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Messtechnik von Sensus arbeitet mit dreidimensional spritzgegossenen Keramikbauteilen von Kläger / High-End-Engineering sorgt für exakte Durchflussmessung
nach dem neuesten Stand der Technik Ludwigshafen/ Dornstetten, im Dezember 2015. Innovative Lösungen fangen immer mit einer Herausforderung an. In diesem Fall geht es um die Erfassung von Kleinst-/ Schleichmengen unserer kostbarsten Ressource, sauberes Trinkwasser. Denn mit dem Wachstum der Weltbevölkerung steigt auch der Wasserverbrauch. Zugleich ist Wasser äußerst ungleich verteilt und in manchen Weltregionen absolute Mangelware.

Nur 2,5 Prozent des weltweiten Wasservorkommens ist Süßwasser. Davon sind 70 Prozent als Eis an den Polen gebunden und damit nicht als Trinkwasser verfügbar. Wer glaubt, dass nachhaltiges Wassermanagement nur ärmere und besonders trockene Regionen der Welt betrifft, irrt. In den entwickelten Ländern gehen beispielsweise rund 20 Prozent des behandelten Wassers durch Leckagen und ähnliche Verschwendungsquellen verloren, in privaten Haushalten ebenso wie in großen Betrieben. Intelligente Wassernetzlösungen, wie sie das CleanTech-Unternehmen für Versorgungsinfrastrukturen Sensus entwickelt, sind daher dringend notwendig. Der Wasserzähler der neuesten Generation von Sensus, der iPERL, ersetzt die konventionelle Wasserzählung durch ein kommunikatives System: Es erfasst kontinuierlich Daten über Verbräuche und Betriebszustände, gibt diese weiter und stellt so exakte und wertvolle Informationen für Versorger und Verbraucher gleichermaßen bereit. 
Es geht ums (Mess-)Prinzip Während seiner angenommenen Lebensdauer von rund 15 Jahren arbeitet iPERL mit remanenter Magnetfeldtechnologie, die in einem konstanten linearen Durchflussbereich misst. Die Messung ist bis auf einen Liter pro Stunde genau möglich. Das stellt sicher, dass ein größerer Wasserverbrauchsanteil beim Verbraucher und damit auch entsprechend kleine Leckagen erfasst werden.

Poröse Keramikstopfen - Optimaler Schutz für die Messelektroden
Bislang wurden zum Schutz der Messelektroden Graphitstopfen verwendet, die in die Kunststoffgehäuse der Wasserzähler eingespritzt wurden. Eine neuere Lösung stellten poröse Keramikstopfen dar, die im Niederdruck-Spritzgießverfahren hergestellt werden. Diese wiesen jedoch Festigkeitsprobleme sowie Geometrie- und Maßschwankungen auf, was die Sicherheit im Folgeprozess verringerte und zu einem inakzeptabel hohen Ausschussanteil führte.
Die Lösung:
Kleine, poröse Keramikstopfen im Hochdruck-Spritzgießverfahren In enger Kooperation mit Sensus und dem Forschungsinstitut für Anorganische Werkstoffe – Glas/Keramik GmbH in HöhrGrenzhausen (FGK) entwickelte die Kläger Spritzguss GmbH & Co. KG ein spezielles, gezielt auf die Anforderungen im täglichen Einsatz eingestelltes Basismaterial zur Spritzgießverarbeitung. Aufbauend auf die vom FGK durchgeführte Werkstoffentwicklung übernahm Kläger hier das komplette materialbasierte Engineering einschließlich, Werkzeug und Maschine. Im Unternehmen werden die porösen Keramikbauteile spritzgegossen, entbindert und nachgeordnet gesintert. Die Keramikmembranen werden dann in eine Gesamtkomponente aus dem Kunststoff „Fortron“ eingelegt und umspritzt. Fortron ist leicht und zäh, kann Metalle sowie andere Thermoplaste ersetzen und ist ideal für Anwendungen, die Dimensionsstabilität, thermische Beständigkeit und Festigkeit über einen breiten Temperaturbereich benötigen. 
Darüber hinaus erfüllt Fortron alle Anforderungen der USamerikanischen Food and Drug Administration (FDA) sowie der Europäischen Union (EU) für den Kontakt mit Lebensmitteln. Der ausgeformte Kunststoffkanal des iPERL Wasserzählers wird kontinuierlich von Leitungswasser durchströmt. Die links und rechts von diesem Kanal angeordneten Elektroden dienen zur Erfassung der fließenden Wassermenge. Um dieses sensible Erfassungssystem vor Verunreinigungen zu schützen, gleichzeitig aber die Signale passieren zu lassen, sind die porösen Keramikstopfen ins Gesamtsystem integriert.

Kernkriterium Porosität
Die wichtigste Anforderung seitens Sensus an das Bauteil zum Schutz der Messelektroden war, eine exakt definierte offene Porosität der Keramik. An der grundsätzlichen Materialentwicklung und der folgenden Überführung in ein spritzfähiges Compound, respektive Serienfähigkeit des Gesamtprozesses arbeitete Kläger von 2011 bis 2014.. Das entscheidende Kriterium der Porosität erreichte das Unternehmen durch die Zusammenstellung und spezielle Verarbeitung eines neuen Compounds. Jens Graf, Leiter Marketing und Vertrieb bei Kläger, erklärt: „Das im Netzwerk entwickelte Compound basiert auf Verbundwerkstoff äußerst grobkörnigen Aluminiumoxid und weiteren Bestandteilen. Das daraus homogen aufbereitete Material zeichnet verantwortlich für die Porosität, also die Ausbildung definierter Hohlräume im Werkstoffsystem, die so wichtig für den spezifischen Einsatzzweck sind“. Während der dreijährigen Entwicklungs- und Umsetzungsphase durchliefen die Keramikstopfen mit dem neuen Compound umfangreiche Beständigkeitsprüfungen. 
Seit 2015 werden die Bauteile nun in Serie hergestellt. „Dieses Projekt ist ein Paradebeispiel für materialbasiertes interdisziplinares Engineering. Dabei ist nicht nur das Know-how entscheidend, sondern auch das Know-why, und zwar während des gesamten Prozesses“, erklärt Jens Graf. Nicht nur das Material musste im Hinblick auf die Anwendung kreiert werden, sondern auch die Werkzeug- und Spritzgusstechnologie entsprechend angepasst funktionieren.

Innerer Aufbau von entscheidender Bedeutung
Zwei Vorgaben waren für die Spezialisten von Kläger bei der Materialentwicklung besonders wichtig: Die Stopfen mussten eine Porengröße zwischen 10 und 20 Mikrometern, eine offene Porosität zwischen 28 und 35 Prozent sowie eine definierte Oberflächenchemie aufweisen, um die Funktionsanforderungen zum von iPERL erfüllen zu können. Beides erreichte Kläger mit seinem neu entwickelten auf den keramischen Spritzguss übertragenen Materialcompound. Jens Graf dazu: „Für unseren Kunden war es wichtig, eine prozessstabile Bauteilgeometrie und Maßhaltigkeit zu erreichen. Dies war mit dem entwickelten Compound absolut gegeben, da die Porosität nicht über einen Sinterabbruch erzielt wurde, sondern über Materialart und zusammensetzung. Mit dem entwickelten Feedstock lassen sich dreidimensionale Geometrien problemlos abformen, wobei die mechanische Belastbarkeit nach dem Sinterprozess vollständig gegeben ist. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Membrandicke von 3,5 Millimetern bei einer Gesamthöhe von 8,6 Millimetern. 
Der Innen und Außendurchmesser des Keramikstopfens beträgt jeweils 3 Millimeter, wobei der Innendurchmesser, in dem die Messsensoren platziert werden, eine Schwankung von lediglich ±0,02 Millimeter aufweisen darf. Um die Bauteile im Folgeprozess zu umspritzen ist eine axiale Druckfestigkeit von 2200 Newton gefordert. Wie alle keramischen Bauteile sind auch diese korrosionsfrei, chemisch rein, temperaturschock-beständig und - was vor allem im Fall der Wasserzähler wichtig war und ist, auch lebensmittelecht. Zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Bauteilqualität setzt Kläger hohe Ansprüche an die interne Qualitätskontrolle und prozess- und bauteilspezifischen Prüfmethoden.

Maßgeschneidert für das neue Material
Die Herausforderung für Kläger bestand aber nicht nur im Material-Engineering. Darüber hinaus galt es, die Werkzeugtechnologie und die Spritzgusskomponenten an das neue Material anzupassen. Im CIM-Prozess verarbeitete Pulver weisen in der Regel eine Korngröße von < 2 Mikrometern auf. Schon dieses Material zeigt sich äußerst abrasiv. Im Fall des Keramikstopfens wurde die Korngröße um ein Vielfaches überschritten, was die Abrasivität und damit die Verarbeitbarkeit an die technischen Grenzen führte. Um die Standfestigkeit der Spritzgießanlagen und Werkzeuge über einen optimalen Zeitraum hinweg zu gewährleisten, werden deshalb alle Komponenten, die nur ansatzweise mit dem Material in Berührung kommen, ausnahmslos mit hochverschleißfesten Materialien ausgeführt. Nur so wird sichergestellt, dass die Keramikbauteile in einem Vierfach-Spritzgießwerkzeug prozessstabil, großserientauglich und wirtschaftlich gefertigt werden können.

Nachhaltiges Wassermanagement
Die intelligente Systemlösungen von Sensus zeigen, dass oftmals auch schon kleine Schritte genügen, um effizient mit der Ressource Wasser umzugehen. Das sehen auch mehr und mehr Wasserversorger so: So setzt der Energie- und Infrastrukturdienstleister ENTEGA AG aus Darmstadt nun auf iPERL von Sensus. Mit den ersten 40.000 installierten Geräten machte sich das Unternehmen systemimmanente Vorteile des HighTech-Produkts wie etwa die manuelle Auslesung von 300 Trinkwasser-Schachtzählern zunutze. Auch die Terminabsprachen mit tausenden Verbrauchern sind dank der Option der Fernauslesung nicht mehr notwendig. „Auf diese Weise können wir zukünftig 6.000 Messgeräte pro Tag anstelle der bisher 200 Wasserzählern auslesen“, bestätigt der bei ENTEGA für das Trinkwasser-Messen Verantwortliche, Martin Grüger.
Ob für poröse Keramikstopfen oder für harte Mahlscheiben in Kaffeevollautomaten, verschleißfeste Düsen für Hochdruckreiniger, Sprühsysteme oder filigrane Bauteile für die Elektrochirurgie – das Spritzgießen von keramischen Werkstoffen bietet eine hohe Formgebungsfreiheit in der Teilegeometrie und schafft damit in vielen Fällen eine bessere Produktperformance, in vielen Fällen reale Kostenvorteile oder ermöglicht erst die Realisierung bislang nicht umsetzbarer Applikationen. 
Anknüpfungspunkte zwischen Keramik- und Kunststoff-Spritzguss finden sich im Verfahren: Grundsätzlich lassen sich Kunststoff- und Keramikmaterialien ähnlich verarbeiten. Die Keramikbauteile müssen nach dem Spritzgießen allerdings zusätzlich entbindert und gesintert werden, um ihre endgültige Form und Festigkeit zu erreichen.

Kläger: Führend im Keramik-Verfahren und im Kunststoff-Spritzguss
Die Kernkompetenz im Haus Kläger ist das Spritzgussverfahren. Kunststofftechnisch seit nahezu 50 Jahren und im Bereich Keramikspritzguss gehören die Dornstetter seit 20 Jahren zu den Pionieren. Das mittelständische Unternehmen verfügt über ein eigenes Engineering sowie eine eigene Werkzeug-fertigung. Kunden greifen so auf fundiertes Wissen und umfassende Kompetenz aus beiden Welten für eine immer individuelle Prozessbegleitung zu. 
Allein im Bereich Kunststoff-Spritzgießen verarbeitet Kläger aktuell über 300 unterschiedliche Materialien in über 2.000 aktiven Artikeln. Ein Schwerpunkt findet sich in den technischen Kunststoffen, für die Kläger eine hohe Material- und Prozesskompetenz, auch bei der Substitution von Metallen durch Kunststoffe, aufweist. Hinzu kommt das Alleinstellungsmerkmal des Unternehmens im Bereich von Verbundbauteilen aus Kunststoffen und Keramik.

Zu Kläger:
Als Full-Service-Dienstleister bietet Kläger seinen Kunden „Lösungen mit Charakter“. Das Unternehmen ist Entwicklungspartner, Systemlieferant und Produzent durchdachter Spritzgusslösungen aus unterschiedlichen Materialien und aus einer Hand. Kläger hat sich neben dem StandardSpritzgießen technischer Kunststoffe und der Herstellung keramischer Bauteile, dem Ceramic Injection Molding (CIM), vor allem auf die Entwicklung von Spritzgieß-Systemlösungen
sowie die Herstellung hybrider Baugruppen aus Kunststoffen und Keramik spezialisiert.
Das Leistungsspektrum umfasst die komplette Verfahrenskompetenz über die gesamte Wertschöpfungskette von der eingehenden Beratung, der Produktentwicklung und den Präzisionsformenbau über die Herstellung von Keramik- und
Kunststoff-Kombi-Produkten im Spritzgießverfahren bis hin zu hybriden Baugruppenlösungen sowie der gesamten logistischen Abwicklung solcher anspruchsvollen Spritzgießprojekte. Hauptaspekt dieser mehrdimensionalen, synergetischen Systemdienstleistung ist dabei die Substitution auf Material- und Verfahrensebene. Klassisch werden mechanisch gefertigte Metallbauteile in Spritzgießlösungen mit höherer Endperformance überführt.
Mehr Wissenswertes finden Sie unter www.klaeger.de oder folgen Sie Kläger auf Facebook.
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2016-03-08
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