PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2022

Pumpen und Systeme

Pumpen und Systeme Membrandosierpumpen Herstellungskosten um 40 % senken: Pumpenkonstruktion am Beispiel der ecosmart-Aggregate LCC und LCD Produktentwicklung unter Verwendung modernster Projektmanagement-, Konstruktions- und Simulations-Methoden Thomas Bökenbrink In vielen Bereichen der chemischen sowie der Öl- und Gas-Industrie werden Pumpen benötigt, die zuverlässig arbeiten, eine hohe Leistung erbringen, aber gleichzeitig auch niedrige Anschaffungskosten aufwei sen. Die bewährte hydraulisch angelenkte ecosmart-Membrandosierpumpe der LEWA GmbH beispielsweise wurde eigens für diese Anforderungen konzipiert. Sie ist für Betriebsdrücke bis 80 bar und Förderströme bis 300 l/h geeignet und bereits seit mehreren Jahren in vielen Industrien und unterschiedlichsten Anwendungen im Einsatz. Um zukünftig auch höhere Fördermengen abzudecken, wird sie aktuell um zwei leistungsstärkere Varianten, LCC und LCD, ergänzt. Für deren Entwicklung erarbeitete die R&D-Abteilung ein konstruktives Konzept, das auf einer eingehenden Evaluation des Modells LCA, der Verwendung der bewährten Membrantechnologie sowie der Maßgabe günstiger Anschaffungskosten basiert. Letzteres ließ sich durch die Nutzung bereits kostenoptimierter Serienteile aus bestehenden Baukästen, die Vereinfachung von Komponenten und die Reduzierung der Teileanzahl pro Pumpe realisieren. Zudem wurden nicht nur klassische Simulationsverfahren wie Festigkeitsuntersuchungen nach der FEM-Methode und rechnerische Richtlinie genutzt. Erstmals setzte das Unternehmen auch das unter anderem in der Automobilindustrie zur Simulation von Fluidbewegungen verwendete Festigkeitsnachweise nach der FKM- Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Verfahren, kurz SPH, ein. Ergebnis der Entwicklungstätigkeit war ein neuer Baukasten bestehend aus drei Triebwerksleistungsklassen und den zugehörigen Membran-Pumpenköpfen. Dieser steht den höherpreisigen hydraulischen Kolben-Membranpumpen der ecoflow-Baureihe in puncto Zuverlässigkeit, Robustheit und Bedienerfreundlichkeit in nichts nach. Dennoch konnte hinsichtlich Herstellungskosten im Vergleich eine 40-prozentige Reduktion erzielt werden. Abb. 1: Um zukünftig auch höhere Fördermengen abzudecken, wird die LCA aktuell um zwei leistungsstärkere Varianten, LCC und LCD, ergänzt. (alle Photo s : LEWA GmbH) Abb. 2: Es wurde auf die Verwendung der bewährten Membrantechnologie mit federunterstütztem Saughub gesetzt, welche beim Kernbauteil Membran eine hohe Betriebssicherheit und Dauerfestigkeit sicherstellt. Zahlreiche Prozesse in verschiedensten Branchen wie etwa der chemischen Industrie benötigen zwar zuverlässige Aggregate, gleichzeitig erlauben relativ niedrige Förderdrücke im unteren zweistelligen Bereich eine weniger komplexe, kostengünstigere Pumpentechnik. Daher haben Pumpenhersteller in der Regel auch Aggregate im Portfolio, die diese reduzierten Ansprüche abdecken. Beispielsweise bietet das Leonberger Unternehmen neben der bewährten, hochflexiblen, hydraulischen Membrandosierpumpen-Reihe seit einigen Jahren auch eine günstigere Membrandosierpumpe an. Mit dem Modell LCA war bisher jedoch nur eine Fördermenge von bis zu 300 l/h in der Ausführung als Einfach-Pumpe bei Betriebsdrücken bis maximal 80 bar möglich. Um mit dieser Baureihe 42 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2022

Pumpen und Systeme Membrandosierpumpen auch höhere Fördervolumen abdecken zu können, entwickelten die Ingenieure des Pumpenherstellers ab 2019 zwei weitere, größere Pumpenvarianten. Ziel war es, die Membran dosierpumpe mit dem bewährten Sicherheitsniveau und den qualitativ hochwertigen eigenen Komponenten auf eine höhere Leistung hin zu skalieren, ohne dabei die für diese Pumpenreihe typischen, niedrigen Anschaffungskosten signifikant zu erhöhen. Dies sollte vor allem durch ein konsequentes Baukastenprinzip innerhalb der Pumpenserie sowie einen strikten Fokus auf die wesentlichen Funktionen und Eigenschaften erreicht werden. Kostenreduktion bei gleichbleibender Betriebssicherheit und Dauerfestigkeit Für das Entwicklungsprojekt erarbeiteten die Ingenieure ein konstruktives Konzept, das auf der Analyse und Evaluation des Vorgängerproduktes LCA aufbaut. Es sieht unter anderem die Verwendung der bewährten Membrantechnologie mit federunterstütztem Saughub vor, welche die sehr hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer des Kernbauteils Membran ermöglicht und damit wesentlich zur großen Robustheit und Zuverlässigkeit der Membrandosierpumpen beiträgt. Zudem sollten für die Realisierung einer angestrebten Kostenreduktion im Vergleich zur ecoflow-Baureihe Bauteile und Baugruppen weitgehend vereinfacht werden. Unter anderem wurde das Abdichtungskonzept der Kolben von Kolbenringen auf eine Spaltdichtung umgestellt und das Herstellungsverfahren der Membranpumpenkörper angepasst. Deren Herstellung erfolgt künftig nicht mehr aus 316L-Vollmaterial, sondern im Feingussverfahren, wodurch sich die Herstellungskosten dieses Bauteils um mehr als 50 Prozent reduzieren ließen. Hinzu kommt ein integriertes Druckbegren- Abb. 3: Eine Schlüsselrolle in der technischen Konzeption kommt auch dem zentralen und völlig neu konstruierten Membranantriebsgehäuse zu, in dem nun alle Hydraulikfunktionen integriert sind. Abb. 4: Die Membranpumpenkörper werden künftig nicht mehr aus 316L- Vollmaterial hergestellt, sondern im Feingussverfahren gefertigt, wodurch die Herstellungskosten dieses Bauteils um mehr als 50 Prozent reduziert werden konnten. gen – auch unter Logis tik- und Prozessgesichtspunkten – ist die Reduktion der Teilezahl ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil des kons truktiven Konzepts für die neuen Pumpen“, erklärt der Team Leader Research & Development Mechanics des Pumpenunternehmens. So wurde etwa für Getriebe- und Hydraulikfunktionen ein gemeinsames Öl verwendet und der Kolben direkt an das Pleuel des Kurbeltriebs angebunden. Der Verzicht auf eine für diese Pumpen typische Abb. 5: Hinzu kommt ein integriertes Druckbegrenzungsventil, das sich aus deutlich weniger Einzelkomponenten zusammensetzt (im Bild: oben Druckbegrenzungsventil von ecoflow, unten von ecosmart). zungsventil, das sich aus deutlich weniger Einzelkomponenten zusammensetzt. „Da weniger Komponenten weniger Kosten erzeu- Kolbenstange wurde durch eine geschickte Neuanordnung der kraftübertragenden Komponenten ermöglicht. Eine Schlüsselrolle in der technischen Konzeption kommt auch dem zentralen und völlig neu konstruierten Membranantriebsgehäuse zu, in dem nun alle Hydraulikfunktionen integriert sind. Darüber hinaus wurde auf vorhandene Serienteile bestehender Baukästen zurückgegriffen, die vom Preis-Leistungsverhältnis her einer Neukonstruktion in Kleinserie deutlich überlegen waren. Hier wirken sich die Effekte durch vergrößerte Stückzahlen positiv aus. Dies gilt für verschiedene Komponenten wie Schneckengetriebe, Lager, Hubverstellung und Pleuel sowie für Produktventile und Kundenanschlussadapter. Gleichzeitig fiel die Entscheidung, spezielle Kundenwünsche – beispielsweise hinsichtlich des Einsatzes von Sonderwerkstoffen wie Hastelloy oder spezialisierter Ausführungen für die Pharma- und Nahrungsmittelindustrie – grundsätzlich auf den flexibleren ecoflow-Baukasten zu transferieren. Herausforderung durch gemeinsames Ölbad In der Praxis wurde die Entwicklungsarbeit von FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) und Risikobeurteilungen nach MRL und ATEX begleitet. Die Konstruktion erfolgte mit Hilfe eines modernen 3D-CAD-Systems und wurde durch den Einsatz kinematischer Kollisionsanalysen abgesichert. „Darüber hinaus führen wir in der Produktentwicklung Festigkeitsberechnungen nach der klassischen Finite-Elemente- Methode (FEM) sowie rechnerische Festigkeitsnachweise nach der FKM-Richtlinie (Rechnerischer Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen) durch“, erklärt ein RD Engineer, Research & Development Mechanics beim Anbieter. „FEM wird bekanntermaßen dafür genutzt, um Verformungen von Bauteilen unter bestimmten Lastrandbedingungen wie Montagekräften, Transportkräften und -beschleunigungen PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2022 43