Dicke Luft und Türe zu!
Oft finden sich in Schweißereien durch Vorhänge abgetrennte Bereiche mit Entrauchungskonzepten, die nicht ganz so funktionieren, wie man es sich wünscht (siehe Abbildung 1). Der Qualm beim Schweißen macht sich auch an Stellen breit, an denen er laut Arbeitsschutzgesetz nichts zu suchen hat.
Klare Luft sieht meistens anders aus.
Wenn Roboter sich ans Schweißen machen, ist der Qualm noch etwas mehr und dichter, darum werden sie in sogenannte Schweißkabinen verbannt, wo sie ihr schmutziges Handwerk erledigen.
Hinter verschlossenen Türen funktionieren die Entrauchungskonzepte für das Schweißen noch ganz leidlich. Was geschieht aber, wenn die Türen geöffnet werden? Kann Qualm entweichen oder wie verhindert man, dass sich die Umgebung ungewollt in einen undurchsichtigen und stinkenden Morast verwandelt, bei dem der Arbeitsschutz mit Füßen getreten wird? Spätestens beim Wechsel des Werkstücks stellt sich die Frage, ob Qualm nach außen in die Halle entweichen kann oder nicht.
In den Abbildung 2 und 3 ist ein Worstcase-Szenario für Schweißen bei jeweils geöffnetem Tor der Kabine für zwei unterschiedliche Entrauchungskonzepte dargestellt.
Während bei der ersten Kammer beim Schweißen Qualm bei geöffneter Tür ungestört nach außen entweicht, ist im 2. Fall die Konzentration des Qualms außerhalb der Kabine nahezu 0. Das Entrauchungskonzept funktioniert hier, ohne dass die Strömungsgeschwindigkeit gemäß dem CFD-Modell am Werkstück zu hoch ist.
Fragen wir die Kunden von Merkle CAE Solutions nach erlaubten Werten für die Konzentration der Rauchgase außerhalb der Kammer, sind diese Daten oft nicht bekannt. Auf jeden Fall sind sie sehr niedrig. Über die Rauchentwicklung beim Schweißvorgang finden sich dagegen zuverlässige Angaben (siehe Anhang).
Einfach den Volumenstrom der Entlüftung zu erhöhen ist leider nur bedingt möglich, da die Luftgeschwindigkeit um die Schweißzange begrenzt ist. Der Grund hierfür ist das Schutzgas, welches bei zu hohen Umgebungsgeschwindigkeiten von der Schweißstelle abgezogen werden würde. Das Schutzgas hat die Aufgabe, das Schmelzbad sowie den Lichtbogen vor Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff in der Luft zu schützen. Somit können unerwünschte Poren auf dem Werkstück vermieden werden, da eine Reaktion mit der Luft in Form von Korrosionen oder Verbrennungen ausbleibt.
Auch Werkstücke und Roboter beeinflussen die Strömungsgeschwindigkeiten. Da Kabinen fürs Schweißen oft speziell für Großserienteile designt werden, übernehmen wir bei Merkle CAE Solutions alle relevanten Geometrien in unsere CFD-Modelle. Ebenso lassen sich Bewegungen des Roboters berücksichtigen, sollte dies erforderlich sein.
Der Luftzufuhr durch Spalte und Schlitze am Boden wird Rechnung ebenfalls getragen.
So ist es möglich, auch bei komplexen Bauteilen und Schweißnähten funktionierende Kabinen zu konzipieren, beziehungsweise im Bedarfsfall Schwachstellen schnell zu erkennen und zu optimieren, bevor es zum Einsatz in der Serienfertigung kommt.
Leider steckt der Einsatz moderner Verfahren zur Lösung dieser Aufgaben mit Hilfe der CFD-Strömungssimulation noch in den Kinderschuhen.
Entrauchungsanlagen oder Kabinen werden gebaut und mit der Hand am Arm optimiert, wenn etwas nicht so funktioniert, wie es der Kunde wünscht. Insbesondere bei offenen Schweißerei-Bereichen funktioniert die Entrauchung aber schlichtweg sehr schlecht. Sie könnten bei Merkle CAE Solutions mit einem geringen Bruchteil der Investitionskosten von einem unserer erfahrenen Strömungsmechaniker via CFD-Simulation so optimiert werden, dass sie auch einwandfrei funktionieren.
Dabei amortisieren sich unsere Dienstleistungen in der CFD-Simulation bereits dadurch, dass die lufttechnischen Anlagen oft eine Dimension kleiner ausgelegt werden könnten, wenn die Grundlagen der Strömungsmechanik berücksichtigt werden. Dies sollte sowohl im Interesse der Betreiber, als auch der Hersteller solcher Anlagen liegen. Auch überdimensionierte Lüftungsanlagen kosten Geld bei Investition und Unterhalt.
Langsam findet hier ein Umdenken in der Branche statt, insbesondere auch bei den OEMs, die mit den negativen Eigenschaften schlecht funktionierender Entrauchungskonzepte leben müssen und vom Lieferanten nun den Nachweis im Vorfeld fordern. Leider sind auch bei den OEMs die Erfahrung noch nicht so ausgereift, um sinnvolle und erfüllbare Lastenhefte zu schreiben.
Bei Merkle CAE Solutions unterstützen wir Lieferanten und Betreiber bereits im Vorfeld bei den Entrauchungskonzepten, bewerten und optimieren entsprechende Anlagen mit Hilfe von CFD-Strömungssimulationen, besorgen uns die für die Simulation notwendigen Angaben und tragen Sorge dafür, dass die Randbedingungen und Auslegungsszenarien vom OEM passen und auch erfüllt werden können.
Je früher wir in die Gespräche einbezogen werden, um so effizienter können wir Sie mit unserem theoretischen und praktischen Know-how in der Umsetzung unterstützen.
Ihr Stefan Merkle
PS: Auch bei Brandversuchen in Brandhallen oder Prüfkammern, z. B. bei Batterie- oder Fahrzeugbränden, kann Merkle CAE Solutions Sie mit einzigartigem Know-how mit analytische Vordimensionierungen, Untersuchung von kritischen Szenarien anhand von CFD-Modellen, bis hin zur Dimensionierung der Anlagen unterstützen.
Quellenangaben: https://www.bghm.de/arbeitsschuetzer/fach-themen/gefahrstoffe-und-biologische-arbeitsstoffe/absaugung
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