Untersuchung und Analyse der Wechselwirkung zwischen den prüftechnischen und geometrischen Einflüssen zur sicherheitsgerechten und gefährdungsangepassten Dimensionierung der Schnittstelle Polycarbonat-Sichtscheibe und trennende Schutzeinrichtung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Risiko des Durchschlags von Teilen, die sich aus einem Zerspanungsprozess lösen, hat zu weitreichenden Untersuchungen geführt, deren Ergebnisse dazu genutzt wurden, Auslegungshinweise für Maschinenumhausungen in weltweit harmonisierte Normen aufzunehmen. Allerdings ist bei der Konstruktion einer sicheren Umhausung nicht nur die gefahrenangepasste Dimensionierung der Einzelteile entscheidend, sondern auch die Auslegung der Schnittstellen dieser Teile. Wegen der Vielzahl an Faktoren, deren Einfluss aufgrund einfacher mechanischer Überlegungen sowie einzelner Untersuchungen vermutet wurde, fand eine systematische Betrachtung dieses Risikos nicht statt, so dass Konstrukteure von Maschinenumhausungen bis heute auf ihre eigene Erfahrung angewiesen sind. Besonders bei der Integration der Schutzscheibe in die Maschinenumhausung stellt dies eine Lücke innerhalb der sicherheitstechnischen Normung dar. In diesem Projekt wurde die Gefahr, dass das Fenster beim Aufprall eines Projektils, entsprechend der Normprüfung nach DIN EN ISO 23125, durch seinen Rahmen gezogen wird, erstmals systematisch betrachtet. Aufgrund vorangegangener Untersuchungen wurden die mutmaßlich signifikanten Faktoren Rahmenstärke t, Scheibendicke s, Aufprallpunkt (x;y) und die Kantenlänge des Rahmenausschnitts k ausgewählt. Die Auflagebreite b floss nicht als Faktor ein, sondern wurde zur Zielgröße, indem zu jeder Faktorkombination die zum Bestehen der Aufprallprüfung notwendige Auflagebreite bmin ermittelt wurde. Auf diese Weise konnten die Mittel der statistischen Versuchsplanung angewendet werden, die mit einer rein qualitativen Zielgröße („Bestanden“ / „Nicht bestanden“) nicht hätten genutzt werden können. Die Auflagebreite wurde in Schritten von ∆b = 5 mm variiert. Mit Hilfe eines teilfaktoriellen zentral zusammengesetzten Versuchsplans konnten die Einflüsse und Wechselwirkungen auf die minimale Auflagebreite bmin erfasst werden. Da alle Faktoren Effekte zeigten, die als signifikant eingestuft wurden, wurde von einer fehlerträchtigen Simplifizierung des Modells abgesehen und ein quadratisches Regressionsmodell erstellt, dass alle 5 Faktoren und ihre Wechselwirkungen abbildet. Innerhalb der bis dahin untersuchten Wertebereiche mit Kantenlängen 335 mm < k < 500 mm wiesen die Residuen eine Standardabweichung von σR = 2,68 mm auf, so dass bei einem Sicherheitsaufschlag von Skonst. = 5 mm nur in ca. 3,2 % der Fälle mit einer Unterdimensionierung zu rechnen ist. Im weiteren Verlauf stellte sich bei Versuchen an größeren Prüfmustern mit Kantenlängen von 700 mm < k < 1200 mm heraus, dass diese negativ mit der minimalen Auflagebreite korrelierte, so dass größere Scheiben eine niedrigere notwendige Auflagebreite bmin benötigten. Genau das Gegenteil war für kleinere Kantenlängen k der Fall. Außerdem zeigte sich, dass bei einer Entfernung des Aufprallpunkts von der Rahmenkante von a > 150 mm alle bestimmten erforderliche Auflagebreiten bei bmin ≤ 40 mm liegen, so dass sich mit der Vermeidung von Einschlägen am Rand signifikant reduzierte Auflagebreiten b nutzen lassen. In Versuchen mit Maschinenschutzscheiben im Verbund mit einem Profilrahmen und einer ESG-Scheibe konnte gezeigt werden, dass die Maschinenschutzscheiben durch Ablösung vom Profilrahmen ein ähnliches Verhalten aufweisen wie einzelne PC-Scheiben. Neben der Erstellung des Regressionsmodells und der Berechnung der Effekte der Faktoren wurde auch untersucht, ob die Vorgaben, die bezüglich der genutzten FE-Modelle gemacht wurden, hinreichend sind um auch mit anderen Solvern ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Dafür wurden neben dem mit MSC.Marc gelösten Modell ein zweiten FE-Modell mit dem Solver Ansys Explicit Dynamics gelöst. Es zeigte sich eine deutliche Änderung im Aufprallverhalten an der Verlagerung des Aufprallpunkts pZ, die auf eine notwendige Anpassung des Materialmodells des PC zurückzuführen war. Variationen der Fließkurven des PC zeigen, dass diese einen deutlichen Einfluss auf das Aufprallverhalten, in den untersuchten Fällen jedoch nicht auf das Prüfergebnis haben. Abschließend konnten im Rahmen des Projekts allgemeine Hinweise erarbeitet werden, deren Verbreitung und Aufnahme in eine harmonisierte Norm am IWF angestrebt wird. Für Fenster mit Kantenlängen von 335 mm < k < 415 mm konnte ein exaktes Regressionsmodell ermittelt werden, das direkt angewendet werden kann. Es kann außerdem als Vorlage dienen, um in anderen Anwendungsfällen ein sicheres Auslegungswerkzeug zu generieren. Abschließend wurde gezeigt, dass die im Rahmen des Projekts festgelegten Randbedingungen, Kontaktbedingungen und Materialmodelle ausreichen, um die Sicherheit einer in die Umhausung integrierten Schutzscheibe zu bewerten. Meister, F.: Sicherheit ist nicht selbstverständlich. In: Ingenieurspiegel (2013) 3, S. 16 - 18
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Sichere Schnittstelle „Sichtscheibe - Umhausung“. In: wt Werkstattstechnik online, 102 (2012) 7/8, S. 455 - 458
Uhlmann, E.; Meister, F.; Duchstein, B.
- Einfache und sichere Auslegung der Umhausung. In: wt Werkstattstechnik online, 104 (2014) 7/8, S. 496 - 501
Uhlmann, E.; Meister, F.
- FE-Simulation for a Safe Design of Machine Tool Safety Guards. In: WGP Congress 2014. Progress in Production Engineering. Hrsg.: Merklein, M.; Franke, J.; Hagenah, H. Pfaffikon (CH): Trans Tech Publications, 2014, S. 381 - 386
Meister, F.; Uhlmann, E.
