Die Hüttenbrauck Profil GmbH ist ein moderner Fertigungsbetrieb für hochwertige Aluminium- und Stahlprofile mit Sitz in Fröndenberg. Kundenspezifische Profile werden an verschiedenen Standorten aus kaltgewalztem Stahl oder stranggepresstem Aluminium hergestellt. Dabei erstrecken sich die erstellten Profile nach dem Umformprozess auf bis zu 80 Meter. Hier werden Fördertechnologien in verschiedenen Ausführungen eingesetzt. Nachdem die Profile auf eine bestimmte Länge abgelängt worden sind, werden diese in bis zu 1600 kg schweren Baskets mit Hilfe von Förderrollen aus Stahl zur Weiterverarbeitung transportiert. Die Hüttenbrauck Profil GmbH trat an uns heran, da die Förderrollen vermehrt an der Fügestelle versagten und ausgetauscht werden mussten. Bei einem Vor-Ort Termin fiel zudem der starke Verschleiß auf den Aufstandsflächen auf, für den ebenfalls Ursache und Abhilfemaßnahmen zu ermitteln waren.
In einem ersten Schritt der Schadensanalyse lag der Fokus auf dem Bruch der Rolle an der Fügestelle. Zu diesem Zeitpunkt existierte bereits eine überarbeitete Version der Förderrolle, sodass beide Varianten in einer numerischen Simulation gegenübergestellt werden konnten. Durch die Rotation während des Förderprozesses liegt eine zyklisch-wechselnde Beanspruchung des Werkstoffs vor, sodass eine Bewertung der Konstruktion auf Basis der Dauerfestigkeitskennwerte durchgeführt wird. Eine mechanische Analyse der Belastungssituation und des resultierenden Kraftflusses zeigte die Schwächen der bestehenden Konstruktion auf.
Der Kraftfluss sollte nach Möglichkeit direkt von der Lasteinleitungsstelle hin zur Lastausleitungsstelle geführt werden. In diesem Fall von der Aufstandsfläche des Baskets direkt in das Wälzlager.
Ein weiterer Punkt ist eine ungünstige Wahl der Geometrie in Bezug auf Querschnittsübergänge und den damit einhergehenden Steifigkeitsverhältnissen, da diese ebenfalls zu ungünstigen Beanspruchungssituationen führen. Bei dieser Konstruktion ist zu erkennen, dass durch den relativ massiv ausgeführten eingelegten Deckel und dem dünnwandigen Rohr ein Steifigkeitssprung vorliegt. Im Zusammenspiel mit dem stark umgelenkten Kraftfluss resultieren hohe Zugspannungen in der Schweißnaht.
Die anschließende FEM-Simulation bestätigte die theoretischen Überlegungen und weist deutliche Beanspruchungsunterschiede in der Struktur und vor allem im Bereich der Schweißnaht auf.
Letztendlich führten diese unzulässig hohen Beanspruchungen in der Fügezone zu einem Versagen der Förderrollen! Die Strukturoptimierung bietet Verbesserungspotentiale im Hinblick auf die Einsatzsicherheit: eine direktere Kraftflussleitung und die Vermeidung von Steifigkeitssprüngen in der Struktur.
“Die AME GmbH unterstützte uns bei einem Haltbarkeitsproblem eines Bauteils unserer automatischen Fertigungslinie. Das Team deckte mit einer FEM Simulation die Probleme auf und machte, aus den daraus gezogenen Schlüssen, Verbesserungsvorschläge für ein optimiertes neues Bauteil. Die Zusammenarbeit haben wir während der gesamten Abwicklungsphase immer als sehr angenehm wahrgenommen und werden auf jeden Fall wieder auf AME zukommen, wenn wir Simulationsaufgaben zu vergeben haben.”
Kevin Loer – stellv. Betriebsleitung Aluminium
Die Hertz’sche Pressung bei Förderrollen und ihre Folgen
Im zweiten Schritt der Schadensanalyse lag der Fokus auf dem Abplatzen von Material an den Stellen der Aufstandsflächen der Baskets. Bei einem Besuch vor Ort konnten starke Einlaufspuren sowie Späne unterhalb der Förderrollen erkannt werden. Bei gleichartigen Rollen mit einem größeren Durchmesser, welche mehrere Baskets gleichzeitig transportieren, konnten diese jedoch nicht festgestellt werden.
Eine genauere Betrachtung der Problematik führte zur Ermittlung der Ursachen, die in einer Kombination ungünstiger Faktoren begründet ist. Ein geringer Rollendurchmesser in Kombination mit ungehärtetem Material und einer punktförmigen Aufstandsfläche resultierten in einer unzulässig hohen Hertz’schen Pressung. Als Folge konnte plastisches Fließen sowie das Abplatzen des Materials auf der Oberfläche der Förderrollen detektiert werden.