Intelligente Handschuhe, flinke Schrauber, robuste Oberflächen

Klein, aber oho – Verschraubungen spielen für die zuverlässige Funktion von Aggregaten in der Mobilhydraulik und stationären Anwendungen eine wichtige Rolle. Bei Fluid-Verbindungssystemen hat sich in Sachen Korrosionsbeständigkeit viel getan. Das ist auch notwendig: Laut Berechnungen der weltweiten Korrosionsbehörde NACE International belaufen sich die Folgekosten der Korrosion weltweit auf circa 2,5 Billionen Dollar.

Längere Lebensdauer durch robuste Oberflächen

Wie entsteht eigentlich Korrosion? Dr. Philipp Wagener, Leiter des Europäischen Metal Innovation Center von Parker Hannifin in Bielefeld: „Viele Metalle neigen dazu, Elektronen an Sauerstoff in der Luft (und andere Stoffe) oder im Wasser zu verlieren.“ Werde der Sauerstoff reduziert, bilde er mit dem Metall ein Oxid und es käme letztendlich zur Korrosion, so der Chemiker. Die galvanische Verzinkung ist bei modernen Verschraubungssystemen Standard und bildet in Verbindung mit dem Stahlkörper eine schützende ‚Opferschicht‘, die der Korrosion des Basismateriales Paroli bietet. Doch je härter die Umgebungsbedingungen – aggressive Medien, Salze, hohe Luftfeuchte – desto schneller ‚opfert‘ sich das Zink, um den Stahlkörper zu schützen.

Als Ergebnis ist zunächst eine Weißkorrosion zu sehen. Ist die Zinkschicht aufgebraucht und das Grundmetall zu sehen, tritt Rotrost auf. Sehr schnell könne, so Dr. Wagener, dieser Prozess auf benachbarte, sehr teure Komponenten eines Aggregates übergreifen.

Testen, testen, testen bringt ...

Vor diesem Hintergrund haben Verschraubungshersteller noch widerstandsfähigere Beschichtungslösungen entwickelt. Als branchenweit anerkannte, neutrale Bewertungsmethoden gelten Salzsprühnebeltests (SST) nach der Norm ASTM B117 oder ISO 9227: Eine Na­triumchloridlösung wird in einer Prüfkammer versprüht und die dort befindlichen Prüflinge regelmäßig auf deren Korrosionsbeständigkeit kontrolliert. Eine präzisere Aussagekraft hat das Verfahren der zyklischen Korrosionsprüfung nach ISO 16701, SAE J2334 oder erstausrüsterspezifischen Tests. Hier wird der Salzsprühnebel mit wechselnden Abständen von Feuchtigkeit, trockener Hitze und Temperaturschwankungen kombiniert. Bei einigen Tests werden Kalziumchlorid und Schwefelsäure als korrosive Substanzen eingesetzt, um der Realität auf dem Feld so nahe wie möglich zu kommen und die Aussagekraft der Tests zu erhöhen.

… deutlich verbesserten Korrosionsschutz

Vor diesem Hintergrund bietet die Parker High Pressure Connectors Group Europe (HPCE) mit ‚Tough Shield Plus‘ (TSP) jetzt ein Beschichtungssystem, das bis zu 3.000 Stunden Widerstand gegen Rotrost im Salzsprühnebeltest zeigt. Im Detail ist der Verschraubungskörper aus Stahl zunächst von einer Zink-Nickel Legierung ummantelt. Darauf folgt bei Parker Hannifin eine Passivierungsschicht ohne sechswertigen Chrom (sechswertiger Chrom gilt als krebserregend!) und der abschließenden, innovativen Deckschicht. Innovativ deshalb, weil die neue Oberfläche neben dem hohen Korrosionsschutz so gestaltet ist, dass Montageverfahren und -leistung unbeeinflusst bleiben. Bei früheren Zink-Nickel-Verbindungen hatte der hohe Reibungskoeffizient einen negativen Einfluss auf die Montageeigenschaften. Die neue Oberfläche ist laut Parker ‚rückwärtskompatibel‘. Bedeutet: ‚TSP‘-Komponenten sind zusammen mit bestehenden, verzinkten Bauteilen verbaubar.

Wie sehr sich Zink-Nickel im Markt durchgesetzt hat, zeigt das Beispiel Gates: Über die den Stahlkörper umgebende Zink-Nickelschicht folgt hier eine Schicht aus einer Cr3-Passivierung und eine abschließende Schutzschicht. Die Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühtest nach ISO 9227 liegt ebenfalls bei 3.000 Stunden gegen Rotrost. Für Gates ist das eine Verdreifachung der Beständigkeit, nachdem bei der Vorläuferversion bei gleichen Testbedingungen 1.200 Stunden gegen Rotrost erzielt wurden.

Verschraubungen der Serie ‚Stauff Connect‘ haben ebenfalls eine Zink-Nickel-Oberfläche. Mit einem großen Unterschied: Das Gleitmittel (Sealer), das normalerweise vor der Montage in einem separaten Arbeitsschritt auf die Verschraubung aufgetragen werden muss, ist Teil der Beschichtung selbst. So entfällt ein Montageschritt. Bei Rohrverschraubungen unterscheiden sich die Montagewege zwischen geschmierten und ungeschmierten Verbindungselementen. Die Drehwinkel können bei gleicher Kraft um bis zu 40 Prozent abweichen. Der Monteur muss daher mit unterschiedlichen Drehmomenten und Anzugswinkeln arbeiten. Ist das Schmiermittel wie bei ‚Stauff Connect‘ bereits enthalten, bleiben die Drehmomente über alle Montagevorgänge gleich. Letztendlich wird durch dieses Konzept laut Hersteller mehr Sicherheit bei der Montage erreicht und Arbeitszeit sowie -kosten reduziert.

Schlanke Designs erleichtern das Arbeiten

Auf den Trend zu kompakteren Anlagen und Maschinen gibt die Voss Fluid mit dem ‚VossPlug‘-Stecksystem eine Antwort. ‚VossPlug‘ sei speziell für begrenzte Bauräume entwickelt worden, erklärt Dr. Johannes Wagner, Bereichsleiter Engineering, Products and Services bei Voss. Es sei für Anwendungen unter 400 bar geeignet. ‚VossPlug‘ ist ein patentiertes Stecksystem für Hochdruckanwendungen. Die Installation sei einfach und dauere im Vergleich zu geschraubten Verbindungen nur wenige Sekunden, erklärt Dr. Wagner und kommt schnell auf das Thema Platzersparnis zu sprechen. Gerade bei geringem Bauraum, der eine Drehmomentmontage mittels Schraubenschlüssel nur erschwere, käme ‚VossPlug‘ ohne zusätzliches Montagewerkzeug aus und könne einfach manuell gesteckt werden. Dadurch wird das Verdrehen der Schlauchleitung vermieden und der ideale, spannungsfreie Verlauf der Schlauchleitung gesichert. So werde gerade bei wechselnden Druckbelastungen die Lebenszeit von Schlauchleitungen verlängert.

Alle Bauteile des Stecksystems ‚VossPlug‘ sitzen wartungsfreundlich unverlierbar auf dem Stecker. Das System besteht aus zwei Keilschiebern, einem Halte- und einem Dichtungselement. Zwischen dem Stutzen und dem Keilschieber liegen ein Sondersprengring als Halteelement sowie ein O- und ein Stützring als Dichtungspaket. Aufgrund der patentierten Keilschieber-Verriegelung erreicht ‚VossPlug‘ die Stecksicherheit auch bei einer hohen Druckbelastbarkeit bis 400 bar: Durch das aktive, von außen gut sichtbare Verriegeln nimmt der Sondersprengring automatisch seine Halteposition ein und ist in dieser Position vollständig (360 °) gekammert. Absolute Sicherheit besteht auch beim Lösen des Systems, so Dr. Wagner weiter. Es sei ausgeschlossen, ‚VossPlug‘ versehentlich zu entriegeln, wenn die Leitung unter Druck steht. Erst wenn der Stecker circa drei Millimeter entgegen der Druckrichtung bewegt werde, könne der Haltering seine Öffnungsposition einnehmen und das Stecksystem gelöst werden. Ein einfacher Schraubendreher reiche zum Entriegeln aus.

Sicherheit steht an erster Stelle

Ein sicherer, zuverlässiger Montageprozess steht auch bei Danfoss Power Solutions im Fokus. Im Bereich der Schneidringverbindungssysteme habe Danfoss kürzlich sein neues ‚WalringPlus‘- Schneidringsystem mit zusätzlichen Weichdichtungen auf den Markt gebracht, sagt Christian Kuenstel, Director Global Product Management. Die integrierte Block­anschlag-Montagefunktion ermögliche eine sichere, zuverlässige Montage und würde einen hohen Schutz gegen häufige Fehler wie der Übermontage bieten, sagt der Produktspezialist. In Kombination mit der ‚Waltech- M-R7‘-Schneidringmontagemaschine, die per Funktion eine korrekte Montage bestätigen könne, werde eine hohe Zuverlässigkeit für den Bediener erreicht. Auch bei der Rohrumformtechnologie arbeite Danfoss für seine neue Rohrumformmaschine ‚WalformConnect‘ an ähnlichen Sicherheitsfunktionen. So solle die Maschine eine fehlerhafte oder unzureichende Umformung des Rohrs aufgrund falschen Materials oder eines Bedienfehlers erkennen und den Bediener entsprechend informieren können.

Für die Zukunft gerüstet

Wasserstoffanwendungen werden immer mehr zum Thema. Dafür scheinen die Anbieter von Verschraubungssystemen gerüstet. So wurden bei Voss Fluid bewährte Stahlprodukte wie der ‚VossRingM‘ und die DKO-Verbindungen von anerkannten Prüflaboren mit der ‚h2ready‘-Zertifizierung ausgezeichnet, weil sie bezüglich Dichtheit, Sicherheit und Langzeitstabilität für den Einsatz mit Wasserstoff- und Erdgasgemischen hohe Standards erfüllen. Diese Stahlprodukte seien sogar um den Faktor 4-10 günstiger als Alternativen aus Edelstahl, erklärt Dr. Johannes Wagner von Voss Fluid.

Im Bereich Wasserstoff- und Erdgasmobilität setzt das Unternehmen weiterhin auf das Edelstahlsystem ‚VossLok40‘. Dieses Rohrumformsystem bietet – gerade bei Wasserstoffanwendungen wichtig – eine Feinstdichtheit bis 700 bar und ist für Hoch- und Niederdruckbereiche einsetzbar. Über eine spezielle Umformtechnik wird am Rohr­ende eine präzise Dicht- und Haltekontur angeformt, die laut Voss Fluid maximale Leckagesicherheit selbst unter extremen Bedingungen bieten soll. Die aufeinander abgestimmten Komponenten des Verschraubungssystems ermög­lichen eine optimale Abdichtung ohne Leckagepfade. Zusätzlich sei, so Dr. Wagner, ‚VossLok40‘ sehr montagefreundlich und stelle eine wirtschaftliche Alternative zu Klemmringverschraubungen dar. Einen Härtest bestanden die ‚VossLok40‘-Leitungen bei der Rallye Dakar 2024: Ein mit Wasserstoff betriebenes Fahrzeug schaffte es dank ihrer Robustheit trotz extremster Bedingungen sicher ins Ziel.

Auch bei Swagelok stehen bei Wasserstoff die Signale auf Grün. Die Verschraubungen der ‚Serie-FK‘ für mittleren Druck sind vibrationsfest und bieten laut Hersteller eine leckdichte Gasdichtung für Anwendungen bis zu 1.378 bar (20.000 psig) – ideal für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen, in denen sichere Hochdruckverbindungen von entscheidender Bedeutung sind. Die ‚Serie-FK‘ für mittleren Druck erfüllt die neuesten Standards für Wasserstoffanwendungen bis zu 700 bar (10 150 psig). Sie verfügen über eine vormontierte Kartusche für eine einfache und genaue Installation. Das einfache, zweiteilige Design mit farbcodierten Aderendhülsen gewährleistet laut Hersteller die korrekte Ausrichtung und Installation mit Standardwerkzeugen. Der kaltverfestigte Körper aus Edelstahl 316 ist zudem eine leichte, platzsparende Lösung. Die Verschraubungen der ‚Serie-FK‘ sind auch in Versionen erhältlich, die der Norm NACE MR0175/ISO 15156 entsprechen.

Ein Handschuh, der mitdenkt

Ende 2023 präsentierte Voss den KI-gestützten Sensor-Handschuh ‚ClickID‘ erstmals der Öffentlichkeit. Damit sollen manuelle Montageprozesse fluidischer Steckverbindungen durch Echtzeit-Feedback und intelligente Datenverarbeitung verbessert und die Produktionsqualität optimiert werden, heißt es von Voss. Gedacht ist das ‚ClickID‘-System für allgemeine Montageprozesse in industrieller Serienfertigung mit einer charakteristischen Bewegung und Geräuschentwicklung wie dem Einrasten von Halteklipsen. Das Anwendungsspektrum bewegt sich zwischen elektrischen und fluidischen Steckverbindungen und funktioniere herstellerunabhängig.

Zur Funktion: Am ‚ClickID‘-Wearable sind mehrere Audio- und Bewegungssensoren angebracht, die kontinuierlich überwacht werden. Aus den Sensordaten berechnet der Handschuh dann bestimmte Kenngrößen – sogenannte Features – die der KI als Eingangsgrößen dienen. Anhand dieser Größen wird bestimmt, ob in den eingelesenen Sensordaten ein relevanter ‚Click‘ enthalten ist. Wichtig ist dabei, dass das KI-Modell zuvor mit vielen ‚positiven‘ Ereignissen, also Daten von korrekten ‚Clicks‘ und vielen ‚negativ‘ Ereignissen (zum Beispiel Störgeräusche) trainiert worden ist. Erkennt das System einen Click, erhält der Anwender eine optische und haptische Rückmeldung. Bemerkt ‚ClickID‘, dass nicht die gewünschte Anzahl an Clicks erreicht wurde, bekommt der Anwender ebenfalls eine Rückmeldung. Laut Voss sollen sich durch den Einsatz von ‚ClickID‘ bis zu 99 % aller Fehlerfälle detektieren und so die Montagequalität verbessern lassen.

Künstliche Intelligenz und der gesunde Menschenverstand

Das ‚ClickID‘-System ist ein gutes Beispiel für die Kombination von KI und Stecksystemen. Denn ‚ClickID‘ erkennt und validiert korrekte Steckprozesse in Echtzeit. Sofort nach Ausführen des manuellen Montagevorgangs werde eine haptische und visuelle Rückmeldung an den Anwender gemeldet. Dadurch würden Montagefehler unmittelbar korrigiert, erklärt Dr. Wagner. Er meint, dass der Einsatz von KI die Mitarbeiter in vielen Bereichen entlaste und die Arbeitseffizienz optimiere. Gleichwohl solle der Mensch in Sachen KI weiterhin aufmerksam bleiben. Denn nicht jede Antwort, die eine KI-App ausgebe, sei unbedingt korrekt. Hier sei der gesunde Menschenverstand Gold wert.

Eine vergleichbare Innovation ist der neue Funk-Akkuschrauber ‚Nexo‘ von Bosch Rexroth. Dieser Montagehelfer bietet laut Hersteller dem Anwender maximale Freiheit und Prozesssicherheit. ‚Nexo ermöglicht präzise, wiederholgenaue Schraubprozesse und erfüllt alle Anforderungen an sicherheitskritische Verschraubungen nach VDI/VDE 2862‘, sagt Franziska Zachmann, Leiterin Produktmanagement Schraubtechnik bei Bosch Rexroth. Anwender könnten zwischen einem handgeführten Mittelgriff- oder Winkelschrauber wählen. Der ‚Nexo‘ sei ein intuitives, ergonomisch verbessertes und benutzerfreundliches Werkzeug.

Dank des browserbasierten Betriebssystems und der im Werkzeug integrierten Steuerung ermöglicht er ein flexibles Arbeiten in jeder Produktionsumgebung. Parametrierung und Inbetriebnahme werden vereinfacht. Ein integrierter, kamerabasierter Scanner unterstützt QR- und Data-Matrix-Codes. Ein Einsatzbereich des ‚Nexo‘ Akkuschraubers ist der E-Fahrzeugbau. Die Batteriepacks für Elektro- und Hybridfahrzeuge müssen unter Strom verschraubt werden. Das gilt auch für Reparaturen an den Packs. Ein Kurzschluss bei über 400 Volt kann tödlich sein. Bei handgeführten Schraubwerkzeugen mit Netzkabelanschluss besteht die Gefahr, dass elektrische Spannung über leitende Metallteile von der Mutter zum Schrauber und von dort aus weiter an die Steuerung übertragen wird.

Das ist mit einem großen Risiko für den Bediener verbunden, der den Handschrauber benutzt. Die Komplettlösung von Bosch Rexroth kombiniert einen vollständig isolierten ‚Nexo‘-Funk-Akkuschrauber mit einer speziell für die Batteriemontage konzipierten Schutzisolierung, mit der das Werkzeug optional ausgestattet werden kann. So wird nicht nur ein versehentliches Aufsetzen des Schraubers auf spannungsführende Teile der Batterie, sondern auch eine Spannungsübertragung an den Schrauber verhindert. Der neue ‚Nexo‘ wurde erfolgreich bis 1.000 Volt getestet.

Für Franziska Zachmann, Leiterin Produktmanagement für Schraubtechnik bei Bosch Rexroth, steht fest, dass KI-Technologien viele Vorteile in der Montage- und Schraubtechnik bieten. Besonders in sicherheitskritischen Bereichen wie der Automobil-, Luftfahrt- und Wasserstofftechnologie. Im Rahmen einer Predictive-Maintenance-Strategie könnten KI-gestützte Schraubsysteme künftig frühzeitig Verschleiß oder Abweichungen in Drehmoment und Drehwinkel erkennen. Sensordaten und Machine-Learning-Algorithmen ermöglichen präzise Wartungsempfehlungen und tragen so zur Vermeidung ungeplanter Maschinenstillstände bei. Franziska Zachmann ist sich sicher, dass es in Zukunft selbstlernende Schraubstrategien geben werde, bei denen sich das Schraubsystem durch adaptive Algorithmen automatisch an Materialveränderungen und unterschiedliche Bauteiltoleranzen anpasst. Auch die Qualitätssicherung könne durch eine KI-gestützte Analyse verbessert werden, beispielsweise über eine Echtzeit-Überwachung von Schraubvorgängen mittels Computer Vision und Deep Learning.