprozesses stehen nach Prinzip des Sinner’schen Kreises vier unterschiedliche Faktoren zur Verfügung. Diese Parameterfelder haben dabei Einfluss auf das Reinigungsergebnis und beeinflussen sich gegenseitig (vgl. Abbildung 2.4).

Sie lassen sich folgendermaßen einteilen:

1. Mechanik (Verfahren)
2. Chemie/Reinigungsflüssigkeit (Medium)
3. Temperatur
4. Wirkdauer (Zeit)

Die einzelnen Faktoren müssen jeweils exakt auf den Reinigungsprozess und den vorliegenden Anwendungsfall abgestimmt werden, so dass sich ein optimaler Reinigungserfolg bei gleichzeitig hoher Wirtschaftlichkeit einstellt.

In der Reinigungstechnik lässt sich der derzeitige Trend verzeichnen (vgl. Abbildung 2.5), dass aufgrund kürzerer Taktzeiten die zur Verfügung stehende Wirkdauer stark begrenzt ist. Für das Reinigungsmedium wird meist eine einfache Waschlauge oder Kühlschmiermittel verwendet. Ätzende Medien hätten bei der kurzen Reinigungsdauer kaum Chancen auf Materialabtrag oder sie könnten das Bauteil beschädigen. Auch die Temperatur innerhalb des Reinigungsprozesses bewegt sich lediglich in einem engen Bereich. Bei anschließenden Fertigungs- und Kontrollprozessen darf die Werkstücktemperatur nicht zu hoch sein. Des Weiteren führt eine hohe Reinigungstemperatur auch gleichzeitig zu hohen Energiekosten. Aufgrund der Bildung von Keimen im Reinigungsmedium sollte für eine längere Haltbarkeit jedoch nicht vollständig auf ein Erwärmen des Mediums verzichtet werden. Die letzte Stellgröße zur Umsetzung des optimalen Reinigungsprozesses liegt im angewandten Reinigungsverfahren. Unter Beachtung der bauteilspezifischen Reinigungsanforderungen werden Mechanik und Verfahren zunehm end für die jeweilige Reinigungsaufgabe optimiert.

Über den angestrebten Reinheitsgrad nach dem Reinheitsprozess lässt sich eine Einteilung in folgende drei Kategorien vornehmen:

- Grobreinigung

Bei der Grobreinigung des Bauteils werden lediglich starke Verunreinigungen und große Schmutzmengen beseitigt, so dass maximal 10-15% der ursprünglichen Schmutzmasse Zurückbleiben. Die zurückbleibenden Verunreinigungen können mitunter auch im sichtbaren Bereich liegen. Öle, Fette und lose Verschmutzungen sollten jedoch vollständig entfernt werden. Hart anhaftende Rückstände und Schmutzreste im Bauteilinneren sind teilweise zulässig. Kleinstpartikel müssen ebenfalls nicht beseitigt werden.

- Reinigung

Die alleinige Bezeichnung „Reinigung“ beinhaltet die Beseitigung aller durch Sichtprüfung erkennbaren Verunreinigungen. Nach Abschluss des

Reinigungsprozesses dürfen nur noch maxim al 2% der ursprünglichen Schmutzmasse vorhanden sein. Dies gilt für sämtliche hart anhaftenden Verunreinigungen. Öle, Fette und lose Partikel im Bauteilinneren müssen hingegen vollständig entfernt sein, solange es sich nicht um Kleinstpartikel handelt oder diese den Folgeprozess stören würden.

- Feinreinigung

Die Feinreinigung beschreibt die Reinigung sämtlicher sicht- und nicht sichtbaren Verunreinigungen oberhalb einer festgelegten Restschmutzgrenze. Bei der

Feinreinigung sind selbst hart anhaftende Verunreinigungen vollständig abzutrennen und die Bauteilinnengeometrie muss frei von Partikeln sein. Bei der Feinreinigung müssen selbst Kleinstpartikel gezielt beseitigt werden, so dass die zulässigen Grenzwerte der Restschmutzvorgaben eingehalten werden.

Ungereinigtes Bauteil Grobreinigung Reinigung Feinreinigung ⁷

2.2 Reinigungsverfahren im Überblick

Im folgenden Abschnitt wird der Stand der Technik der wichtigsten Verfahren zur industriellen Bauteilreinigung⁸ beschrieben. Diese lassen sich den folgenden drei Untergruppen zuordnen:

- Waschverfahren
- Entgratungsverfahren
- Trocknungsverfahren

Reinigungsverfahren, bei denen eine Flüssigkeit als Reinigungsmedium eingesetzt wird, zählen zur Gruppe der Waschverfahren. Diese bilden die überwiegende Mehrheit sämtlicher Reinigungsprinzipien. Aufgrund der fluiddynamischen Bedingungen werden die

Adhäsionskräfte der Verunreinigungen überwunden, so dass sich Verschmutzungen von der Oberfläche lösen. Diese werden mit der Flüssigkeit von der Bauteiloberfläche und aus dem Bauteilinneren gespült.

Teilweise werden zur Unterstützung des Reinigungsprozesses auch sogenannte Entgratungsverfahren angewendet. Sie kommen zum Einsatz wenn die Reinigungsleistung der üblichen Waschverfahren nicht ausreicht um fest angebundene Partikel vom Bauteil zu lösen. Zu diesen Verfahren gehören das Entgraten mittels einer mechanischen Komponente (Bürste) und das Hochdruck-Wasserstrahl-Entgraten.

Die dritte Gruppe der Reinigungsprinzipien beschreibt unterschiedliche Verfahren zur Trocknung des Bauteils. Zu dieser Untergruppe gehören das Vakuum- und Heißlufttrocknen, sowie das Schleudern der Bauteile. Diese Verfahren zählen ebenfalls zur Bauteilreinigung, da Rückstände von Flüssigkeiten nach einem Fertigungs- oder Reinigungsprozess in bestimmten Fällen unerwünscht sind. Flüssigkeitsrückstände können beispielsweise negativen Einfluss auf die Materialbeschaffenheit haben oder zu ungewünschten Fehlmeldungen an automatisierten Messstationen führen.

In Fertigungslinien werden meist Verfahren aus den einzelnen Gruppen miteinander kombiniert um eine optimale Reinigungsleistung zu erzielen. Im Folgenden werden der Aufbau und die Wirkungsweise der unterschiedlichen Reinigungsmethoden ausführlich beschrieben. Mit Hilfe der Definition der besonderen Vor- und Nachteile jedes Verfahrens kann ermittelt werden, mit welcher Anlagenkombination für einen speziellen Reinigungsfall das bestmögliche Reinigungsergebnis zu erwarten ist.

2.2.1 Waschverfahren

Zu den Waschverfahren gehören die sieben nachfolgend beschriebenen Reinigungsmethoden:

Stoßwellenreinigung

Die Stoßwellenreinigung kommt hauptsächlich bei Gussteilen mit spröden Verunreinigungen zum Einsatz. Bei diesem Verfahren liegt das Bauteil in einem Wasserbad, in dem die Flüssigkeit Druckwellen an das Werkstück weiterleitet. Diese Stoßwellen treffen auf die Bauteiloberfläche und lösen Verunreinigungen. In Abbildung 2.6 wird dargestellt wie die Stoßwellen in die Bauteilöffnung eintreten und durch Reflektion in weitere Innenräume Vordringen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine besondere Anwendung ergibt sich beim Stoßwellenreinigen bei Verwendung einzelner Düsenpartien. Diese sind separat schaltbar und können Stoßwellen sehr gezielt auf das zu reinigende Bauteil aufbringen, was den Reinigungseffekt positiv beeinflusst.

- Vorteile

Dieses Verfahren benötigt keine aufwendige Mechanik. Trotz des einfachen Aufbaus können nahezu sämtliche Bereiche der Bauteilgeometrie erreicht werden. Zusätzlich lässt sich fast jede beliebige Verunreinigungsart und Menge mit dieser Methode entfernen.

- Nachteile

Nachteilig am Stoßwellenreinigen erweist sich die fehlende Spülströmung, so dass gelöste Verunreinigungen nicht zuverlässig vom Reinigungsobjekts wegtransportiert werden. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch Luftblasen am und innerhalb des Bauteils, welche die Reinigungsenergie der Stoßwellen absorbieren. Zudem lassen sich Schattenbildungen und Interferenzen in Innengeometrien kaum vermeiden.

Tauchreinigung

Bei der Tauchreinigung wird das verschmutzte Werkstück in ein flüssiges Reinigungsbad eingetaucht. Vorhandene Verunreinigungen werden aufgrund der chemischen Wirkung der Flüssigkeit gelöst und emulgiert. Ein einfaches Eintauchen des Reinigungsobjekts reicht meist nicht aus um sämtliche Verschmutzungen zu beseitigen. Um die ablösende Wirkung des

Reinigungsbades zu unterstützen wird das Bauteil in eine rotatorische oder translatorische Bewegung versetzt. Über diese mechanischen Bewegungen wird Energie eingebracht, welche zur Überwindung der Adhäsionskräfte und zum Abtragen der Partikel über die Flüssigkeit beiträgt. Zusätzlich wird vermieden, dass an ruhenden Stellen Bereiche mit gesättigter Waschlösung entstehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Ansicht einer Tauchreinigungsanlage⁹

Nachfolgend werden Vor- und Nachteile der Tauchreinigung aufgeführt:

- Vorteile

Das Verfahren der Tauchreinigung bietet hauptsächlich Vorteile bei der Entfernung großer Mengen aufliegendem und leicht anhaftendem Schmutz. Der technische Aufwand ist sehr gering und die mögliche Kontaminationsmenge ist lediglich durch die Badgröße beschränkt.

- Vorteile

Bewegungen des Werkstücks können bei diesem Verfahren keine großen Strömungsgeschwindigkeiten und somit auch keine großen kinetischen Energien zur Reinigung erzeugen. Es entstehen keine gezielten Strömungen, so dass die Säuberung fester Verschmutzungen und kritischer Stellen kaum möglich ist.⁹

Druckumfluten

Das Reinigungsobjekt wird beim Druckumfluten in der sogenannten Flutkammer positioniert. Mit einem Druck von ungefähr 9-15 bar wird der Waschraum über ein Düsensystem unterhalb der Badoberfläche mit einem Reinigungsmedium geflutet. Die hohe Geschwindigkeit und der Strömungsabriss an Werkstückkanten führen zu Turbulenzen der Reinigungsflüssigkeit, welche Verschmutzungen von der Bauteiloberfläche lösen und aus Innengeometrien wegschwemmen. Ein weiterer Reinigungseffekt entsteht durch die Sogwirkung, welche beim Vorbeiströmen an Sacklöchern und Vertiefungen Partikel herauslöst. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten können außerdem zur Kavitationsbläschenbildung führen. Der schlagartige Zerfall dieser Bläschen überträgt zusätzliche Energie, welche Verschmutzungen von der Bauteiloberfläche entfernt. Der Reinigungsmechanismus der Kavitationsbläschen wird im Zusammenhang mit der Ultraschalreinigung näher erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9: Prinzip der Druckumflutung

Das Druckumfluten bietet die ähnlichen Vorteile wie das Tauchreinigen, jedoch sind die Reinigungsleistungen durch die starke Strömung des Waschmediums höher, was das Lösen und Emulgieren von Verschmutzungen begünstigt. Mit der Druckumflutung lassen sich selbst relativ komplexe Geometrien reinigen.

- Vorteile

Ein großer Nachteil an diesem Verfahren ist, dass selbst durch die starken Strömungen Hinterschneidungen nicht zuverlässig gereinigt werden können. Des Weiteren kann eine Verunreinigung des Waschmediums nicht vollkommen ausgeschlossen werden.

Trommelreinigung

Bei diesem Reinigungsverfahren befinden sich die Werkstücke in umlaufenden Trommeln, während zur gleichen Zeit ein flüssiges Reinigungsmedium in die Waschkammer gepumpt wird. Die Trommelreinigung kommt hauptsächlich bei Kleinteilen im Chargenbetrieb zum Einsatz. Die Rotierung der Trommel sorgt für eine Umwälzung und Durchmischung der Bauteile, so dass eine gleichmäßige Reinigung des Schüttgutes erreicht wird. Um das Reinigungsergebnis zu verbessern wird diese Reinigungsmethode häufig mit anderen Verfahren, wie der Spritz- oder der Tauchreinigung kombiniert.

Ein schematischer Aufbau der Trommelreinigung ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10: Prinzip der Trommelreinigung

Nachfolgend werden Vor- und Nachteile der Trommelreinigung aufgeführt:

- Vorteile

Die Trommelreinigung eignet sich besonders gut für kleine Bauteile, welche in großen Stückzahlen hergestellt werden. Aufgrund der Trommelrotation werden Verschmutzungen durch Reibungs- und Stoßvorgänge von den Werkstücken gelöst. Bei losen Verschmutzungen sind somit keine weiteren Düsen notwendig, was dieses Verfahren sehr energieeffizient macht.

- Nachteile

Die unkontrollierte Reinigung stellt einen großen Nachteil dieses Verfahrens dar. Die unregelmäßigen Stöße und Schläge der Bauteile können zu deren Beschädigung führen. Aufgrund dieser Beschädigungsgefahr können keine großen Strömungsgeschwindigkeiten realisiert werden. Feste Verunreinigungen in Innengeometrien sind mit diesem Verfahren nur unzureichend von Restverschmutzungen zu trennen.

Spritzreinigung

Bei diesem Verfahren wird das Reinigungsobjekt mit einer Flüssigkeit unter Verwendung von Düsen abgespritzt. Bei dem Reinigungsmedium handelt es sich meist um einen wässrigen

Reiniger, der die Verschmutzungen von der Bauteiloberfläche löst und emulgiert. Die kinetische Energie des Spritzstrahls unterstützt die Entfernung unerwünschter Stoffe¹⁰. Über den Spritzdruck, die Düsenform und die Düsenanordnung wird die Reinigungsqualität dieses Verfahrens beeinflusst. Bewegungen des Bauteils oder der Düsen können einen zusätzlichen positiven Effekt zum Reinigungsergebnis beitragen. Die einzelnen Faktoren werden für jedes Bauteil angepasst, so dass die Spritzreinigung optimal ausgelegt ist. Die gewöhnliche Spritzreinigung erfolgt bei einem Arbeitsdruck von ungefähr 6-8 bar. Für eine gezielte Reinigung kann dieser Druck auf 10-25 bar erhöht werden. Die Spritzreinigung ist das am häufigsten angewandte Reinigungsverfahren in der fahrzeugspezifischen Bauteilereinigung. Fast jede Motorkomponente wird während ihres Herstellungsprozesses mindestens einmal mittels eines Düsensystems von anhaftenden Verschmutzungen gereinigt.

In der nachfolgenden Abbildung wird das Prinzip einer Spritzreinigungsanlage mit rotierenden Düsen gezeigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.11: Prinzip der Spritzreinigung¹¹

Die Spritzreinigung beinhaltet zwei technische Varianten, welche das Reinigungsergebnis deutlich verbessern können:

- Lanzentechnik

Dieses Verfahren kommt hauptsächlich bei Werkstücken mit komplexen Innenkonturen zum Einsatz. Bei dieser Methode dringen ausfahrbare Lanzen in das Bauteilinnere ein und reinigen unter hohem Spritzdruck die von außen unerreichbaren Stellen. In einer weiteren Ausbaustufe wird eine Rotation dieser Lanzen realisiert, was den Reinigungseffekt zusätzlich positiv beeinflusst.

- Anfahrbare Düsen

Eine weitere Variante ist die Spritzreinigung mit anfahrbaren Düsen. Diese Düsen sind besonders gut für das gezielte Ausspülen von Sacklöchern und Hohlräumen geeignet. In den meisten Fällen können diese sogenannten Anfahr- oder Anpressdüsen direkt angesteuert werden. Eine weitere Option bieten anfahrbare Düsenkästen. Diese sind gezielt auf das Bauteil abgestimmt und steigern die Prozesssicherheit des Reinigungsverfahrens. Aufgrund der gezielt abgestimmten Düsen werden ausgewählte und funktionskritische Bereiche besonders gründlich gereinigt. Der Unterschied dieser Düsensysteme im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Lanzen besteht darin, dass die Düsen nicht in die Bauteilinnengeometrien eindringen.

Nachfolgend werden Vor- und Nachteile der Spritzreinigung aufgeführt:

- Vorteile

Mit der Spritzreinigung wird bereits durch die Kombination von entsprechenden Lanzen- und Düsentechniken ein Verfahren realisiert, das für einen breiten

Anwendungsfall optimale Reinigungsergebnisse erzielt. Da es ein sehr großes Spektrum an Anforderungen abdeckt, kann es als ein Universalverfahren der Reinigungstechnologie betrachtet werden. Diese Tatsache erklärt, warum dieses Verfahren so häufig eingesetzt wird.

- Nachteile

Im Vergleich zu anderen Reinigungstechnologien ist der technische Aufwand der Spritzreinigung mit Lanzen und Düsenkästen sehr viel größer. Sowohl die Komplexität, als auch die Anfälligkeit auf Störungen werden aufgrund der mechanisch bewegbaren Komponenten erheblich gesteigert. Diese Tatsache führt zwangsläufig auch zu einem erhöhten Wartungsaufwand.

Water Cannon

Bei der Water Cannon (oder auch Aqua Cannon) handelt es sich um ein neuartiges Reinigungsverfahren, bei dem ein Reinigungsmedium impulsartig mit einer Geschwindigkeit von bis zu 45 m/s auf die Bauteiloberfläche geschossen wird. Die große kinetische Energie der flüssigen Massen löst selbst verklemmte Späne aus komplexen Innengeometrien und spült diese aus dem Inneren zuverlässig heraus.

Die nachfolgende Abbildung zeigt das Reinigen eines Zylinderkurbelgehäuses mittels einer Water Cannon:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.12: Water Cannon

Bei diesem Reinigungsverfahren wird eine Reinigungsflüssigkeit unter sehr hohem Druck vorgespannt und über ein Düsensystem impulsartig in die Bauteilräume gespritzt. Die explosionsartige Anspritzung des Bauteils bewirkt ein schnelles Durchströmen mit hoher Fließgeschwindigkeit und starken Turbulenzen. Die dabei entstehenden Kräfte lösen verklemmte Verunreinigungen, so dass diese mit der Flüssigkeit aus dem Bauteilinneren getragen werden können.

- Vorteile

Das Waschmedium der Water Cannon wird im Gegensatz zu anderen Reinigungsverfahren durch einen impulsartigen Hochdruckstrahl aufgebracht. Dadurch, dass keine kontinuierliche Bespritzung geschieht, ist dieses Verfahren energieeffizienter als die übliche Spritzreinigung.

- Vorteile

Die Water Cannon ist lediglich für Einsatz zum gezielten Einsatz an kritischen Bauteilstellen vorgesehen. Eine großflächige Bauteilreinigung des gesamten Werkstücks ist mit diesem Verfahren nicht möglich.

Ultraschallreinigen

Oberhalb einer Frequenz von 20 kHz wird Schall als Ultraschall bezeichnet und liegt über der Hörgrenze des menschlichen Gehörs. Solcher Schall kann auch zur Bauteilreinigung verwendet werden. Dabei wird das Reinigungsgut vollständig von einer Flüssigkeit umgeben, die als Übertragungsmedium des Schalls agiert.

Der schematische Aufbau eines Ultraschallreinigers wird in der nachfolgenden Abbildung dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.13: Aufbauprinzip der Ultraschallreinigung¹²

Die Reinigungswirkung des Ultraschalls basiert auf dem Prinzip der Kavitationsbläschenbildung. Die von der Ultraschallquelle erzeugten Schwingungen breiten sich longitudinal durch das Reinigungsmedium aus. Innerhalb dieser Flüssigkeit verursachen die Druckwellen die Bildung von mikroskopisch kleinen Dampfbläschen. Diese sogenannten Kavitationsbläschen entstehen unter Einwirkung eines Unterdruckes überwiegend an der Oberfläche des Reinigungsobjekts. In der Phase des wieder ansteigenden Drucks implodieren diese Bläschen, wodurch kleine „Mikro-Jets“ entstehen, welche einen großen Energiegehalt aufweisen. Diese kurzzeitig extrem hohen Druckentladungen sprengen Verunreinigungen vom Werkstück ab, ohne dieses zu beschädigen. Die zur gleichen Zeit entstehenden Mikro­

Strömungen helfen den abgetragenen Schmutz vom Bauteil weg zu transportieren. Die ausgewählte Ultraschallfrequenz ist abhängig von der zu entfernenden Partikelgröße. Niedrige Frequenzen verursachen große Kavitationsbläschen, welche für die Entfernung großer Partikel geeignet sind. Hohe Frequenzen besitzen kürzere Wellenlänge und bilden kleine Bläschen aus. Diese werden bei empfindlichen Bauteilen mit wenig Verschmutzung eingesetzt.¹²

In der nachfolgenden Abbildung wird die Entstehung und Wirkung von Kavitationsbläschen veranschaulicht:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.14: Kavitationsbläschenbildung bei der Ultraschallreinigung

Die Frequenzbereiche bei der Ultraschallreinigung lassen sich folgendermaßen einteilen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nachfolgend werden Vor- und Nachteile der Ultraschallreinigung aufgeführt:

- Vorteile

Aufgrund des extrem hohen Energiegehalts der implodierenden Kavitationsbläschen werden Mikro-Jets gebildet, welche selbst kleinste und härteste Verunreinigungen vom Reinigungsobjekt sprengen. Dieses Verfahren besitzt ein großes Reinigungspotential und die Abreinigung unerwünschter Partikel erfolgt sehr prozesssicher.

- Vorteile

Auch wenn es auf den ersten Blick nicht danach aussieht, so ist der technische Aufwand dieses Reinigungsverfahrens unerwartet groß. Das Becken für die Bauteilaufnahme muss akustisch ausgelegt werden und das Werkstück muss von allen Seiten zugänglich sein. Es muss ausserdem leicht schwingen können. Auch das verwendete Reinigungsmedium ist nicht beliebig. Hierzu wird eine entgaste und äußerst reine Flüssigkeit benötigt, da andernfalls keine Dampfbläschen entstehen. Ein weiterer Nachteil besteht durch die zunehmende Kontamination des Reinigungsmediums. Diese Verschmutzungen wirken als Kavitationsbläschenkeime und schlucken Schallenergie. Es ist zu beachten, dass lediglich Mikro-Strömungen entstehen, diese jedoch nicht ausreichen um abgelöste Verschmutzungen aus dem Bauteilinneren herauszutragen.

2.2.2 Entgratungsverfahren

Das Entgraten der Bauteile nimmt in der Bauteilereinigung eine besondere Stellung ein.

Anders als lose Verschmutzungen wie Späne, Staub und andere Partikel, sind Grate noch teilweise sehr fest am Bauteil gebunden. Einfache Reinigungsverfahren mit niedrigem Spüldruck besitzen in diesem Fall oftmals nicht die ausreichende Reinigungsleistung um solche Anbindungen zu lösen. Grate entstehen in der Zerspanung während des Herstellungsprozesses sowohl an Außen- als auch in Innenkonturen des Werkstücks. Das Ablösen sogenannter Flittergrate kann im späteren Produkteinsatz zu erheblichen Schäden am Bauteil führen. Aus diesem Grund müssen sämtliche Grate zuverlässig entfernt werden.

Hierzu stehen hauptsächlich zwei Verfahren zur Verfügung, die den beiden Gruppen „Mechanische Bürstentgratung“ und „Hochdruck-Wasserstrahl-Entgraten“ zugeordnet werden.

Mechanische Bürstentgratung

Bei der Bürstentgratung handelt es sich um ein mechanisches Verfahren zum Abschleifen von mit dem Bauteil fest verbundenen Verunreinigungen. In Abhängigkeit von der Verschmutzungsart und vom Anwendungsfall kommen verschiedene Bürsten zum Einsatz. Bei der Auswahl werden die Form und der Härtegrad der Borsten für die spezielle

Reinigungsaufgabe angepasst. Die Borsten der Bürstköpfe können aus Kunststoff-, Naturfasern oder Metalldrähten bestehen. Kunststoffborsten können außerdem mit grobem Sand oder Diamantenstaub imprägniert sein, um die abrasive Wirkung zu erhöhen.¹³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.15: Auswahl an Formen für Bürstenköpfe¹³

Bei der Bürstentgratung führt der Bürstkopf meist eine Rotationsbewegung aus, die Verunreinigungen und Grate vom Werkstück abträgt. Die Schleif- und Reinigungswirkung der Borsten ist dabei von den folgenden Faktoren abhängig¹⁴:

- Werkstoffart und Härte
- Dicke und Länge
- Besatzdichte und Verzopfungsart
- Füllstoff zwischen den Borsten
- Umfangsgeschwindigkeit der Rotation
- Anpresskraft auf die Bauteilfläche

Die mechanische Bürstengratung wird häufig zum Entfernen fest anhaftender Verunreinigungen und Oberflächenbeläge verwendet. Mit diesem Verfahren lassen sich Zunder, Flugrost, Oxid- und Farbschichten, sowie Grate an Bauteiloberflächen und Innenräumen beseitigen.

Nachfolgend werden Vor- und Nachteile der mechanischen Bürstentgratung aufgeführt:

- Vorteile

Das Verfahren der Bürstentgratung macht durch ihren gezielten Einsatz nur einen geringen Energieaufwand nötig. Im Vergleich zum Hochdruck-Wasserstrahl-Entgraten ist diese Reinigungsart daher sehr viel energieeffizienter. Ähnlich dem Senken von Bohrlöchern handelt es sich beim Bürsten des Werkstücks um eine definierte

Bearbeitung. Bürsten lösen Grate ohne scharfe Kanten zu hinterlassen.

- Nachteile

Große Nachteile bestehen im Bürstenverschleiß und möglichen Werkzeugbruch.

Diese Vorkommnisse müssen kontrolliert werden, da andernfalls die Bearbeitungsstelle nicht mehr ausreichend gereinigt wird. Des Weiteren sind Innengeometrien oftmals nur schwer zugänglich und mit diesem mechanischen Verfahren nicht zu säubern. Aufgrund der abgetragenen Grate und Schleifrückstände muss bei der Bürstentgratung noch ein anschließender Spülgang erfolgen.

Hochdruck-Wasserstrahl-Entgraten

Bei diesem Reinigungsverfahren wird unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit eine Flüssigkeit auf das zu reinigende Werkstück gespritzt. Das Reinigungsmedium wird dabei mit einem Hochdruck von bis zu 850 bar beschleunigt und gezielt auf die Bearbeitungsstelle aufgetragen. Dieses Verfahren wird sowohl zum Entgraten von Bauteiloberflächen, als auch zum Entfernen von Flittergraten aus komplexen Bauteilinnengeometrien angewendet. Aufgrund der hohen kinetischen Energie der Flüssigkeit werden interschneidende Bohrungen und Durchlässe scharfkantig entgratet.

Die nachfolgendenden Abbildungen zeigen eine Bohrung vor und nach der Reinigung mittels Hochdruckentgraten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.16: Bohrung vor und nach dem Hochdruck-Wasserstrahl-Entgraten

Das Hochdruck-Wasserstrahl-Entgraten ist im Gegensatz zum Bürstentgraten ein sehr prozesssicheres Verfahren, da ein möglicher Werkzeugbruch ausgeschlossen werden kann. Mittels Druckkontrollen kann der Verschleiß der verwendeten Strahldüsen überwacht werden.

- Vorteile

Mit diesem Reinigungsverfahren lassen sich selbst komplexe und schwer zugängliche Innengeometrien prozesssicher Entgraten. Abgetragene

Verschmutzungen werden zuverlässig mit der Reinigungsflüssigkeit von der Oberfläche und aus Innenräumen entfernt.

- Nachteile

Aufgrund der sehr hohen Arbeitsdrücke ist auch ein hoher Energieaufwand notwendig. Bohrungen können zwar gratfrei gereinigt werden, jedoch verbleiben diese scharfkantig. Ein weiterer Nachteil entsteht durch den abrasiven Verschleiß der teuren Hochdrucklanzen aufgrund kleiner Partikel im Reinigungsmedium.

2.2.3 Trocknungsverfahren

Trocknungsverfahren müssen nicht zwangsläufig zum Reinigungsprozess hinzugehören. In verschiedenen Arbeitsgängen kommt das Bauteil mit Flüssigkeiten in Kontakt, deren Anwesenheit Einfluss auf weitere Prozesse oder gar auf das chemische Verhalten des Bauteils selbst haben. In diesem Fall handelt es sich bei den Flüssigkeiten um unerwünschte Stoffe, die es vom Werkstück zu entfernen gilt. Per Restschmutzdefinition gehören somit auch Rückstände der Waschlauge zu Verunreinigungen, welche durch Trocknungsverfahren größtenteils beseitigt werden können. Die Bauteiltrocknung soll dabei grundsätzlich ohne Beschädigung des Werkstücks, rückstandsfrei und mit möglichst geringem Energieaufwand erfolgen.

Bei der Werkstücktrocknung kommen im Wesentlichen die drei folgenden Verfahren zum Einsatz:

- Vakuumtrocknen
- Heißlufttrocknen
- Schleudern

Diese Trocknungsverfahren werden in den folgenden Unterpunkten beschrieben.

Vakuumtrocknen

Nach der Reinigung wird das Bauteil in eine geschlossene Kammer gebracht, aus der im

Anschluss die Luft abgepumpt wird. Dieser künstlich erzeugte statische Unterdruck sorgt für ein Absinken des Siedepunktes des zuvor verwendeten Reinigungsmediums. Dieser Vorgang führt dazu, dass unerwünschte Flüssigkeiten bereits bei niedriger Temperatur verdampfen. Der dabei entstehende Dampf wird aus der Trocknungskammer abgesaugt und das

Werkstück besitzt nach diesem Prozess einen Trocknungsgrad von nahezu 100%.

- Vorteile

Die Vorteile des Vakuumtrocknens liegen im sehr guten Trocknungsgrad bei gleichzeitig niedriger Werkstücktemperatur. Eine nachfolgende Kühlzone ist somit nicht notwendig. Mit diesem Verfahren lassen sich selbst Innengeometrien optimal trocknen.

- Nachteile

An diesem Verfahren wirkt sich hauptsächlich der hohe Energieaufwand zur Erzeugung des Vakuums nachteilig aus.

Heißlufttrocknen

Zur Trocknung wird bei diesem Verfahren das Bauteil durch Wärmestrahlung erhitzt, wobei vorhandene Flüssigkeiten verdampfen. Zusätzlich wird die Umluft in Bewegung versetzt, so dass Warmluft über die zu trocknenden Oberflächen strömt. Durch diese Luftumwälzung

gelangt die Warmluft auch in Innengeometrien, in denen zurückgebliebene Flüssigkeiten verdunsten. Um eine möglichst kurze Trocknungszeit zu realisieren ist bei der

Heißlufttrocknung eine entsprechende Heizleistung notwendig.

- Vorteile

Vorteile der Heißlufttrocknung sind hauptsächlich im einfachen Aufbau und den geringen Kosten der Anlagen zu sehen. Das Trocknungsergebnis der Anlage kann zudem in bestimmten Grenzen einfach über die Heizleistung geregelt werden.

- Vorteile

Dieses Verfahren verursacht einen relativ hohen Energieaufwand. Aufgrund der Erhitzung des Bauteils müssen mögliche Beschädigungen beachtet werden. Zudem können nachfolgende Prozesse eine Abkühlzone notwendig machen.

Schleudern

Bei der Schleudertrocknung wird das Werkstück in einer Spanneinheit fixiert und mit hoher

Drehzahl geschleudert. Aufgrund der rotationsbedingten Zentrifugalkräfte werden anhaftende Flüssigkeiten von der Bauteiloberfläche entfernt.

- Vorteile

Das Schleudern macht im Vergleich zu anderen Trocknungsverfahren nur einen sehr geringen Energieaufwand notwendig. Dadurch, dass das Werkstück im Schleuderverfahren nicht erhitzt wird, ist für anschließende Fertigungs- und Kontrollprozesse auch eine anschließende Bauteilkühlung notwendig.

- Nachteile

Komplexe Innengeometrien können bei bestimmten Werkstücken die Entfernung der darin befindlichen Flüssigkeiten verhindern. Im Gegensatz zu anderen Trocknungsverfahren lässt sich mit dem Schleudern nur ein Trocknungsgrad von ungefähr 96 - 98% realisieren.

3 Analyse - Untersuchung des aktuellen Zustandes

Im folgenden Kapitel wird der derzeitige Technikstand untersucht. Nach einer kurzen Beschreibung der betrachteten Motoren und den ausgewählten Komponenten erfolgt eine umfassende bauteilspezifische Analyse der vorhandenen Reinigungsanlagen und

Technologien. Bei dieser Untersuchung muss zwischen intern gefertigten Bauteilen und Kaufteilen unterschieden werden. Am Ende dieses Kapitels wird auf die baureihenübergreifende Analyse erzielter Reinigungsergebnisse eingegangen.

3.1 Entwicklung und Stand der Anforderungen untersuchter Motoren

In der vorliegenden Arbeit werden Hauptkomponenten eines Dieselmotors (OM651) und eines Benzinmotors (M271 evo) untersucht. Die Auswahl der Motoren fiel auf diese beiden

Aggregate, um untersuchen zu können, inwieweit für die unterschiedlichen Verbrennungskonzepte besondere Anforderungen an die Bauteilsauberkeit und die Reinigungsanlagen bestehen.

Des Weiteren handelt es sich beim Dieselmotor OM651 um ein Nachfolgemodell des OM646. Für dieses Aggregat wurden neue Fertigungslinien mit neuen Reinigungsanlagen errichtet.

Beim Benzinmotor M271 evo handelt es sich lediglich um eine Evolutionsstufe auf Basis des M271. Die Komponenten dieses Aggregates werden mit geringen Änderungen in den gleichen, bereits vorhandenen Fertigungslinien hergestellt.

Anhand dieser unterschiedlichen Fertigungsbedingungen soll untersucht werden, welche Unterschiede die neu errichteten Anlagen im Vergleich zu den alten, erweiterten

Reinigungsanlagen haben und wie sich diese Tatsache auf die Einhaltung und Umsetzung motorspezifischer Restschmutzanforderungen auswirkt.

Die ausgewählten Motoren sowie deren Fertigungsbedingungen sollen als Referenz für die Umsetzung von Reinigungsanforderungen und die Planung von Reinigungsanlagen bei Aggregaten mit ähnlichen Voraussetzungen dienen.

In den nachfolgenden Abschnitten werden die Eigenschaften der beiden Motoren ausführlich beschrieben. Anhand von Vergleichsdaten zum jeweiligen Vorgängermodell wird die Entwicklung der Anforderungen an die Motorkomponenten dargestellt. Der in der Einleitung beschriebene Trend in der Motorenentwicklung zu höheren Leistungsdichten wird an diesen Daten besonders deutlich. Es ist im Einzelnen zu prüfen, inwieweit diese Entwicklung zu höheren Reinheitsanforderungen führt und vorhandene Reinigungstechniken beeinflusst.

3.1.1 Dieselmotor OM651

Seit Oktober 2008 ist die neue Generation des 4-Zylinder-Dieselmotors 651 mit Common Rail Direct Injection (CDI)-System auf dem Markt.

Die neue Motorengeneration verfügt über eine zweistufige Turboaufladung, die aus Kombination eines kleinen Hochdruck- und eines großen Niederdruck-Abgasturboladers besteht. Das Aggregat erzielt mit einem Hubraum von 2143 cm³ eine Nennleistung von 150kW bei einer Drehzahl von 4200 min-¹. Trotz dieser hohen Leistung und einem maximalen Motordrehmoment von 500 Nm konnte der CO2-Ausstoß weiter zu reduziert werden. Das Aggregat wird die zukünftige Euro-5-Norm einhalten und erzielt einen Verbrauch von lediglich 5,4 Liter pro 100 Kilometer.¹⁵

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Ansicht des Motors OM651

Der Motor OM651 wird in einer jährlichen Stückzahl von 500.000 Einheiten pro Jahr hergestellt. Er enthält einige Neuentwicklungen, die derzeit in dieser Kombination bei keinem anderen Pkw-Dieselmotor serienmäßig anzutreffen sind.

[...]

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¹ Vgl. Thomas Brandstetter, „PPA Jahresbericht“, PPA, Daimler AG, 2008

² Vgl. DaimlerChrysler AG, Informationsmaterial Gießerei 1/2005

³ DIN 8592 - Fertigungsverfahren Reinigen - Einordnung, Unterteilung, Begriffe

⁴ Vgl. Dipl.-Phys. Markus Rochowicz, „Sauberkeit in der Montage - Die Industrie fordert...“, IPA, 2007

⁵ Vgl. Fachverband „Industrieller Teilereiniger e.V. (FIT) und Sur-Tec Deutschland GmbH, 2006

⁶ Vgl. VDA Band 19, „Prüfung der technischen Sauberkeit“, 1. Auflage, 2004

⁷ Vgl. Marlene Rau, „Bauteilsauberkeit von Gussteilen“, Hochschule Mannheim, 2008

⁸ Vgl. www.Bauteilreinigung.de, B. Künne und T. Richard, 2009

⁹ Vgl. www.glogar-uwt.at, Glogar Umwelttechnik (Reinigungsanlagen), 2009

¹⁰ Vgl. T. W. Jelinek, Reinigen und Entfetten in der Metallindustrie 1. Auflage, Eugen G. Leuze Verlag, 1999

¹¹ Vgl. http://www.fermeco.de/oberflaechentechnik.php, Spritzreinigung, 2009

¹² Vgl. Dr.-Ing. C. Seehawer: Grundlagen der Ultraschalltechnik, Hahn-Meitner-Institut Berlin; SEI-Tagung; 2002

¹³ Vgl. Schäfer; Warnecke; Brauner, „Entgraten - Theorie, Verfahren, Anlagen“, Krausskopf-Verlag, 1975

¹⁴ Vgl. www.Bauteilreinigung.de, B. Künne und T. Richard, 2009

¹⁵ Vgl. Einführungsschrift OM651, GSP/OI, Daimler AG, 08/2008