New Innovative Casting Process and its first Application in the Efficient Manufacturing of High-Performance Aluminum Components
Ausgangspunkt
Das Gießen von Zylinderköpfen ist ein Geschäft, das in der letzten Dekade bereits eine erhebliche Marktsättigung anbieterseitig erreicht hat (ähnliches haben wir Alumi niumgießer bereits in den 90er Jahren bei dem ebenso anspruchsvollen Aluminiumgussrad erfahren), so dass diese schon zu sehr deutlichen Ausleseprozessen in der Branche führt. Gleichzeitig wird durch das Downsizing der Motoren die spezifische Leistungsdichte derart gesteigert, dass immer größere Herausforderungen an diese Bauteile gestellt werden (siehe Abbn. 1 bis 3). Zusätzlich nimmt aufgrund wertanalytischer Betrachtungen der OEMs auch der Integrationsgrad dieser Komponenten stetig weiter zu (siehe Abb. 4). Vor allem in der Verbindung mit den Plattformstrategien der OEMs, steigen weltweit die nachgefragten Stückzahlen der einzelnen Derivate signifikant an, so dass sich in Folge, über die Scale-Effekte bei den Marktführern, weltweit ein erheblicher Rationalisierungsdruck einstellt. Obendrein verlangt die Globalisierung des Automobilgeschäftes nach immer mehr „local content“. In diesem Zusammenhang ist es eine ganz wesentliche Voraussetzung, den eigentlichen Gießprozess für diese ebenso komplexen wie werkstofflich und dimensionell äußerst anspruchsvollen Konstruktionselemente des Motorenleichtbaus so robust wie möglich zu gestalten, so dass ein „taking global“ der Fertigung überhaupt über ein „roll-out“ standardisierter Prozesse realisierbar ist.
In diesem Kontext haben wir als Koopera tionspartner unter qualitätsrelevanten, wie auch unter produktivitätsrelevanten Gesichtspunkten den Prozess des Kokillengießens in all seinen Elementen absolut ergebnisoffen infrage gestellt, mit der Zielsetzung, diesen sehr grundlegend effektiver zu gestalten. Im vorliegenden Artikel soll aufgezeigt werden, wie die Prozessstabilität über die Qualität und die Produktivität fertigungstechnisch ein untrennbares Ganzes bildet, das aus einer neuen Perspektive betrachtet, auch nach Jahrhunderten der Tradition noch immer überraschende Reserven für weitere Verbesserungen bietet (siehe [1]).
Weglassen – Vereinfachen – Integrieren – Automatisieren, das ist die, durch die Lean-Produktion-Sichtweise getriebene Vorgehensweise bei der kontinuierlichen Verbesserung von Fertigungsprozessen. Wir gehen in unseren Überlegungen jedoch den entscheidenden Schritt weiter und stellten ganz zu Anfang die Bedürfnisse des eigentlichen Gießprozesses kompromisslos in den Vordergrund, mit dem Ziel, die Robustheit des Gießverfahrens soweit zu steigern, dass man die oben genannte Aufgabenstellung aus einer völlig ungewohnten Ausgangs lage heraus angehen kann, um dann zu überraschenden Lösungsansätzen mit in ihrer Größenordnung völlig unterschätzten Potentialen zu gelangen. Nicht nur fertigungstechnisch kann durch geschicktes Weglassen von Arbeitsschritten die Produktivität gesteigert werden, auch kann ein derartiger Ansatz, zum Beispiel bei der Formfüllung, zu sehr deutlichen Verbesserungen bei der Qualität führen. Uns AluminiumGießern ist es sehr bewusst, dass unter jeglichem Umfüllen die Qualität des flüssigen Werks offs deutlich leidet, dennoch muten wir dem Metall gerade an dieser Stelle des Fertigungsprozesses Erhebliches zu.
Im Aluminium-Kokillen-Guss dominieren heute grundsätzlich zwei Lösungsansätze hinsichtlich der Gießverfahren, das Schwerkraft-Kokillen-Gießverfahren sowie das Niederdruck-Kokillen-Gießverfahren. Da es in beiden Verfahren neben den sehr offensichtlichen Vorteilen auch Nachteile zu geben scheint, entwickelten sich dynamische Gießverfahren, die häufig erst durch moderne Anlagentechnik prozesssicher machbar wurden.
Ein neues Dynamisches Gießverfahren mit beachtlichem Rationalisierungspotential und beispielhafter Prozessstabilität
Der im vorliegenden Artikel vorgestellte Lösungsweg basiert auf dem seit langer Zeit bewährten Ansatz des Kippgießverfahrens mit einem fest mit der Kokille verbundenem Bassin. Nur dass im vorliegenden Fall das Bassin von der Kokille gelöst und von einem Roboter sehr turbulenzarm aus einem Schöpfofen befüllt wird. Sobald dann dieses Bassin mit der Kokille wieder verbunden und vom Roboter abgedockt ist, beginnt die geregelte Rotationsbewegung zur kontrolliert gesteuerten Füllung der Formkavität (siehe Abb. 5). Der Rotationswinkel sowie die Rotationsgeschwindigkeit kann dabei frei gewählt werden. Nach erfolgter Formfüllung entfernt der Roboter das Bassin wieder von der Kokille und fährt in eine Warte position über dem Schöpfofen für den nachfolgenden Gießzyklus. Damit ist die Kokille für die Bauteilentnahme, Reinigung und Kernbestückung vollkommen frei zugänglich (siehe Abb. 6).
Ein neues fertigungstechnisches Gesamtkonzept mit weiteren Rationalisierungspotentialen und einer kundengießerfreundlichen Flexibilität
Vor dem Hintergrund der sehr kurzen Formfüllungs- und Erstarrungszeiten sind die einzelnen Gießmaschinen auf einem 3-Stationen-Karussell angeordnet und 2 Karussells zu einer TwinCarousel-Anlage zusammengefasst, um Entnahme-, Kerneinlege- und Gießequipment optimal zu nutzen und die nachgelagerte Entkern- und Sägezelle voll auszulasten (siehe Abb. 7). Die Anordnung von 3 Gießmaschinen auf einem Karussell erlaubt der Kundengießerei maximale Flexibilität hinsichtlich deren Nutzung bei sehr offensichtlichen Vorteilen hinsichtlich der Bedienung, der Zuführung von Kernen und von flüssigem Metall sowie der Abführung von Gussteilen. Eine derartige Anlage wurde von der oben genannten Kooperation bereits für eine türkische Kundengießerei realisiert und ein hochkomplexer Zylinderkopf neusten Designs für einen deutschen OEM als ein erstes Produkt in diesem neu entwickelten, dynamischen Gießverfahren in äußerst kurzer Projektzeit validiert. Der vorliegende Artikel beschäftigt sich ebenso mit den theoretischen wie mit den industrierelevanten Ansatzpunkten, die bei der mehrere Jahre dauernden Entwicklung dieser fertigungs- und verfahrenstechnischen Novität den Leitgedanken bildeten, deren Ziel es war, sowohl bei der Produktivität in der Fertigung wie auch bei der Qualität der Produkte gleichermaßen einen neuen, globalen Industriestandard setzen zu wollen.
Verfahrenstechnische Aspekte
Angusssysteme sind per Definition Hilfssysteme, die auch bei bestem Design stets nur einen Kompromiss bezüglich einer kontrolliert geregelten, turbulenzarmen Füllung der Kavität darstellen können. Insbesondere in der Startphase ist das System äußerst instabil bezüglich Turbulenzen und Verwirbelungen. Hierbei hat die Schwerkraft einen Einfluss auf das Gesamtsystem, der vom Gießer in der Praxis bis heute nur sehr eingeschränkt beherrscht wird. Daher wurde sehr früh mit einfachem Kippgießen begonnen, um insbesondere die Kinetik des Gießstarts zu lindern. Diesem Lösungsansatz zuzurechnen ist aus unserer Sicht ebenso das Schrägstellen von Gießformen, was schon seit alters her bevorzugt bei ebenen, großflächigen Teilen zur Anwendung kam, und dies über nahezu alle Gießverfahren hinweg.
Von diesem Unterfangen grundsätzlich unberührt bleibt, dass bei einem für die geregelte, turbulenzarme Formfüllung zu bevorzugenden Bodenanguss, die Temperaturschichtung im Gussstück am Ende genau das Gegenteil von dem repräsentiert, was für eine optimale Speisung anzustreben wäre. Analog hierzu stellt sich ebenso eine, zu dem was für eine optimale Speisung des Bauteils von Vorteil wäre, genau entgegengesetzte Temperaturverteilung im Gießwerkzeug ein. Damit stehen die Voraussetzungen für eine zum Speiser hin gerichtete Erstarrung sprichwörtlich auf dem Kopf. Daran ändern auch die dynamischen Gießverfahren wenig, die konventionelle Einguss-Systeme zur Formfüllung wählen und bei denen häufig der Roboter mit dem Gießlöffel sehr aufwändig der Kippbewegung der Kokille folgt. Ist es meistens schon ein sehr schwieriges Unterfangen, in statischen Prozessen ein optimales Niveau des Gießmetalls im Gießtümpel für verschiedene Kokillen desselben Bauteils sicherzustellen, so wird diese Aufgabenstellung simultan zu einer otierenden Kokillenbewegung nahezu unlösbar. Und dies ist nicht eine Frage der heute technisch möglichen Kybernetik. Sehr häufig dienen dann Filter im Gießlauf der teilweisen Kompensation der begleitenden Symptome. Der vom Autor bereits in früheren Jahren für Kernpakete gewählte Ansatz, ein Bauteil über einen, unter dem eigentlichen Gussstück liegenden Speiser und ein strö mungstechnisch optimiertes Gießsystem in Schwerkraft direkt aus einer Gießrinne im Kontaktgießen zu füllen und unmittelbar nach der Formfüllung die gesamte Form sehr rasch in die Erstarrungsposition zu drehen, löste zwar das Problem der umgekehrten Temperaturschichtung sehr elegant, ließ allerdings die Problematik des eigentlichen Formfüllvorgangs weitestgehend unangetastet (siehe [2]).
Das Füllen der Kavität mittels einer seitlich angedockten elektromagnetischen Pumpe kam der Lösung dieser Aufgabe zumindest in einer rein theoretischen Betrachtungsweise sehr nahe, konnte sich anhand des großen apparativen Aufwands für die industrielle Anwendung jedoch nicht nachhaltig durchsetzen. Das klassische Kippgießen, mit einem sehr flachen, fest angedocktem Gießbassin, löst unter diesen Gesichtspunkten aus unserer Sicht diese Aufgabenstellung noch am besten, wenngleich das Umgießen des Metalls in dieses Bassin in der Regel Oxidbildung und Gasaufnahme fördern und die Geometrie des Bassins einen rapiden Temperaturverlust in der Schmelze bereits vor dem Gießstart in sich birgt.
Das Niederdruckgießverfahren, welches sicherlich eine lehrbuchhafte Formfüllung gewährleistet, bringt leider als Verfahrensspezifikum die Besonderheit mit, dass auch hier die Temperaturschichtung im Bauteil und im Werkzeug auf dem Kopf stehen und dieser Umstand sogar noch sehr nachhaltig durch eine Konvektion gefördert wird, die daher rührt, dass das heiße, von unten aus dem Steigrohr strömende Metall sich sehr intensiv mit dem kälteren Metall, oben im Bauteil an der Erstarrungsfront, austauscht. Sehr lange, die Produktivität sehr negativ beeinflussende Erstarrungszeiten sind die Folge. Mittels aufwändiger Kühltechnik wird versucht, trotz widriger Rahmenbedingungen eine gerichtete Erstarrung zu realisieren. Für rein rotationssymetrische Bauteile überwiegen dennoch die Vorteile, so dass bei diesen sich das Verfahren etablieren konnte.
Es galt nun, aus einer Vielfalt der angebotenen Lösungen jene zu finden und weiter zu entwickeln, welche aus qualitäts- wie aus produktivitätsrelevanter Sicht optimale Ansätze zeigt, um einen einfachen Prozess zu definieren, der mit den Möglichkeiten moderner Werkzeug- und Anlagentechnik dem Gießer eine robuste Lösung bietet, die sowohl auf der Qualitäts- wie auf der Produktivitätsseite eine signifikante Verbesserung gegenüber den heute bevorzugt eingesetzten Verfahrensvarianten ermöglicht. Von unserer Seite wurden hierzu insbesondere zwei grundsätzliche Elemente vorausgesetzt: Das Gießbassin muss einerseits fest mit dem Werkzeug verbunden sein und andererseits direkt, durch Schöpfen aus dem Gießofen, befüllt werden. Das heißt im Umkehrschluss, dass dieses Gießbassin mittels Roboter vom Werkzeug abgedockt werden muss, um dann sanft schöpfend aus dem Gießofen oxidarm befüllt zu werden. Dass hierdurch auch die Kokille noch vollkommen frei und ungehindert zugänglich wird, kann als positiver fertigungstechnischer Nebeneffekt unseres Lösungsansatzes gewertet werden.
Im Hinblick auf die Bassingeometrie gingen wir davon aus, dass diese am Übergang zum Speiser dessen Kontur an der bei Giessstart unten liegenden Seite auf voller Breite folgt. Gleichzeitig sahen wir es als grundlegend an, dass die Geometrie am Interface zum Speiser nicht von Schotten oder ähnlichem nach oben begrenz wird, um das freie Fließen des Metalls nicht zu behindern. Im Allgemeinen sind diese Schotte bei anderen Lösungsansätzen dem Versuch geschuldet, Oxide und Schaum an der Badoberfläche zurückzuhalten, die sich beim Befüllen des Bassins bildeten. Durch die schlitzförmige, während des Schöpfvorgangs senkrecht im Metallbad stehende Füllöffnung, wird beim vorliegenden Bassindesign sichergestellt, dass nur sauberes und oxidfreies Metall in das Gefäß fließen. Die eigentliche Füllung der Kavität erfolgt dann unter der jungen, noch elastischen Oxidhaut, die sich nach der Füllung des Bassins neu auf dessen Oberfläche bildet und während des gesamten Gießvorgangs weitestgehend unbeschädigt bleibt. So gesehen erzichtet diese Art des Gießens in Gänze auf jegliches „Einguss-System“. Der Startwinkel für dieses neue dynamische Kippgießverfahren sollte so gewählt werden, dass die bei Gießstart unten liegende Bauteilfläche sich überwiegend in der Horizontalen befindet. Wir betrachten derzeit bei Zylinderköpfen einen Startwinkel von 90° als verfahrenstechnisches Optimum; dieser sollte allerdings 120° nicht übersteigen. Das Gießende kann dabei frei gewählt werden und bei einem Winkel von 0° ± ca. 30° je nach Bauteilgeometrie liegen.
Das Andocken am Werkzeug ist maschinenbaulich derart ausgeführt, dass die Dichtfläche zwischen dem Gießbassin und dem, den Speiser beinhaltenden Deckkern, gleichförmig und nur mit mäßiger Kraft belastet wird. Damit ist diese Verbindung dicht, ohne den Deckkern zu verformen oder gar zu zerstören. Nach dem Gießen fällt die Oxidhaut von der Oberfläche des Bassins auf den Speiser. Die Dichtfläche ist nach dem Abdocken von Metall unbenetzt und muss deshalb auch nicht bei jedem Takt gesäubert werden. Der Andockvorgang dauert 3,5 Sekunden und ist damit deutlich kürzer, als es das Befüllen eines Bassins zu diesem Zeitpunkt wäre. Für den gesamten Ablauf wurden von der maschinenbaulichen Seite sehr ausgereifte Lösungen zum Ansatz gebracht, so dass wegen der Verwendung von Standardelementen der gesamte Ablauf vom Schöpfen des Metalls bis zum Wiederabdocken des Gießbassins heute bereits als absolut serientauglich einzustufen ist (siehe auch Abb. 6).
Die Drehachse wurde von uns bewusst hinter dem entferntesten Punkt des Gussstücks, auf der dem Bassin gegenüberliegenden Seite und auf dessen Mittelachse gewählt, wodurch eine fallende Formfüllung vermieden und eine überwiegend steigende, kontrollierte Formfüllung bewirkt werden soll. Die pro Drehinkrement vom Bassin gelieferte Metallmenge muss dabei stets größer sein, als die vom Gussstück aufgenommene (siehe Abb. 8). Damit ergibt sich am Übergang vom Bassin zum Speiser eine bei Minderbedarf ansteigende Metallhöhe, welche, wie bereits erwähnt, nicht von Schotten begrenzt werden sollte. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, kommt es an diesem Übergang theoretisch zu einer negativen Metallhöhe und damit zu einer turbulenten Kaskadenbildung.
Diese Bedingung ist ein weiteres Designkriterium für das Gießbassin, welches damit bauteilspezifisch wird. Alles andere wird durch die variabel gestaltbare Rota tionsgeschwindigkeit an produktspezifischen Füllparametern geregelt. Durch diese Vorgehensweise kommt es zu einer sehr turbulenzarmen Verlagerung der Schmelze vom Bassin in die Kavität und die Formkontur einschließlich der die Innenhohlräume bildenden Kerne tauchen de facto sehr behutsam in das aufsteigende Metallbad ein. Das Metall, welches geschichtet gegen die Brennraumfläche fließt, verbleibt dort bis zum Erstarrungsende, ohne sich wegen störender Strömungen an dieser Stelle gegen wärmeres auszutauschen. Dabei bleibt die natürliche Temperaturschichtung des Metalls erhalten, bei der sich das wärmere Metall stets dem kälteren überlagert.
Dieser an sich äußerst strömungsarme Vorgang erlaubt Rotationsgeschwindigkeiten, die in der erprobten Praxis wesentlich höher liegen, als von uns vorab veranschlagt und in den Simulationen vorherbestimmt. Die durch das sehr schnelle Füllen ermöglichte, sehr kalte Form, bewirkt sehr kurze Erstarrungszeiten (siehe Abb. 5).
Neben den sehr offensichtlichen Vorteilen dieser Verfahrensauslegung und der damit verbundenen Entfeinerung bezüglich der Produktivität, bietet dieser Ansatz dem Endkunden alle werkstofflichen Vorteile, die mit einer behutsamen, turbulenzfreien Formfüllung und einer schnellen Erstarrung einhergehen (siehe Abbn. 1 bis 3 sowie Tabelle 1/ Diagramm 1).
Die Ausbildung eines Luftspaltes scheint insbesondere auf der Brennraumfläche weitgehend unterdrückt zu sein, weshalb selbst bei organischen Bindern die Kondensatbildung im Bereich der Wassermantelfüße zu einer nachrangigen Problemstellung wird.
Das Ende der Formfüllung vollzieht sich im vorliegenden verfahrenstechnischen Ansatz, ohne dass die kinetische Energie des in Bewegung befindlichen Metalls als Stauschlag auch nur den geringsten Impuls auslösen würde. Damit bleiben die Gussteile weitestgehend gratfrei und die durch Sandkerne gebildeten Oberflächen zeigen eine überraschend glatte und gleichmäßige Struktur (siehe Abb. 1). Geschlichtete Kokillenflächen werden ebenso wie die Kerne nicht auch nur ansatzweise penetriert (siehe Abb. 2). Die beispielhaft gute Oberflächenqualität ist auch mit der Entscheidung geschuldet, erst in der zweiten Posi tion des Karussells zu gießen, weshalb auch erst nach weiteren 56 Sekunden getaktet werden muss, nachdem sich bereits eine belastbare Randschale auch in den von Kernen geformten Oberflächen ausgebildet hat. Bedingt durch die sehr rasche Formfüllung und die dadurch ermöglichten sehr niederen Werkzeugtemperaturen, vor allem an den Brennräumen, werden DAS von weniger als 18 Mikron in der Wandung zwischen Brennraum und Wassermantel absolut prozessstabil gemessen (siehe Abb. 3).
Fertigungstechnische Aspekte
Bereits in der Einleitung gingen wir auf die wechselseitigen Abhängigkeiten von Prozessstabilität und Produktivität ein. Wir sehen stabile Prozesse als die wesentliche Voraussetzung für eine Produktivität auf GlobalBenchmark-Niveau. Aber auch im Gegenzug ist es aus unserer Sicht sehr offensichtlich, dass stabile Prozesse zuverlässige Fertigungseinrichtungen (Anlagen, Werkzeuge und Vorrichtungen) voraussetzen, um letztendlich die von ihnen gebotenen Potentiale tatsächlich auch voll nutzen zu können. Mit andauernden Unterbrechungen wegen allfälliger Maschinen- und Werkzeugstörungen bringt man selbst den stabilsten Prozess permanent in einem kaum zu beherrschenden Ausmaße aus der Balance.
Aus unserer Sicht lassen sich die im Schwerkraft-Kokillenguss eingesetzten Fertigungskonzepte wie folgt klassifizieren. Das am wenigsten komplexe System ist die Einzelmaschine, die aber auch im Umkehrschluss die geringsten Rationalisierungspotentiale in sich trägt. Bei den Mehrmaschinenkonzepten kann man einerseits die sogenannte Shuttleanlage finden, das heißt die Gießmaschinen und Werkzeuge verfahren linear zu den Gieß- und Bedieneinrichtungen; andererseits kann man dieser Gruppe die sogenannte Linearanlage zuordnen, bei welcher die Gieß- und Bedieneinrichtungen zu den fest stationierten Gießmaschinen und Werkzeugen verfahren (siehe Abb. 9). Und da der Phantasie des Ingenieurs selten Grenzen gesetzt werden, gibt es auch Mischformen, bei welchen sowohl die Gießmaschinen und Werkzeuge, wie auch die Gieß- und Bediengeräte in ständiger Bewegung sind. Gemäß unserer Überzeugung, dass zur optimalen Nutzung einer Anlage das Bedienpersonal das Gesamtsystem vollumfänglich verstehen sollte, sehen wir bei der letztgenannten Kombination die geringeren Chancen, zu einer beispielhaften Anlagenverfügbarkeit und -Nutzung zu gelangen.
Bezüglich der Anzahl der Stationen sind heute Anlagen im Einsatz, bei denen zwischen 2 und 12 Gießpositionen genutzt werden, welche zum Teil auch mit Doppelwerkzeugen belegt sein können. Wie wir im weiteren Text zu belegen versuchen, stellt sich jedoch rein mathematisch bei der Anzahl der Stationen ein Optimum ein, bei welchem sich für die eigentliche Prozesszeit ein Äquivalent bei den Bedienzeiten ergibt. Nach unserer Auffassung repräsentierte das Tridem®, ein Shuttle mit 3 Kokillen, über lange Jahre hinweg da fertigungstechnische Optimum bei Zylinderköpfen. Das Tridem® war durch einen evolutionären Entwicklungsprozess in den frühen 90er-Jahren aus dem Tandem®, einem Shuttle mit 2 Kokillen, hervorgegangen, nachdem die prozesstechnische Entwicklung die einzelnen Verfügbarkeiten der Werkzeuge und der Anlage soweit stabilisiert hatte, dass das Gesamtausbringen auf diese Weise überhaupt gesteigert werden konnte. Nachdem die Komplexität der Zylinderköpfe begann, zunehmend Vierschieberwerkzeuge vorauszusetzten, w rde das Tridem® aus dem Markt gedrängt und überwiegend durch Linearanlagen ersetzt.
Grundsätzlich gilt es festzuhalten, dass bei den Shuttleanlagen sich die Verfügbarkeit des Gesamtsystems aus dem Produkt der Einzelverfügbarkeiten ( 1.) ergibt. Die Linearanlage ist diesbezüglich besser gestellt, denn bei dieser ergibt sich die Gesamtverfügbarkeit aus dem Mittelwert der Einzelverfügbarkeiten (2.), da jede einzelne Station unabhängig von den anderen stillgelegt werden kann. Diese Option besteht bei den Shuttleanlagen so einfach nicht. Alleine schon aus dieser Tatsache ergibt sich ein gewisser Vorteil bei den Linearanlagen, welcher nicht selten dazu missbraucht wird, sich weniger konsequent mit der Stabilität der Prozesse auseinandersetzen zu müssen.
Vielleicht ist deren Dominanz sogar diesem Zugeständnis geschuldet. Vergleicht man nun Linearanlagen und Shuttleanlagen mit 3 Stationen, so kann folgende Formel zum besseren Verständnis der Situation beitragen:
OEE 1.1 x OEE 1.2 x OEE 1.3 > OEE 2.1 + OEE2.2 + OEE2.3
3
Entscheidet man sich dazu, die Prozessstabilität soweit steigern zu wollen, dass das Resultat für die Gesamtanlageneffizienz einer neuen Shuttleanlage (1.) größer ist, als das einer existenten Linearanlage (2.), dann genießt man weitere gravierende Vorteile in Form von zusätzlichen Produktivitätsgewinnen, die damit zusammenhängen, dass bei der Shuttleanlage die Kokille zum Bedienplatz kommt und nicht umgekehrt, wie bei der Linearanlage, wo sich der Maschinenbediener sowie die Gieß- und Bediengeräte zur Kokille bewegen müssen. Erst durch diesen Schritt, so versuchen wir mit diesem Artikel ebenfalls zu beweisen, gelingen ganz entscheidende Verbesserungen in der Produktivität des Bedien- und Logistikpersonals sowie bei den peripheren Geräten und damit auch beim eingesetzten Kapital. Beobachtet man bei einer Linearanlage nur die Verfahrwege der Gießroboter, Entnahmeroboter und Kerneinlegeroboter, dann erkennt man sehr schnell, mit welchem Aufwand man sich auf diese Weise die Erleichterung auf der Seite der Prozessbeherrschung erkauft hat. Rechnet man dann noch die Wege hinzu, die das Bedienungspersonal zurücklegen muss und berücksichtigt die aufwändigere Logistik für die Metall- und Kernzuführung sowie für die Bauteilabführung, dann ist man nach dieser analytischen Betrachtung nicht mehr so ganz davon überzeugt, die effektivste Lösung mit den heute dominierenden Linearanlagen erreichen zu können. Allerdings setzt die Entscheidung für die alternative Shuttleanlage die Bereitschaft zu äußerst konsequentem Arbeiten an der Qualität der Werkzeug- und Anlagentechnik voraus, was mit deren ausgereiftem und betriebssicherem Design seinen Anfang nimmt (siehe beispielhaft Abb. 10).
Das bis hierher unerwähnt gebliebene Gießkarussell stellt im Grunde nichts anderes als eine kreisförmig angeordnete Shuttleanlage dar. Auch beim Gießkarussell bleibt die Frage nach der optimalen Anzahl von Stationen zu stellen. In diesem Zusammenhang möchten wir die von uns zuvor benutzte Formel bemühen, um ein 6-Stationen-Gießkarussell (3.) mit einer 3-Stationen-Shuttle anlage (1.) zu vergleichen:
OEE1.1 x OEE 1.2 x OEE 1.3 > OEE 3.1 x OEE 3.2 x OEE 3.3 x OEE 3.4 x OEE 3.5 x OEE 3.6
Akzeptiert man, dass wie bereits beim Tridem®über Jahrzehnte hinweg zur Genüge belegt, 3 Stationen ausreichen, um Bedienzeit und Prozesszeit optimal aufeinander abzustimmen, dann muss davon ausgegangen werden, dass bei mehr als 3 Stationen in einer shuttleartigen Anlage, das Nettoausbringen je Kokille mit jeder weiteren Station abnehmen wird, denn die OEE der 4., 5. und 6. Station wird in jedem Falle < 1 sein. Diese gleiche Gesetzmäßigkeit ist nach unserer Auffassung auch dann anzusetzen, wenn Mehrfachwerkzeuge zum Einsatz gebracht werden sollen, selbst wenn man dabei unberücksichtigt lässt, dass sich in der Regel bei Mehrfac werkzeugen die Kavitäten zusätzlich noch gegenseitig negativ beeinflussen. Vor diesem Hintergrund ist zu erklären, weshalb wir uns letztendlich für das 3-Stationen-Karussell als die zielführende Lösung entschieden haben. Betrachtet man dann noch die wesentlich kürzeren Prozesszeiten in der Entkern- und Sägezelle (auch dem Umstand geschuldet, dass es kein Angusssystem mehr zu entfernen gibt), so wird auch das Zusammenführen von zwei 3-StationenKarussellen zu einer TwinCarousel-Anlage nachvollziehbar. Nach unserer Einschätzung bietet dieses Konzept insbesondere dem Kundengießer die Prozessstabilität, die Produktivität und die Flexibilität, die er in der Zusammenarbeit mit den OEMs braucht, um einerseits zu Vollkosten auch wettbewerbsfähig anbieten zu können, aber andererseits auch, um trotz deren volatiler Mengen eine möglichst stabile Nutzung der eigenen flexiblen Kapazitäten sicherzustellen (siehe Abb. 11). Beim Einsatz des von uns neu entwickelten dynamischen Gießverfahrens in diesem Anlagenkonzept erschließen sich weitere beachtliche Potentiale hinsichtlich dieser den Kundengießer permanent gestellten Aufgaben (siehe Abb. 12).
Technische und wirtschaftliche Relevanz
Betrachtet man die technische und wirtschaftliche Relevanz der vorliegenden Lösung genauer, so muss insbesondere die herausragende Prozessstabilität betont werden. Bei mehreren hundert Komponenten, die im Vorserienstadium zu produzieren waren, lagen formfüllungsund erstarrungsbedingte Fehler bereits in den ersten Gießlosen insgesamt deutlich unter 10.000 ppm.
Sowohl bei der Röntgenprüfung (100%) wie auch beim Lecktest (100%) blieben die Teile ohne Befund. Während des Gießens reagierte das Gesamtsystem relativ robust auf Abnutzungserscheinungen der Schlichte, ohne dass Lufteinschlüsse, Kaltläufe oder andere oberflächliche Ungänzen als Probleme sichtbar wurden. Der Prozess reagierte ebenso gelassen auf die von uns gewählte weite Bandbreite der zu evaluierenden Gießtemperaturen zwischen 680°C und 780 °C im Schöpfofen, lediglich die Erstarrungszeit musste entsprechend adjustiert werden. Die Bauteile lagen mit allen kritischen Massen (Brennraumgeometrie und Kanalgeometrie) mit sehr stabilen CPK-Werten im äußerst anspruchsvollen Toleranzfenster.
Die DAS konnte ohne besonderen Aufwand, jedoch gießtemperaturabhängig, in der Wandung zwischen Brennraum und Wassermantel kleiner 18 Mikron gehalten werden. Mit Sondermaßnahmen beim Schlichteauftrag wie auch bei der Brennraumtemperierung können, legierungsabhängig, auch noch weit geringere Werte prozesssicher erreicht werden. Diese wären jedoch im Einzelfall für das jeweilige Produkt experimentell nachzuweisen.
Mit den bisher vorliegenden werkstofflichen Auswertungen konnte klar nachgewiesen werden, dass mit diesem Verfahren moderne, hochbeanspruchte Zylinderköpfe für Benzin- und Dieselmotoren absolut prozesssicher herzustellen sind. Die Reproduzierbarkeit und Robustheit dieses Prozesses übersteigt Alles, was den Autoren persönlich als Stand der Technik bis heute bekannt geworden ist. Damit wird dieser neue Prozess auch der Zielsetzung gerecht, dass ein globales Roll-Out des Gießens dieser Komponenten mit überschaubaren Risiken durchführbar sein sollte, selbst auch dann, wenn das Qualifikationsniveau des empfangenden Standorts als noch entwicklungsfähig einzustufen wäre. Die vorliegende Technologie wird in nur sehr geringem Masse noch vom ‚Gießer‘ beeinflusst, sondern definiert sich nahezu ausschließlich durch die Anlagensteuerung, die Werkzeugauslegung und die Geometrie des Gießsystems. Alle weiteren Parameter obliegen der Zuverlässigkeit und der Maschinenfähigkeit der eingesetzten anlagentechnischen Hardware.
Das Leistungspotential einer TwinCarousel-Anlage mit diesem neuen dynamischen Kippgießverfahren ist derart überzeugend (siehe Tabelle 2), dass es sich in jedem Falle für eine Aluminium-Kundengießerei lohnen könnte, über den (Wieder-)Einstieg in diese Produktpallette ernsthaft nachzudenken, insbesondere auch vor dem Hintergrund des derzeit schwächelnden Angebotsoligopols in diesem Marktsegment. Das während der Abnahmetests gemessene Ausbringen liegt rund 25% über der den Autoren bekannten globalen Benchmark und dürfte damit den Branchendurchschnitt nochmals deutlich übertreffen. Die ausgewogene Aufteilung der Arbeits- und Prozessschritte auf die drei Positionen des Gießkarussells wird aus der grafischen Darstellung ersichtlich (siehe Abb. 13). Geht man davon aus, dass ein TwinCarousel mit nur 3 Bedienern gefahren werden kann (siehe Bild 14), so wird sehr schnell deutlich, dass die mit dieser Technologie erzielbaren wirtschaftlichen Resultate mehr von dem in einer Betriebsstätte maximal erreichbaren Wirkungsgrad abhängig sind, als von den landesspezifischen direkten Lohnkosten.
Weiterer Ausblick
Wir möchten den vorliegenden Artikel nicht schließen, ohne nicht noch unsere persönliche Vision bezüglich dieser Technologie kurz zu skizzieren: Zunächst fällt auf der anlagentechnischen Seite auf, dass inzwischen der Kühltunnel räumlich wie energetisch das Gesamtkonzept dominiert. Diesbezüglich waren jedoch bereits erste Tastversuche sehr vielversprechend, diesen Anlagenteil durch ein Kaltwirbelbett zu ersetzen. Bei einer nachgewiesenen Abkühlzeit von rund 300 Sekunden auf nahezu Raumtemperatur wären nur 5 Positionen in einem derartigen Wirbelbett erforderlich, um das Ausbringen eines Gießkarussells auf Raumtemperatur abzukühlen. Der Luftdurchsatz dürfte sich bei dieser Prozesstechnik gegenüber den heute üblichen Lösungen um den Faktor 5 reduzieren lassen. Auch würde dann nochmals deutlich weniger Produktionsfläche für eine TwinCarousel-Anlage beansprucht.
Die rasche Abkühlung des Gussstückes einschließlich aller verbliebenen Kerne in einem Kaltwirbelbett aus regeneriertem Quarzsand unterdrückt die Rekaleszenz in den schnell erstarrten Gussstücksbereichen und kann damit in den überwiegenden Fällen die Lösungsglühstufe im Rahmen einer Wärmebehandlung überflüssig werden lassen. Man könnte dann auch noch versuchen, für die Warmauslagerung die danach vergleichmäßigte Restwärme in den Gussteilen und deren Speiser zu nutzen. Die gesamte Anlage würde hierdurch deutlich kleiner und noch wesentlich energieeffizienter. Eine durchaus dem gesellschaftlichen und politischen Wertewandel folgende Aufgabenstellung.
Der Sachverhalt, dass das Gießbassin während des eigentlichen Gießvorgangs von der Gießachse abgedockt ist, wurde von uns grundsätzlich auch als wesentliche Voraussetzung dafür vorgesehen, um in einem weiteren Entwicklungsschritt mit der gesamten Gießmaschine in einen Autoklaven zu fahren und damit den Gieß- und Erstarrungsvorgang unter erhöhtem Umgebungsdruck ablaufen lassen zu können. Im Wesentlichen ist das Gießen und Erstarren unter erhöhtem Umgebungsdruck vom Gegendruckgießverfahren her bekannt (siehe [3]). Das Gegendruckgießverfahren basiert allerdings auf dem Prinzip des Niederdruckgießverfahrens, so dass der hohe apparative Aufwand bei der sehr geringen Produktivität als nicht gerechtfertigt erscheint. Aus unserer Sicht der wesentliche Grund, weshalb sich dieses Verfahren industriell bis heute nicht dominanter durchsetzten konnte.
Auf der anderen Seite konnte allerdings bewiesen werden, dass sich mit diesem verfahrenstechnischen Ansatz insbesondere die hochfesten und hochwarmfesten siliziumfreien Legierungen sehr zufriedenstellend verarbeiten lassen, welche in konventionellen Verfahren als schwer gießbar bis nicht gießbar einzustufen sind. Diese Einschätzung ist sehr stark dem Umstand geschuldet, dass diese Legierungen extrem zu interkristalliner Mikrolunkerung und damit verbunden, zu Warmrissen neigen.
Die sich ausbildenden feinen Fadenlunker an den Korngrenzen beeinflussen obendrein die mechanischen Eigenschaften dieser Aluminium-Legierungen ähnlich der Grafitlamellen im Gusseisen sehr nachteilig. Die hohen Erstarrungsdrücke bewirken jedoch die Infiltration der Restschmelze in den kristallisierenden Schwamm. Da der angewandte Druck aber allseits wirkt, wird eine Infiltration (Penetration) der Sandkerne und der Schlichte mit Schmelze unterbunden.
Es bleibt abzuwarten, ob eine Kombination dieses dynamischen Gießverfahrens in Verbindung mit einem Autoklaven nicht diesen gießtechnisch außerordentlich problematischen Legierungen die Tür zur industriellen Anwendung öffnen kann. Wir denken dabei insbesondere auch an Zylinderköpfe zukünftiger Generationen, falls die Leistungsdichte der Verbrennungsmotoren noch weiter zu steigern wäre.
Und zu guter Letzt möchten wir mit einem Verweis auf Karosserie- und Fahrwerksteile schließen. Die hohen Füllgeschwindigkeiten, die selbst bei Zylinderköpfen möglich waren, lassen es uns als wahrscheinlich erscheinen, in Konkurrenz zu Druckgießverfahren großflächige, dünnwandige Bauteile aus Primärlegierungen sehr wirtschaftlich und zuverlässig mit diesem Verfahren erzeugen zu können, und dann dürften diese Bauteile auch Sandkerne enthalten, um die belastungsneutrale Faser für Innenhohlräume zu nutzen und damit weiteres Gewicht einzusparen. Die Möglichkeit, dabei auch höherfeste siliziumfreie Legierungen einzusetzen, wäre noch experimentell nachzuweisen.
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