UMFORMtechnik (Massiv)

 
 
   

Entwicklung neuartiger Sprühköpfe für Gesenkschmieden

Sprühköpfe kühlen und schmieren Gesenkschmiedepressen. SMS hat ein neues Verfahren entwickelt, diese Köpfe im 3D-Druck beziehungsweise Additive Manufacturing aus Kunststoff oder Metall herzustellen. Sie sollen leicht sein und Luft lassen für den Einbau von Sensoren.

Gesenkschmiedepressen sind auf hohe Taktraten optimiert, aber gleichzeitig auf lange Gesenk-Standzeiten. Damit sie der permanent hohen Belastung standhalten können, hat der Sprühkopf mit seiner Kühl- und Schmieraufgabe eine Schlüsselfunktion. Er sitzt am Ende einer Sprühanlage und wird zwischen den Schmiedeoperationen in die geöffneten Gesenke eingefahren. SMS hat ein Verfahren entwickelt, diese Sprühköpfe im 3D-Druck aus Kunststoff oder Metall herzustellen. Diese Lösung ist nicht nur kostengünstiger für die Anlagenbetreiber, sie ermöglicht eine individuell optimierte Gestaltung der Köpfe. Sie reduziert das Gewicht auf ein Zehntel bisheriger Sprühköpfe und senkt damit den Verschleiß der Tragarme. Darüber hinaus ermöglicht sie die Herstellung individueller Sprühköpfe „on demand“. Das heißt für die Kunden: Verfügbarkeit der Teile auch ohne Ersatzteil-Lager.

Nach jedem Schmiedevorgang öffnet sich die Presse. Die Berührzeiten mit den Gesenken sollten möglichst kurz sein, um die thermische Belastung gering zu halten und schnellen Transport der Schmiedeteile zu ermöglichen. In diesem kleinen Zeitfenster muss die Gesenkpflege stattfinden. Der Sprühkopf muss dann schnell an seine Position gebracht werden. Der Tragarm, an dem sich die Sprühköpfe befinden, wird in den Gesenkraum eingefahren. Er muss so mobilisiert sein, dass die Kühlung schnell erfolgt. Auch darf das Schmiedeteil nicht an Temperatur verlieren. Darüber hinaus müssen die Tragarme robust ausgelegt und gut erreichbar sein, um die Sprühköpfe bei Bedarf wechseln zu können. Dieses System war in der Vergangenheit eine große Herausforderung an den Kühl- und Schmierprozess, was besonders an den herkömmlichen Sprühköpfen lag:
– teils benötigt eine Anlage bis zu vier Sprühköpfe
– Sprühköpfe wurden aus massiven Metallbauteilen gefertigt
– sie sind teuer und bei 2 kg bis 15 kg je Kopf auch schwerer
– Fluide wurden teilweise im rechten Winkel umgeleitet, daraus ergeben sich Ablagerungen in den Kanälen
– bei Fehlfunktion innerhalb der Presse kann das Gesenk beschädigt werden
– sie erfordern eine sehr stabile Auslegung des Tragarms für schnelles Ein- und Ausfahren der Sprühköpfe
– die Verteilung der Medien durch Bohrungen im Sprühkopf ist aufwändig in der Herstellung.

Gesenkschmiedeteile können unterschiedliche Formen haben. Kühlung und Schmierung müssen sich daher an die Form der Gesenke anpassen, die Sprühdüsen die richtige Position haben und die Winkel und Sprühintensität an die Bedürfnisse der Gesenkform angepasst sein. Da sie diesen Formen folgt, sehen auch Sprühköpfe immer unterschiedlich aus. Mit ihrer Komplexität sind sie prädestiniert für additive Fertigungsverfahren.  Ursprünglich war SMS davon ausgegangen, die in einer Gesenkschmiede einzusetzenden Teile in Metall zu drucken. Im Lauf der Entwicklung zusammen mit Kunden und unter Praxisbedingungen zeigte sich, dass Sprühköpfe aus Kunststoff sämtliche Anforderungen erfüllen. Sie belasten die Sprühautomation nur noch ein Zehntel der herkömmlichen Lösungen. Auch der Verschleiß der Gelenkteile im Tragarm wird vermindert. Gewichtsreduzierte Tragarme mit schnellerer Funktion befinden sich bei SMS bereits in der Entwicklung. Sie werden in naher Zukunft angeboten. 

Das Design der neuen Sprühköpfe bietet Flexibilität in der Materialauswahl. Es ist zum Patent angemeldet und stellt derzeit die leichteste Möglichkeit dar, einen Sprühkopf zu gestalten. Ohne Änderung in der Geometrie kann das Teil in Kunststoff, Aluminium oder Edelstahl hergestellt werden, wobei die Metallvariante 70 % leichter als ein herkömmlicher Sprühkopf ist. Die Konstruktion erfolgt mit einer Software, die entsprechend Düsenposition automatisch die optimale Geometrie für den 3D-Druck berechnet.

Vorhandene Anschlüsse können genutzt werden

Die Sprühköpfe wurden inzwischen erfolgreich getestet und eingesetzt. Dabei konnten meist die vorhandenen Anschlüsse genutzt werden. Sprühköpfe aus Polyamid hatten im Dauerbetrieb eine Temperatur von maximal 50 °C und arbeiteten ohne Probleme. Bei einem Test mit Bharat Forge in Ennepetal wurden sogar nur 14 °C gemessen. Dies liegt auch an der ständigen Kühlung durch Pressluft, die zum Entfernen von Zunder benötigt wird, ist aber auch prozessbedingt, da die Sprühköpfe nur schwer mit dem glühenden Teil in Berührung kommen können. Für Bharat Forge wurde der Sprühkopf so ausgelegt, dass eine Schaltung von Wasser und einem Graphit basierten Sprühmittel wechselnd möglich war. Die Düsen selber können per Schaltung verschlossen werden. Das garantiert, dass keine Flüssigkeit entweichen kann, wenn dies nicht gewollt ist. Alle Schaltungen werden mit Druckluft ausgelöst. 

SMS und der Betreiber waren sehr zufrieden mit dem Einsatz des Sprühkopfs. Bharat Forge möchte diese Technik künftig im Hause etablieren. Auf diese Weise könne man Roboter schonen, die sonst bis an ihre Belastungsgrenze gebracht werden. Das Sprühbild ist homogener. Die Gesenke sind sauberer und der Sprühmittelverbrauch ist entsprechend geringer. Das Handling war den konventionell gefertigten Teilen überlegen. Ablagerungen im Inneren, die bei konventionellen Sprühköpfen oft anfallen, konnten nicht festgestellt werden. Der Grund ist die strömungsoptimierte Leitungsführung zu den Düsen. Um den Kunststoff-Sprühköpfen lange Lebensdauer zu verleihen, muss in manche Umgebungen Schutzmaßnahmen in die Steuerung einprogrammiert werden, die aber nur bei Störfällen relevant sind. Wenn Teile in den Gesenken liegen bleiben, kühlt ein Luftvorhang (Schutzluft bei Störung) etwa 60 s die Umgebung, ohne dabei die Gesenke auszukühlen. Im Fall von Klebern (das „Hängenbleiben“ von Schmiedeteilen in Obergesenken) werden die Sprühköpfe schnell aus dem Pressenraum gezogen, um den Kontakt mit den Schmiedeteilen zu verhindern.

Künftige  Entwicklungen

Sprühköpfe sind Teil eines Kühlungs-Gesamtsystems. Entsprechend muss die Technik als Einheit, betrachtet werden, um effiziente Ergebnisse zu erzielen. Die weitere Entwicklung bei SMS berücksichtigt übergeordnete, ineinander greifende Faktoren. Hier die Verfahren zur Einbringung der Sprühköpfe:
Roboter (Automation): Ein Roboter trägt ein oder mehrere Sprühköpfe an seinem Arm. In einigen Fällen transportiert derselbe Roboter auch die Teile.
Linearführung (Automation): Ein Ausleger fährt linear in den Pressenraum und auch wieder zurück. Diese Führungen stehen oft neben der Presse und können auch leicht nachgerüstet werden.
Hebelführung (Steuerung): Ein Gelenkarm wird durch den Stößel zwangsgeführt in und aus dem Pressenraum bewegt. Diese Bedienungen sind sehr schnell und extremen Belastungen an den Gelenken ausgesetzt.

Die Automation kann die leichten Sprühköpfe positionieren. Dies geschieht über Linearbewegung. Alle Sprühköpfe werden künftig über eine standardisierte Anschlussplatte an das Kühlsystem angeschlossen. Der Wechsel erfolgt schnell und einfach. Die Sprühtechnik beinhaltet Tank, Ventile und die Zuführung aller Medien. Mit ihr werden die Schaltungen realisiert und dabei die einzelnen Düsen in kurzen Zeitabständen geschaltet. Damit lässt sich auch Kehrbewegung erzeugen, indem die Sprühdüsen in kurzen Abständen hintereinander geschaltet werden. Schnell schaltende Ventile gewährleisten, dass die Steuerungssignale zur Ventilschaltung umgesetzt werden. Die Sensorik gibt Rückmeldung zum Zustand im Pressenraum und kann zur Steuerungsoptimierung eingesetzt werden. Ziel ist, die Gesenke optimal zu kühlen und Sprühmittel zu sparen. Die visuelle Steuerung passt sich dem Produkt an und optimiert Sprühbild und -situation in Sekundenbruchteilen während des Betriebs. Dabei besteht Wahlfreiheit zwischen einem Sprühkopf aus Kunststoff oder Metall. Der Kunststoffkopf benötigt ideal eine Schutzschaltung für Störfälle, die bereits als Standard im SMS-System eingeplant ist. 

Der Anwender ist der Experte

Der Kunde kennt seine Schmiedeteile und Prozesse am besten. Daher gibt er in der Regel die Ventilpositionen vor. SMS hat dank der additiven Fertigung alle Freiheiten, jede Position zu realisieren – auch durch das Anstellen der Düsen im Winkel. Hierzu können FEM-Simulationen herangezogen werden, die den Temperaturverlauf im Gesenk zeigen und als Basis für die Ausgestaltung der Sprühköpfe dienen. 

Zudem ist die Herstellung mit additiver Technologie und im neuen Design energieeffizient, da nur so viel Material eingesetzt wird wie nötig. Künftig werden auch stromleitende Elemente und Sensoren eingedruckt, die das elektrische Schalten der Ventile und Zustandsmeldungen der Systeme ermöglichen. Mit solchen Mehrwerten und Optimierungen wird das 3D-Sprühsystem fit für Industrie 4.0. Thermosensoren bietet die Möglichkeit, ein genaues Bild der Teile im Prozess zu dokumentieren. So kann ein nachvollziehbares Bild der Produktion aufgezeigt werden. Prinzipiell kann damit auch in Echtzeit auf veränderte Situationen reagiert werden.

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