Oder: Mangelhafte Konstruktion als Teil des Problems unserer Wegwerfgesellschaft am Beispiel eines Korkenziehers.
Vor ein paar Tagen wollte ich mit meiner Verlobten zur Feier meines ersten zugesagten Auftrages abends eine Flasche Wein öffnen:
"Weiß oder Rot?" - "Rot."
"Merlot?" - "Ajo."
Dekanter bereitstellen, Korkenzieher aus der Küche holen, in den Korken eindrehen, Hebel herunterdrücken - und dann ein lautes Knacken...
Schon wieder der Korken in der Flasche gebrochen? Nö, der steckt noch vollständig in der Flasche...
Die Ursache ist schnell gefunden: Beim Herausziehen des Korkens ist der Korkenzieher gebrochen!
"Sch... Plastikteil!" entweicht mir als erste Reaktion gefolgt von einer schwungvollen Geste die den Lebensabend des Korkenziehers im Abfall besiegelt. Ich nehme mir vor, beim nächsten Einkauf einen neuen, höherwertigen aus Metall zu besorgen. Bin ja selbst schuld - wer billig kauft, kauft bekanntlich zweimal.
Aber Stopp - war das nicht ein 'guter' von Fackelmann? Immerhin ein namhafter Hersteller, der für Qualität steht.
Nun will ich es genau wissen. Gekonnt ignoriere ich die ungeduldigen Blicke meiner Verlobten, während ich die Teile des kaputten Korkenziehers aus dem Müll fische, um die Ursache des Bruchs zu untersuchen.
Warum? Ganz einfach:
Weil auch ich der Umwelt zuliebe versuche, so wenig Kunststoff wie möglich zu benutzen.
Weil ich aber an dieser Stelle eine Lanze für den verpönten Werkstoff brechen muss.
Denn Kunststoff an sich ist klasse: Flexibel, chemisch beständig und kostengünstig formbar. Darüber hinaus verfügt er über eine geringe Dichte, gute Wärmeisolierung und ist in der Herstellung energetisch günstiger als beispielsweise Metall. Es ist kein Geheimnis, dass die Herausforderung in der Entsorgung liegt.
Und genau da lauert ein meiner Meinung nach unterschätztes Problem:
Viele sogenannte Wegwerfartikel sind dies nicht aufgrund des vermeintlich minderwertigen Materials, sondern wegen mangelhafter Konstruktion!
Besagter Korkenzieher weist geradezu exemplarische konstruktionsbedingte Mängel auf, wie die nun folgende - zugegebenermaßen etwas verkopfte - Bauteilanalyse zeigt.
Auftritt: Bauteilanalyse
Die Funktion eines Korkenziehers ist denkbar einfach: Beim Eindrehen der Spirale in den Korken heben sich automatisch die Hebelarme nach oben. Drückt man diese wieder nach unten, stützt sich dabei der Korkenziehergrundkörper auf der Flaschenöffnung ab und der Korken kommt aus der Flasche. Eine super einfache Technik, die dauerbelastbar in den Griff zu kriegen sein sollte.
Der Konstruktionsfehlerteufel steckt wie so oft im Detail.
Die höchste Belastung erfährt der Korkenzieher zu Beginn der Anwendung, wenn der Korken noch mit voller Länge im Flaschenhals steckt und sich in der Haftreibung, nicht Gleitreibung, befindet. (siehe Abb. 3)
Schaut man sich in dieser Position die Berührpunkte des Getriebes an, ergibt sich die Kraftrichtung F auf die Achse (blau eingezeichnet). Idealerweise sollte die Kraft entlang der Spiralachse nach unten zeigen, um den Korken mit möglichst wenig Krauftaufwand herauszuziehen und die Reibung in der Achse zu reduzieren. Durch vorhandenes Spiel zwischen der Achse und dem Loch im Hebel setzt das Getriebe allerdings weit außen an den Rundungen der Zähne an und es kommt zu einer großen Querkraftkomponente.
Diese Achse gibt die Kraft an den Kunststoff-Grundkörper weiter. (siehe Abb. 4)
Ihr könnt hier sehr schön sehen, dass das Kunststoffteil fast genau entlang der zu erwartenden höchsten Spannungslinie versagt hat.
Eine Versteifung (Abb. 5 - grün) an dieser Lasche ist ohne großen Materialmehraufwand möglich. Die seitlichen Schieber im Gusswerkzeug werden hierdurch nicht beeinflusst. Allgemein hat das Bauteil keine ausreichend großen Rundungen, was zu hohen Spannungen durch Kerbwirkung führt. Mithilfe der unteren Versteifung würden die Kräfte direkter auf die Abstützung zum Flaschenansatz verlaufen und mithilfe der oberen Abstützung die Zugkräfte im Kunststoff oberhalb der Achse besser zum Kunststoffhauptkörper geleitet.
Der findige Leser mag zu Recht einwenden, dass das Bauteil mit möglichst wenig Materialeinsatz auskommen sollte, um den Preis so günstig wie möglich zu gestalten. Allerdings gibt es an diesem Bauteil genügend andere Stellen, um diesen Materialmehraufwand zu kompensieren. Die Einsparung darf nur nicht an dieser am höchsten beanspruchten Stelle erfolgen. Zudem ist es sinnvoll, den Durchmesser an der Lasche zu erhöhen, um einen größeren Querschnitt (siehe Abb. 6 - Ao) zu erzielen und die hier anliegende Zugspannung zu reduzieren.
Sieht man sich nun die Bruchstelle Ao genauer an, ist zu erkennen, dass der obere Teil wie die gesamte Fläche Au hellgrau verfärbt ist. Die Verfärbung von schwarz zu hellgrau geschieht bei einem Dehnbruch von ordnungsgemäß vernetztem Kunststoff (auch Weißbruch genannt). Die unteren ca. 30% der Fläche Ao sind jedoch weiterhin schwarz gefärbt. Dies deutet auf eine Fließnaht hin, welche ausgerechnet an dieser am höchsten belasteten Stelle des Bauteils zusammentrifft und die Kraft übertragende Querschnittsfläche noch weiter reduziert.
Schauen wir uns zu dieser Theorie die Einspritzpunkte an, welche beim Herstellungsprozess den noch flüssigen, heißen Kunststoff in das Gusswerkzeug leiten. Die einzigen Einspritzpunkte, die ich finden konnte, befinden sich innerhalb der zwei Abstützstege (Abb. 7: gelbe Pfeile).
Stellt euch den Weg des einschießenden Kunststoffs vor (hellgrüne Linie): Dieser wird den Steg nach oben und dann um das Loch der Lasche herum fließen. Hier treffen sich die beiden Kunststoffströme und verbinden sich bei ausreichend Temperatur und Druck zu einer homogenen, gut vernetzten Kunststoffmasse. Problematisch wird es, wenn der Kunststoff auf dem Weg durch das Gusswerkzeug zu sehr abkühlt, da das Werkzeug nicht ausreichend vorgeheizt oder die Fließwege durch das Werkzeug zu lang wurden. Wo zwei Kunststoffströme aufeinandertreffen, kann eine sogenannte Fließnaht mit nicht ausreichender Vernetzung entstehen. Der Kunststoff ist an dieser Stelle nicht in der Lage, Zug- oder Scherkräfte zu übertragen.
Es gibt durch die vorliegende Einspritzstrategie 8 mögliche Fließnahtstellen (siehe Abb. 8). Allerdings sind die Fließnähte 1,2,3 und 4 durch den großen Querschnitt und die geringe Belastung an dieser Stelle unkritisch. Kritisch dagegen sind die möglichen Fließnähte an den sehr kleinen Laschen (5, 6, 7, 8). Um die Gefahr einer Fließnaht hier zu reduzieren, sollten die Einspritzpunkte (Abb. 7 gelbe Pfeile) weiter nach oben in die Nähe der Laschen gesetzt werden, damit der Kunststoff auf dem Weg durch den dünnen Steg im Gusswerkzeug nicht so weit herunterkühlt. Auch die in Abb. 5 vorgeschlagene untere Abstützung würde das Einfließen in den Steg begünstigen sowie die Fließnaht weiter nach links in einen spannungsunkritischeren Bereich verschieben.
Schlussfolgerung
In diesem Beispiel des Korkenziehers ist das Versagen eindeutig nicht dem Kunststoff zuzuschreiben, sondern einer Kombination verschiedener Konstruktionsfehler.
Zu klein gewählte Querschnitte an den Laschen
Ungünstige Spannungsverteilung durch fehlende Rundungen (Kerbwirkung)
Fehlende Abstützung der Laschen
kritische Fließnähte, welche durch ungünstig positionierte Einspritzpunkte begünstigt werden
Werfen wir zum Abschluss einen Blick auf die Produktpalette von Fackelmann.
Nach meiner schlechten Erfahrung mit der günstigsten Version verspricht mir der viermal so teure Korkenzieher desselben Herstellers mit seinem Grundkörper aus Metall lebenslange Haltbarkeit.
Doch die geometrische Gestaltung der Laschen des festeren Metallteils macht mich stutzig:
Der Durchmesser der Laschen ist deutlich größer als bei seinem billigeren Bruder! Dadurch ergibt sich ein größerer Querschnitt und bessere Kraftverteilung durch ausreichende Rundungen.
Wieso also werden zwei Produkte desselben Herstellers so unterschiedlich gut konstruiert?
Der Verdacht liegt nahe, dass unausgereifte Konstruktionen billigend in Kauf genommen werden, um bei Versagen des Billigprodukts im Nachhinein die teurere Variante zu verkaufen.
Kunststoff gerät durch solche (gewollten oder ungewollten) Konstruktionsfehler zu unrecht in Verruf. Bei allen Nachteilen in der Entsorgung ist Kunststoff in der Herstellung energetisch günstiger als Metallteile und damit umweltschonender. In diesem Fall ist es ohne großen Aufwand möglich, das Kunststoffbauteil ausreichend stabil und dauerbelastbar zu gestalten.
Es ist legitim, zugunsten eines preisgünstigen Produkts am Material zu sparen - nicht jedoch an der Konstruktion!
Die Umweltbelastung durch solche billig konstruierten Wegwerfprodukte ist so enorm wie unnötig.
Was ist eure Meinung zu dem Thema?
Wenn ihr weitere Beispiele für Alltagsprodukte mit offensichtlichen Konstruktionsfehlern habt oder über neue Beiträge meines Blogs informiert werden wollt, schreibt mir gerne eine Nachricht an kreating.info@gmail.com.
Ich freue mich auf eure Rückmeldung!
Euer
Johannes Hornbach