Ursachenanalyse : Fehler im Prozess: Wie man die Ursache findet

Wer Auslegungsfehler, Qualitätsmängel und Schadensfälle im Maschinenbau weitgehend vermeiden will, der sollte an die Ursachen gehen, anstatt die Symptome zu behandeln. Nur: in der Theorie klingt oft das einfacher als in der Praxis. Einer, der die Probleme an der Wurzel packt, ist Peter Kollegger, der mit seinem Ingenieurbüro für Maschinenbau und Technische Geologie von Leoben aus im DACH-Raum sowie in Ungarn, Tschechien und der Slowakei aktiv ist. Um an die Ursache von Fehlern zu. gelangen, gibt es zwei Vorgangsweisen:

1. Simulationen, im Idealfall bereits in der Prototypenphase.

2. Gezielte Mess- und Analysemethoden nach dem Auftreten von Fehlern.

Aus seiner beruflichen Praxis kennt Kollegger einige Beispiele, anhand derer er seine Arbeit erläutert. Bei einem davon ging es um Antriebswellen im landwirtschaftlichen Einsatz. Das Problem, vor dem der Anwender stand, war: 13 von insgesamt 18 Aggregaten waren bereits nach knapp fünf Tagen defekt. Kollegger nahm verschiedene Untersuchungen vor - metallographische Untersuchungen, eine Vickers-Härteprüfung und lichtmikroskopische Untersuchungen, mit denen er sich auf die Spurensuche nach dem Fehler machte. Und schließlich war die Ursache für die defekten Antriebswellen gefunden. Im verarbeiteten Stahl war die Gefügequalität unzureichend.

Oft sind es aber auch banale Gründe, die zu Stillständen von Maschinen oder Anlagen führen: Etwa eine mangelhafte Fertigungsqualität bei zugekauften Komponenten. Hier kann die Lösung nur sein, den Lieferanten zu wechseln. Einmal verkürzte auch eine Reibkorrosion die Lebensdauer eines Kugellagers von 8.000 auf nur 800 Betriebsstunden - die Folge war ein Totalschaden. „Der Kugellagerlieferant hat sogar versucht, das Problem mit Keramikkugeln in den Griff zu bekommen. Gelöst haben wir es schließlich mit der Anpassung des Lagersitzes und simpler Montagepaste, mit der wir jene Oxidation verhindern, die der Auslöser für die Reibkorrosion war“, skizziert Kollegger seinen Lösungsweg.

Auch die Überprüfung der Qualität von Schweißnähten ist bei Kollegger ein wiederkehrendes Thema. Siemens Energy bei setzt Transformatoren hier mittlerweile auf die Modellierungen und Simulationen von LCM. Dafür hat LCM auf Basis der CAD Konstruktion ein digitales Modell der Siemens Energy-Transformatoren erstellt. Mittels Finite Elemente-Simulationen können die Materialermüdung und statische Belastungsgrenzen des Trafokessels sowie der Schweißnähte beschrieben werden. „Weil man die Überdruckbelastung von Trafokesseln nur mit großem Aufwand und Risiko in Versuchen testen kann, ist die Simulation ein Fixpunkt im Konstruktionsprozess, bevor die Produktion startet“, erklärt Markus Schörgenhumer, Teamleiter Simulation bei LCM. „Das hilft natürlich, potenzielle Schadensfälle zu verhindern.“

Für die Multifunktionsfräse „Fräsinator“ von NG Green aus Kirchberg an der Pielach gab es bereits einen ersten realen Prototyp, als LCM einen digitalen baute. „Es wäre für das junge Unternehmen zeitlich und finanziell nicht möglich gewesen, alle konstruktiven Entwicklungen in Versuchen zu testen“, beschreibt Schörgenhumer die Ausgangslage. Veränderte Schaufel-Geometrien, Optimierungen am Gehäuse, an der Kinematik und den Wurfarmen wurden in physikalischen Simulationen am digitalen Prototyp getestet. „Die Technologie erreicht bei gleicher Drehzahl eine Steigerung der Förderleistung um bis zu 70 Prozent. Die Optimierungen durch die Simulation haben daran einen maßgeblichen Anteil. “, sagt Schörgenhumer.

Den Verschleiß zu minimieren, lautete die Anforderung von Prinz. Bei den industriellen Kettensägen des Unternehmens aus Loosdorf sind möglichst lange Einsatzzeiten ein vorrangiges Ziel der Produktentwicklung. „Ein neuralgischer Punkt dabei sind die Ein- und Ausläufe der Kette in der Führungsschiene. Dort kommt es zu jenem Verschleiß, der letztendlich die Wartungszyklen diktiert“, sagt Schörgenhumer. Ob eine Optimierung über veränderte Konstruktion, angepasste Betriebspunkte oder härtere Materialien zu erreichen ist, lässt sich nur über Dauertests bestimmen. Jede einzelne Optimierungsoption – und das Zusammenspiel von Einzeloptionen – jeweils in stunden- oder tagelangen Dauertests zu erforschen, würde im Realbetrieb jeden wirtschaftlich vertretbaren Zeitrahmen sprengen, argumentiert Schörgenhumer.

„Die logische Alternative ist die physikalische Simulation mit der Finite Elemente-Analyse. So konnten wir mit gezielten konstruktiven Maßnahmen die Lebensdauer der Kette und Führungsschienen um rund 30 Prozent erhöhen.“ Auch für Peter Kollegger ist das der idealtypische Fall für eine Fehler- bzw. Verschleißprävention. „Zuerst die Verbesserungsmöglichkeiten in der Geometrie zu analysieren, bevor man Materialqualitäten verändert, ist sicher der Königsweg, um die Lebensdauer zu verlängern.“

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