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Bildverarbeitung in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie: Aufzeigen von werkstofftechnischen, technologischen sowie konstruktiven Anforderungen an ... in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie
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Bachelor thesis
Mechanical Engineering

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Staatliche Studienakademie Eisenach

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Er erreicht eine Zugfestigkeit von 280 N/mm² und besitzt je nach Zusammensetzung eine 0,2%-Proportionalitätsgrenze bis 260 N/mm². Daher besitzt der Werkstoff eine große Bedeutung als Konstruktionswerkstoff in der Auto- und Elektroindustrie. Hierbei werden einerseits kraftstoff- und ölbeständige Bauteile, aber andererseits auch schlagfeste Gehäuse wie von Staubsaugern oder Schlagbohrmaschinen aus Polyamid hergestellt [Sch98].

Polyamide nehmen ca. 10 % Wasser aus der Luft auf und werden daher bis zum Zeitpunkt der Sättigung kontinuierlich zäher. Aus diesem Grund ist eine Beeinträchtigung der Maßhaltigkeit möglich. Dank ihrer sehr geringen elektro-statischen Aufladbarkeit, besitzen Polyamide eine geringe elektrische Leitfähigkeit von 10 MS/m. Diese guten Isoliereigenschaften übertragen sich zugleich auf die thermischen Parameter.

Resultat ist hierbei, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient im Vergleich zu Aluminium-Knetlegierungen um 13 µm/m auf 9 µm/m abfällt. Dies hat wiederrum eine bessere Maßhaltigkeit zur Folge. Die Wärmeleitfähigkeit mit 0,28 W/Km ist allerdings so gering, dass die Wärme, welche durch elektrische Bauteile entsteht, nicht aus dem Gehäuse geleitet werden kann. Diese nachteilige Eigenschaft ist ein erhebliches Defizit für die Anwendung des hochfesten Compounds.

Ein weiteres Defizit stellt die geringe Bruchdehnung dar (siehe Tab. 9). Hierbei werden je nach Zusammensetzung des Polyamides Dehnungen zwischen 2 und 5 % erreicht. Anlässig dieser Werte kann bei wechselnder dynamischer Belastung oder einem Stoß ein plötzlicher Sprödbruch[16] nicht ausgeschlossen werden [Sch98].


Tab. 9: Eigenschaftsprofil von Polyamid im Vergleich zu der gegenwärtigen Aluminium-Knetlegierung AlMgSi1 [Sch98]

Parameter

Polyamid

Aluminium-

Knetlegierung AlMgSi1

Zugfestigkeit

230 … 280 N/mm²

300 N/mm²

Rp0,2- Proportionalitätsgrenze

160 … 260 N/mm²

255 N/mm²

Bruchdehnung

2,2 … 5 %

6 … 9 %

Härte

170 N/mm²*

91 HB

Dichte

1,4 … 1,6 g/cm³

2,7 g/cm³

elektrische Leitfähigkeit

10 mS/m

28 mS/m

Wärmeleitfähigkeit

0,23 W/Km

185 W/Km

Wärmeausdehnungskoeffizient

9 µm/m

23,4 µm/m

5.3.3 Werkstoffvergleich

Im Folgenden wird ein Vergleich der Alternativwerkstoffe durchgeführt. Als Hilfsmittel dient hierbei die Zusammenstellung auf Seite 31 (Tab. 10). Anlässig der materialwissenschaftlichen Untersuchung ist resümierend zu bekunden, dass die Aluminium-Gusslegierung G-AlSi10Mg keine nennenswerten technologischen Vorteile im Vergleich zur gegenwertigen Aluminium-Knetlegierung AlMgSi1 aufweist.

Lediglich ein gering verbessertes Bruchdehnungsverhalten und eine minimal verbesserte Isolationsfähigkeit der Elektrizität weist die untersuchte Gusslegierung auf. Auf Grund dieser Tatsache kann der Werkstoff G-AlSi10Mg bei weiteren Untersuchungen betrachtet werden.


Tab. 10:  Vergleich der werkstofftechnischen Alternativen G-AlSi10Mg, X2CrNiMo17-12-2 und G-X5CrNiMo19-11-2 mit der existenten Alumin.....[read full text]

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Edelstahllegierungen besitzen stark erhöhte Festigkeitswerte. Demzufolge können geringere Wanddicken der Gehäusekomponenten realisiert werden. Auch die Werte für Bruchdehnung und Härte reichen weit über denen der anderen untersuchten Werkstoffe hinaus. Einzige Defizite der säurebeständigen Stahllegierungen beinhalten die geringe Wärmeleitfähigkeit und die, im Vergleich zu Aluminium, dreimal höhere Dichte.

Gerade in der industriellen Bildverarbeitung ist auf ein geringes Gewicht des Gehäuses zu achten, damit die Systeme und Komponenten problemlos in Automatisier-ungsanlagen oder Robotern integriert werden können.



5.3.4 Ergebnis und Diskussion der materialwissenschaftlichen Analyse

Zu Beginn der Untersuchungsdurchführung ist ein Anforderungsprofil der Gehäusekomponenten angefertigt worden. Anhand der Profilierung ist im Folgenden die Realisierung einer materialwissenschaftlichen Analyse möglich. Diese Betrachtung dokumentiert eine ausführliche Gegenüberstellung verschiedener Materialien, welche alternativ für den bestehenden Werkstoff eingesetzt werden können.

Auf Grund des Resultates der Untersuchung ist zu dokumentieren, dass die Eigenschaftsprofile der Aluminium-Gusslegierung und die Profile der austenitischen, säurebeständigen und hochfesten Edelstahllegierungen den Anfor-derungsmerkmalen der gegenwärtigen Aluminium-Knetlegierung AlMgSi1 entsprechen. Hochfeste Kunststoffe wie Polyamide besitzen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit.

Daher kann die Wärme, welche durch elektronische Bauelemente entsteht, nicht durch das Gehäuse an die Umwelt abgegeben werden. Dies ist als KO-Kriterium zu werten. Folglich sind hochfeste Kunststoffe aus den folgenden Schritten der Lösungsfindung auszuschließen.


Gewiss ist diese Erkenntnis nicht grundsätzlich auf alle Komponenten der bildverarbeitenden Industrie übertragbar. Machine-Visions, wie z.B. ein telezentrisches Messobjektiv, welches keine elektrischen Bauelemente beinhaltet, wird keiner thermischen Belastung ausgesetzt. Demzufolge ist hier das Parameter Wärmeleitfähigkeit als i.....

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Das Spanen mit geometrisch unbe-stimmter Schneide stellt eine dieser Untergruppen dar. Der Trennvorgang erfolgt bei dieser Technologie durch ein vielschneidiges Werkzeug, wie es z.B. bei den Technologien Schleifen, Läppen oder Honen der Fall ist.


Abb. 9: Unterteilung der Fertigungshauptgruppe Trennen [AHF06]


Weitere Untergruppen des Trennens sind Zerteilen, Abtragen, Zerlegen und Reinigen. Sie sind allerdings im aktuellen Fertigungsverfahren irrelevant. Aufmerksamkeit ist der existierenden Technologie des Spanens mit geometrisch bestimmter Schneide zu widmen. Vertreter dieser Technologiegruppe wie z.B. Fräsen, Bohren oder Gewinde schneiden sind in dem bestehenden Fertigungszyklus des Gehäuses eingegliedert.

Die Frästeilzeichnung weist alle für die spanende Fertigung benötigte Maße auf. Sie zeichnen sich meist durch Kettenbemaßungen aus, um eine einfache Programmierung von NC- oder CNC-Maschinen zu garantieren.


Um das zu fertigende Bauteil den Forderungen der vorliegenden technischen Zeichnung nachzukommen, muss im Vorfeld der eigentlichen Fertigung ein NC- bzw. CNC-Programm geschrieben werden. Anschließend sind die Daten auf eine vorhandene NC- bzw. CNC-Maschine zu übertragen. Nachdem dieser vorbereitende Arbeitsschritt absolviert ist, folgt der Rüstvorgang der NC- bzw.

CNC-Maschine. Dieser zeitaufwendige Arbeitsschritt ist mit größter Genauigkeit durchzuführen, da er in den meisten Fällen über Ausschuss, auf Grund von Lagefehlern der Bauteile und brauchbares Gutteil entscheidet. Nachdem die Maschine eingerichtet ist, wird das zuvor an einer Bandsäge zugeschnittene Halbzeug, in eine Einspannvorrichtung e.....

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Alle drei Verfahren werden mit Gleichstrom betrieben wobei das Aluminium als Anode geschaltet wird. Die Gegenelektrode besteht meist aus einem Material, welches von diesem Elektrolyseverfahren nicht angegriffen wird. Es entsteht eine 10 bis 20 µm dicke Schutzschicht, welche eine Härte von ca. 200 nach der Härteskala von Brinell besitzt. Somit sind die in Tabelle 10 auf Seite 31 aufgeführten Härtewerte von 91 HB bzw. 100 HB für Aluminiumlegierungen den neuen Erkenntnissen anzupassen.


Ebenfalls zu betrachten ist das gegenwärtige Fertigungverfahren angewandt an dem Alternativwerkstoff allgemeiner Baustahl. Wie bereits in der werkstofftechnologischen Analyse angesprochen, besitzen unlegierte Stahllegierungen eine hohe Affinität zu Wasser. Demzufolge muss der resultierenden chemischen Reaktion auf der Oberfläche des Eisenwerkstoffes entgegen gewirkt werden.

Hierbei erweist sich die Oberflächenveredelung Hartverchromen als günstiges Fertigungsverfahren. Die Aufgabe des Verfahrens ist eine Verbesserung der Oberflächeneigenschaften des Werkstoffes.


Das Hartverchromen ist ein elektrochemischer Prozess. Hierbei wird in einer säurefesten Wanne ein Elektrolyt konstant auf 54°C gehalten. Der besagte Elektrolyt kann, je nach Anwendung, mit zusätzlichen Katalysatorsalzen gespeist werden. Demnach können Eigenschaften wie Glanz, Härte oder Abscheidungsgeschwindigkeit beeinflusst werden [hcw09].


Abb. 10: Schema Hartverchromung [hcw09]


Wie aus Bild zu entnehmen ist, erfolgt die Abscheidung des Chroms aus dem Elektrolyten mittels Gleichstrom. Dämpfe, welche auf der Badoberfläche entstehen, werden durch Absaugungen aufgenommen, in Chromabscheidern gereinigt und wieder an die Umwelt abgegeben. Das gefilterte Chrom-Rezyklat des Waschvorganges wird ihrem Ursprung zurückgeführt. Die Elektrolyttemperatur steigt bei einer großen Belastung des Bades.

Demnach muss das Bad mittels eines Wasserkreislaufs gekühlt werden. Die dadurch entstehende thermische Energie wird unter Verwendung eines Wärmetauschers genutzt und der Frisch-luft beigemengt. Das Eigenschaftprofil der Oberfläche von hartverchromten Bauteilen verbessert sich bezüglich Härte auf ca. 900 HB sowie Zugfestigkeit auf 650 N/mm². Auch die chemische Beständigkeit, welche bei unbehandelten Baustählen kaum vorhanden ist, wird durch Hartverchromen erheblich erhöht.

Somit sind hartverchromte Bauteile praktisch bist auf sehr wenige Bauteile gegen alle Chemika.....

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Die eingeschlossene Luft kann über Kanäle, z.B. an den Auswerferstiften entweichen [AHF06]. Der erste Teil der Schmelze, der mit der Luft und den Schmiermitteldämpfen Oxide und Schlieren gebildet hat, wird über das Gussstück hinaus in einer Überlaufbohne aufgefangen. Durch Verschieben der Auswerferplatte werden das Gussstück und das Anschnittsystem nach dem Erstarren aus der geöffneten Druckgießform entfernt.

Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur sollen sich das Anschnittsystem und die Überlaufbohnen möglichst durch einfaches Abbrechen entfernen lassen, so dass nur der Gießgrat in der Formteilung und die Bruchstellen durch Putzen oder Schleifen geglättet werden müssen. Druckgießen ist das wirtschaftlichste gießtechnische Urformverfahren für Großserien von Gussteilen mit kleinen bis mittleren Abmessungen bei Stückmassen unter 40 kg.

Allerdings kommt es auf die form- und gießgerechte Gestaltung der Druckgussteile an, deren Freiheit begrenzt ist [AHF06].


Abb. 12: Heuverssche Kreismethode an Verzweigungen [AHF06]

Ein gegossenes Bauteil sollte aus geometrisch einfachen Grundkörpern, wie z.B. Zylinder, Kegel, Kubus oder Kugeln zusammengesetzt und bevorzugt mit ebenen Flächen gestaltet sein. Damit das Gussteil weiter bearbeitet werden kann, müssen einerseits Spannmöglichkeiten, andererseits gut zugängliche Bearbeitungsflächen für spätere Nachbearbeitungen vorhanden sein.

Bei Gussstücken aus Druckguss, wie es bei der gegenwärtigen Gehäusekonstruktion gefordert ist, müssen nach Möglichkeit die Wanddicken gleiche Maße annehmen. Im Falle einer Wanddickenänderung sollte für allmähliche Übergänge Sorge getragen werden. Des Weiteren sind scharfe Kanten, Kerbungen, Hinterschneidungen und Materialanhäufungen zu vermeiden. Ebenfalls ist auf die Gestaltung von Abrundungen und Formschrägen zu achten.


Abb. 13: Heuverssche Kreismethode bezogen auf Wanddicken [AHF06]


Speziell die gegenwärtige Problemstellung der Gehäuseoptimierung der Machine Visions stellt eine anspruchsvolle Aufgabenstellung dar. Hierbei ist besonders darauf zu achten, dass die zuvor angesprochenen Materialanhäufungen minimiert werden. Zur Optimierung dieses Problems erweist sich die Heuverssche Kreismethode, welche in Abbildung 12 demonstriert ist, als einfaches Hilfsmittel.

Bei einer gießgerechten Konstruktion soll das Verhältnis der einbeschriebenen Kreisquerschnitte nahe bei eins liegen. Damit Gussstücke aus Werkstoffen mit großer Erstarrungskontraktion dicht gespeist werden können, sind die Wanddicken besonders sorgfältig auszulegen. Auch in diesen Fällen kommt der Heuverssche Kontrollkreis zur Anwendung. Bei einer gießgerechten Konstruktion müssen, wie in Darstellung 13 auf Seite 38 demonstriert, die Flächen zum Speise.....

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Dies entspricht genau dem Stückzahlprofil der gegenwärtigen Aufgabenstellung von 100 Exemplaren. Nachdem die Bleche zu exakten Platinen mit dem Laser zugeschnitten worden, ist mittels einer Abkantbank und einem Gesenk der nachfolgende umformende Arbeitsschritt durchzuführen. Hierbei handelt es sich um das Biegeumformen nach DIN 8586. Das Biegeumformen ist das Umformen eines festen Körpers, wobei man den plastischen Zustand im Wesentlichen durch eine Biegebeanspruchung herbeiführt.

In der Praxis werden Verfahren mit geradliniger und drehender Werkzeugbewegung unterschieden. Im Beispiel der vorliegenden Bachelorarbeit ist die erste Art der Werkzeugbewegung zu betrachten. Sie beinhaltet das Biegen mit V-förmigen Biegegesenk. Hierbei wird das auf den Rändern des Gesenkes ruhende Werkstück durch eine geradlinige Bewegung des Biegestempels in das V-Gesenk gedrückt.

Der Stempel belastet das Blech mit einer Kraft . Unter dem Biegemoment  beginnt der Werkstoff zu fließen, bis der Werkstoff an der Gesenkbank anliegt. Formel 1 dient hierbei zur Bestimmung des Biegemomentes unter Verwendung der Gesenkweite w.


(1)


Der Krümmungsradius  wird bei diesem Verfahren durch das Gesenk vorgegeben. Besonderes Augenmerk ist bei dieser Technologie auf das Rückfederungsbestreben und dem minimalen Biegeradius  zu legen. Das Rückfederungsbestreben wird hierbei mit dem Rückfederungsfaktor  beschrieben und mit der nachfolgenden Formel 2 bestimmt. Demnach sind, je nach Blechdicke , formgenaue Werkstücke zu erwarten.

(2)


Ebenfalls ist der minimale Biegeradius  mit Formel 3 zu bestimmen. Diese Berechnung ist vorzunehmen, um einer überproportionalen Verfestigung entgegenzuwirken. Der Mindestrundungsfaktor , welcher ebenfalls in der Formel enthalten ist, wird in Tabelle 11 für verschiedene Werkstoffe aufgeführt [Fri06].


(3)


Tab. 11: Mindestrundungsfaktor c für verschiedene Werkstoffe [Fri06]

Werkstoff

c-Faktor

Werkstoff

c-Faktor

Werkstoff

c-Faktor

Stahlblech

Tiefziehblech

Rostfreier Stahl

Mart., Ferrit.

Austenitisch

Kupfer

Zink

0,6

0,5


0,8

0,5

0,25

0,4

Aluminium weich

Aluminium halbhart

Aluminium hart

AlMg3 weich

AlMg3 hart

AlMg9 weich

AlMg9 hart

0,6

0,9

2,0

1,0

1,3

2,2

5,0

AlMgSi, weich

AlMgSi, hart

AlCuMg, weich

AlCuMg, presshart

AlCuMg, ausgehärtet

AlCuNi, geglüht

AlCuNi, ungeglüht

1,2

2,5

1,2

1,5

3,0

1,4

3,5

Der Biegeradius sowie der Rückfederungsfaktor entscheiden in vielen Fällen über brauchbares Gutteil oder Ausschuss bei Biegeteilen. In der Praxis besteht der Regelfall zur genauen Ermittlung der Platinenparameter in dem Einsatz von CAD-Software. Durch die computerunterstützten Konstruktionsarbeiten werden kritische Parameter des Biegevorganges exakt berechnet und dargestellt.

In der vorliegenden Untersuchung kommt die in der Firma Vision & Control GmbH verwendete Software Autodesk Inventor 2010 der Firma Autodesk zur Anwendung. Nachdem die Blechplatinen gemäß ihren ermittelten Parametern gebogen sind, wird im Folgenden das thermische Fügeverfahren Wolfram-Inertgas[18]-Schweißen (WIG-Schweißen) angewandt. Dieses Schweißverfahren gehört zu der Gruppierun.....

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