Műszaki műanyagok alkalmazása biztonságilag kritikus területeken (fékrendszerek)
Nagy István Kecskemét, 2010.11.24
Knorr-Bremse Group
Vállalatcsoport
Knorr-Bremse a világ vezető vállalata a közúti és vasúti fékrendszerek gyártásában
Vasúti Járműrendszerek
Közúti Járműrendszerek
¡ Metró szerelvény ¡ Villamos ¡ Gyorsvasutak ¡ Lokomotívok ¡ Személyszállító vonat ¡ Tehervonat
¡ Tehergépjármű ¡ Busz ¡ Motor ¡ Speciális jármű
Knorr-Bremse Group
Magyarországi telephelyek
A Knorr-Bremse Magyarországon Vállalatok
Telephelyek
Knorr-Bremse Fékrendszerek Kft.
Kecskemét Budapest Bugac
Knorr-Bremse Vasúti Járműrendszerek Hungária Kft.
Budapest
Főbb adatok (2009) Foglalkoztatottak
>1 600
Értékesítés
> 54 milliárd HUF
K+ F ráfordítás
az értékesítés 7.4 %-a
Knorr-Bremse Fékrendszerek Kft. Gyártás: ¡ levegő-előkészítés részegységei és a légfékrendszer szelepeinek gyártása ¡ elektronikai szerelvények (ABS, ELC) Értékesítés: ¡ a teljes Knorr termékportfolió értékesítése 18 országba
Knorr-Bremse Group
Kutatás-fejlesztés: ¡előfejlesztés, a jövőt meghatározó kutatások ¡ termékfejlesztés - szoftveres és elektronikához kapcsolódó fejlesztések – Budapest - a pneumatikus egységekhez kapcsolódó fejlesztések – Kecskemét ¡ adaptáció a vevői igényeknek megfelelően ¡ diagnosztika, WTS
Kutatás-fejlesztés
Fejlesztések Kecskeméten
2009/2010
2011/2012
CoC1.2
Műanyag időkapcsoló
CoC1.2
Új légszárító
Kuplung vezérlő szelep
Új négykörös védőszelep
CoC2.2
Munkahenger
Elektro-pneumatikus levegő-előkészítő egység
ZB68 nyomás határoló
CoC2.2
Új Fékerőszabályozó
Kombinált oldószelep
Knorr-Bremse Group
Kombinált oldószelep + Első tengely szelep
Új generációs tengely emelő szelep
Költségcsökkent ett kapcsolófej
Műanyag kapcsolófej
Műanyag gyorsoldó szelep
Szint Műanyag szabályzó munkahenger egység
Jedlik Ányos Pályázat Műszaki Műanyagok használata biztonságilag kritikus területeken (fékrendszerek)
Knorr-Bremse Fékrendszerek Kft.
Budapesti Műszaki Egyetem Polimertechnika Tanszék
Knorr-Bremse Group
Kecskeméti Főiskola Gépipari és Automatizálási Műszaki Főiskolai Kar
Trimetrik Műanyagipari, Mérnöki és Szolgáltató Kft.
Elsner Ipari és Szolgáltató Kft.
Tartalom
¡ A projekt célja ¡ Feladatok elosztása ¡ A műanyagosítás fő lépései a projektekben ¡ Műszaki követelmények a fékrendszer elemekkel szemben ¡ Alprojektek ¡ A szimulációk szerepe a terméktervezési folyamatban ¡ A kutatókkal, gyártókkal való együttműködés hatásai fejlesztési projektekre
Knorr-Bremse Group
A projekt célja ¡ A megszokotthoz képest nagyobb megbízhatóságú, rövidebb fejlesztési-tesztelési idejű műanyag fékrendszer-elem kidolgozása.
¡ Megalapozni az eddig fémből készült alkatrészek műanyaggal történő kiváltásának módszertanát.
¡ A fékrendszerekben alkalmazott fémek költséges megmunkálási (raktározás, forgácsolás, felületkezelés) feladatainak költséghatékonyabb, fröccsöntési technológiával való kiváltása.
¡ Megvalósítani a műanyaghelyes tervezés, a prototípusgyártás, a szerszámgyártás, és a termék előállítás folyamatának új rendszerét.
¡ A műszaki paraméterek teljesítése / javítása, mint pl. kopásállóság, csúszás, méretpontosság, mechanikai szilárdság, hőmérsékleti alkalmazkodás, fárasztás, rezgés, ütésállóság.
Knorr-Bremse Group
Feladatok elosztása
Fő cél: költségcsökkentés ¡ forgácsolási művelet elhagyása ¡ alkatrészfunkciók összevonása (integráció)
Feladatok elosztása: • Alapkutatás: (BME, GAMF) A polimer anyagok és a belőlük készített termékek viselkedésének minél pontosabb leírása. Ezen kutatások adják a bemenő anyagjellemzőket a technológiai fejlesztések támogatását szolgáló mechanikai és fröccsöntés szimulációs vizsgálatokhoz a végleges anyag és forma kiválasztása érdekében. • Alkalmazott kutatás és kísérleti fejlesztés: (Knorr, Trimetrik, Elsner) ¡ konkrét termékek, illetve termékek kritikus részleteinek vizsgálata, ¡ a meglévő alumíniumból készült öntött és forgácsolt termékek helyettesíthetőségének vizsgálata, ¡ megbízhatósági vizsgálatok, műszaki jóváhagyás.
Knorr-Bremse Group
A műanyagosítás fő lépései a projektekben 1. Műszaki követelmények ellenőrzése és alkatrész modellek biztosítása – Knorr-Bremse Kft. 2. Mechanikai szimulációk – GAMF Knorr 3. Fröccsöntés technológiai szimulációk – BME Trimetrik Elsner Termék jóváhagyás Fröccsöntött minták
BME Fröccsöntő szerszám
GAMF
Jóváhagyott termék
Gyorsprototípus Mold-Flow
Knorr Ansys ProE modell
Knorr-Bremse Group
4. Prototípus gyártás 5. Szerszám gyártás – Elsner Kft 6. Termék minták gyártása – Trimetrik Kft. 7. Termék jóváhagyás – Knorr-Bremse Kft.
Műszaki követelmények a fékrendszer elemekkel szemben Általános követelmények: ¡ Működési hőmérséklet tartomány: -40°C - + 80°C ¡ Maximális üzemi nyomás: 13 bar Speciális követelmények: ¡ Olaj, víz, sár, só állóság ¡ Extrém hőmérsékleti viszonyok (-45°C; +110°C)
Fő alkatrészek alapanyagával szemben támasztott főbb követelmények : ¡ Méret pontosság ¡ Méret tartósság ¡ Mechanikai szilárdság ¡ Hőmérsékletállóság ¡ Kopásállóság ¡ Ütésállóság
Jóváhagyási folyamat főbb vizsgálatai: ¡ Funkcióteszt
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
Nagy nyomású vizsgálat (repesztés) Klímakamrás funkció teszt Váltóklímás teszt Öregítés (+80 °C, 2500 h) Fárasztó vizsgálat Vibrációs vizsgálat Környezetállósági vizsgálatok (sóköd-, víz-, UV-, sárteszt, stb.)
Knorr-Bremse Group
Alumínium alkatrész kiváltása műanyagra A projekt célja: költségcsökkentés A szelepfedél alkatrészét jelenleg a Knorr-Bremse egy alumínium hasábból forgácsolással állítja elő a házon belül. Ennek az alkatrésznek a kiváltása az elmúlt évek nyersanyag drágulása miatt, illetve az alumínium hasáb megmunkálási költségei miatt vált fontossá.
Eredeti termék alumínuim fedéllel Knorr-Bremse Group
Műanyag koncepció variáns - 1
Műanyag koncepció variáns - 2
Végleges műanyag koncepció
Trailer rendszer – AE1141 Tengelyemelő szelep
Knorr-Bremse Group
Alumínium alkatrész kiváltása műanyagra Megvalósítás lépései: Többféle koncepció variáns kidolgozása(Knorr)
Variánsok helyességének ellenőrzése szimulációk, segítségével (GAMF, BME)
Gyorsprototípus gyártási technológiák összehasonlítása, (Knorr, GAMF, BME)
Prototípus szerszámgyártás, (Elsner)
Mintagyártás (Trimetrik)
Mold flow simulation
Ansys Funkció tesztek (Knorr)
Design véglegesítés
Knorr-Bremse Group
Szerszám optimalizálás (Elsner)
Mintagyártás (Trimetrik)
Minták jóváhagyó vizsgálata (Knorr)
Műanyag menetek (normál menetek) kialakítása Fémből készült alkatrészek költséges menetmegmunkálásának, műanyagból készre fröccsöntött menettel történő kiváltása A járműipari szelepeknél általánosan alkalmazott menetméretek: n belső M5 n belső M8 n belső M16x1,5 (DIN és Voss szabvány szerinti)
Kritériumok a próbatesttel szemben: n könnyen kezelhető méret n könnyű reprodukálhatóság n gazdaságos gyárhatóság
n belső M22x1,5 (DIN és Voss szabvány szerinti) n külső M22x1,5 Megvalósítás lépései: Geometria megtervezése, modellezése (Knorr)
Anyagkiválasztás (Knorr, GAMF, BME, Trimetrik, Elsner)
Knorr-Bremse Group
Szerszámgyártás (Elsner)
Mintagyártás (Trimetrik)
Minták mechanikai vizsgálata (GAMF, Knorr)
Műanyag menetek (normál menetek) kialakítása Próbatesthez kiválasztott anyagok: n PA 6.6 (0% Glass) n PA 6.6 30% n Celstran PA66 GF50-01 n IXEF Mechanikai vizsgálatok Menet tönkremeneteli vizsgálat Járműipari csatlakozókra kötelező előírás a szerelhetőségi vizsgálat (25-szöri meghúzás és oldás tesztje)
Menet előírás szerinti szerelhetőségi vizsgálata Vibrációs vizsgálat Öregítés vizsgálat
A két legkedvezőbben szereplő anyag a PA 6.6 30% és a Celstran PA66 GF50-01. E két anyagnál volt a legmagasabb a törési nyomaték, emellett ezen értékek szórása sem volt nagy. (További vizsgálatokra a M22x1,5 külső/belső menetmintákat használtuk)
Eredmények PA 6.6 (0% Glass): 34 Nm PA 6.6 30% : 52 Nm Celstran PA66 GF50-01: 56 Nm IXEF: 65Nm (de túl nagy a szórás) Szivárgásmentesen tömített Szivárgásmentesen tömített, az oldási nyomaték nem változott A teszt végére az oldási nyomatékok jelentősen lecsökkentek. A műanyag menetek relaxálódtak
Következő lépés: n Az öregítés teszt megismétlése 50 óránkénti köztes ellenőrzéssel, hogy megtudjuk, milyen gyorsan megy végbe a menetek relaxációja Knorr-Bremse Group
Műanyag menetek (normál menetek) kialakítása Vizsgálatok
Eredmények
Öregítés vizsgálat (50 óránkénti kontrollal) Kezdeti meghúzási nyomaték: 22-26Nm
STARAMID 40: az első 50óra után oldási nyomaték <6Nm TECHNYL AZ 18V30: az első 50óra után oldási nyomaték <6Nm GRILAMID LV 3H: az első 50óra után oldási nyomaték <6Nm
Következtetés Az oldási nyomaték alig mérhető 6 Nm alatti, ez azt jelenti, hogy a relaxációs folyamat +80°C-on nagyon gyorsan, gyakorlatilag 2 nap alatt végbemegy. Ennek polimer fizikai magyarázata az, hogy a molekuláris mozgás erősen megnövekedik +80°C közelében.
Javaslat Az öregítés teszt megismétlése, további újabb anyagok kipróbálása, esetleg menetrögzítő anyagok alkalmazása és továbbra is köztes ellenőrzés, hogy megtudjuk, milyen gyorsan megy végbe a menetek relaxációja
Megvalósítás lépései: Újabb műszaki műanyagok keresése (Knorr, DSM, EMS)
Mintagyártás (Trimetrik)
Menetrögzítő anyagok műanyagokhoz
Öregítés teszt (GAMF)
Tesztek kiértékelése
Tesztek várható vége: 2011 15.hét
+80°C, 10bar Knorr-Bremse Group
Kapcsolófej - ma
Nyerges vontatók
Kapcsolófejek
Fékezővezeték
Knorr-Bremse Group
Alu házra, acél kapcsolólemez(ek) csavarozva, műa dugattyúval, O-gyűrűvel – sárga + piros műa. porvédő fedéllel --- sárga +piros spirálcsőre csatlakoztatva
Töltő vezeték
Műanyag kapcsolófej integrált spirálcsővel Költségcsökkentés: alumínium szelep műanyagosítása illetve a fém csatlakozók kiváltása a szeleptest és a cső összefröccsöntésével. Követelmények: ¡ A kapcsolófej háza ráfröccsönthető legyen PA12-es csőre ¡ Kopásállóság ¡ Kötési szilárdság ¡ Tömítettség (-40°C-+80°C), ¡ Öregedésre, hősokkra ellenálló ¡ Megfeleljen mechanikai igénybevételeknek (húzás, hajlítás) Megvalósítás lépései: Megvalósíthatósági vizsgálathoz geometria megtervezése (Knorr)
Anyagkiválasztás (Knorr, GAMF, BME, Trimetrik, Elsner)
Knorr-Bremse Group
Szerszámgyártás (Elsner)
Mintagyártás (Trimetrik, Elsner)
Minták mechanikai vizsgálata ( Knorr)
Műanyag kapcsolófej integrált spirálcsővel Elvégzett tevékenységek: Geometria kialakítása (Knorr) n Kopófelületek tesztelése: Felhasznált anyagok: Hostaform, Staramid, EsProlon, Vestamid, Grivory, Celstran, Impet, Grilamid n Fárasztóvizsgálat: a próbatesteket aluházra szereltük és fárasztóvizsgálatnak vetettük alá. A fárasztás eredményei alapján választottuk ki a megfelelő anyagot. (Knorr) Tömítettségi vizsgálatok (Knorr): tömítettség vizsgálat csőre ráfröccsöntött anyaggal n 10bar nyomáson, normál hőmérséklet, + klímakamrás teszt n Szakítóvizsgálatokkal is teszteltük a kötés szilárdságát.
Eredmények: n A fenti teszteknek megfelelő anyag : GRILAMID LV-3H
Knorr-Bremse Group
Műanyag kapcsolófej integrált spirálcsővel Végleges szerszám/alkatrész megtervezése, megvalósítása és tesztelése Megvalósítás lépései: Geometria megtervezése, modellezése (Knorr)
Szerszámtervezés (Elsner)
n Fárasztóvizsgálat
Minták vizsgálata (Knorr)
Knorr-Bremse Group
Szerszámgyártás (Elsner)
n Vibrációs teszt
Mintagyártás (Trimetrik)
n Hőváltó klímás
n Nyomásállósági
A szimulációk szerepe a terméktervezési folyamatban A mechanikai szimulációkkal előre jelezhető, hogy az ismert erőhatások következtében milyen deformációkat szenved a termék az életciklusa során. A szimulációk eredményei alapján lehetőség van a design átdolgozására, még a szerszámgyártás előtt, így jelentős megtakarítást érhetünk el, mivel elkerülhetjük a szerszám módosítás költségeit.
Szimulációk alapján átdolgozott design: Kontúr módosítás
Bordák elhelyezése alsó részre
Knorr-Bremse Group
Felső részen a bordák kiváltása körbefutó palásttal
Alulról, betétekkel alakítjuk ki a palástig futó bordákat
Fejlesztési projekt optimalizálás Projekt időtartam Szimulációk nélkül Koncepció fejlesztés, A – minta B – minta fejlesztés B – minta szerszám gyártás B – minta jóváhagyás C – minta fejlesztés C – minta szerszám gyártás C – minta jóváhagyás Gyártás indítása Koncepció fejlesztés, A – minta C – minta fejlesztés C – minta szerszám gyártás C – minta jóváhagyás Gyártás indítása Szimulációkkal Projekt időtartam Knorr-Bremse Group
Együttműködés a műanyaghelyes tervezés érdekében Előtte: 1. Vastag támasztó bordák 2. Keresztirányú bordázás 3. Egyenes kifutású borda 4. Anyagtöbblet 5. Standard hegeszthető geometria
1
1
2 3
4 5
2 3
4 5
Knorr-Bremse Group
Utána: 1. Vékonyított támasztó bordák 2. Egyirányú bordázás 3. Ferde kifutású borda 4. Egyenletes falvastagság 5. Specifikált hegeszthető geometria
Együttműködés a műanyaghelyes tervezés érdekében Előtte: 1. Vastag merevítő bordák 2. Standard kialakítás 3. Összefüggő támasztó felület 4. Anyagtöbblet
1 3 4
1
2
2
3 4
2
2 2
Knorr-Bremse Group
2
Utána: 1. Vékonyított merevítő bordák 2. Anyagáramlást segítő gyűrűk 3. Kiemelt támasztó felület 4. Egyenletes falvastagság
Előzetes vizsgálatok hatásai a projekt időtartamára
Projekt időtartam Együttműködés nélkül Tervezés Szerszámgyártás Bemintázás Jóváhagyás
Tervezés Szerszámgyártás Bemintázás
Korai visszacsatolás Optimalizált alkatrész terv Nincs felesleges korrekció Nincs ismételt teszt
Jóváhagyás
Együttműködéssel Projekt időtartam
Knorr-Bremse Group
Trailer rendszer – AE4370 Kombinált oldószelep
Knorr-Bremse Group
Alumíniumból műanyag – fékrendszer elem áttervezése
Alumínium házas AE4311
Funkciók: Kombinált oldó szelep Áteresztő szelep
Knorr-Bremse Group
Műanyag házas AE4370
Funkciók: Kombinált oldó szelep Áteresztő szelep
Knorr-Bremse Group
Köszönöm a figyelmet!
Nagy István Knorr-Bremse Fékrendszerek Kft. 6000 Kecskemét Szegedi út 49.
Knorr-Bremse Group
Phone: +36 76 511-165 Mobile: +36 20 415 8250 Fax: +36 76 511-230 mailto:Istvan.Nagy@knorr-bremse.com http://www.knorr-bremse.hu