Abguss des Oberholms der neuen Richtpresse für die Dillinger Hütte.

Bilder: Siempelkamp

CAD-Zeichnung der neuen Richtpresse für die Dillinger Hütte.

Bearbeitung des Oberholms bei Siempelkamp in Krefeld.

Pressen als Unikat in Serie

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Für die Dillinger Hüttenwerke baut Siempelkamp zurzeit eine Richtpresse für bis zu 300 mm dickes Grobblech. Auch die aktuell größte Rohrformpresse der Welt mit 72 000 t Presskraft stammt aus Krefeld. Ebenso liefert das Unternehmen Maschinen für das Umformen von Titan und installiert bei UST Kamenogorsk derzeit eine Kompaktier- sowie bei Goldsky Titanium Industry eine Freiformschmiedepresse. Aubert+Duval schlägt Flugzeugteile aus Titan- und Nickel-Legierungen mit bis zu 40 000 t ins Gesenk. Auch hier ist Siempelkamp Lieferant der Presse.
Bei der Konstruktion und dem Bau solch großer Pressen sind andere Methoden erforderlich als bei Serienprodukten: Bevor eine neue, in Serie hergestellte Maschine – zum Beispiel ein Bearbeitungszentrum – auf den Markt kommt, testen die Hersteller Prototypen und Nullserien auf Herz und Nieren. So optimieren sie viele Details, bevor die Serienfertigung beginnt. Bei großen Pressen ist das grundlegend anders. In dieser Leistungsklasse ist jede Anlage ein Unikat und oft das Herzstück eines Werkes. Arbeitet sie nicht, stoppt die gesamte Produktion. Dies bedeutet, dass sie von der Inbetriebnahme über Jahrzehnte zuverlässig und präzise produzieren muss.
Damit die Maschine auf Anhieb einwandfrei arbeitet, ist der Entwurf neuer Pressen ein iterativer Prozess. Im Dialog zwischen Konstruktion, Engineering, Gießerei und Fertigung sowie zusammen mit dem Kunden entsteht die optimale Lösung. Siempelkamp konstruiert und baut seit über 125 Jahren Großpressen. Die Ingenieure beherrschen die beim Biegen, Richten und Schmieden auftretenden Kräfte. Für jede neue Presse nutzen sie ihr Hintergrundwissen aus vergleichbaren Aufträgen. Einerseits müssen die Bauteile stark genug dimensioniert sein, andererseits muss ihr Gewicht in Grenzen gehalten werden.
Mit Gussteilen kann der Konstrukteur die Form eines Teils optimal seiner Funktion anpassen. Zur Erhöhung der Belastbarkeit einzelner Bereiche kann er mehr Material zugeben und es an wenig beanspruchten Stellen reduzieren. Querschnittsänderungen kann er stromlinienförmig gestalten, um Spannungskonzentration zu mindern.

Für dickwandige Bauteile großer Pressen ist Sphäroguss die beste Lösung. Er bietet gestalterische Freiheit und erlaubt dünne, aber dennoch stabile Strukturen genauso wie massive Strukturen an hoch belasteten Stellen. Geschlossene, hochfeste Systeme sind mit Sphäroguss wirtschaftlich zu realisierbar. Im Vergleich zu Stahl können Konstruktionsteile bei gleicher Festigkeit um etwa zehn Prozent schlanker gestaltet werden. Sphäroguss ist beim Gießen selbstspeisend: im Gegensatz zu Stahl schwindet das Gussteil beim Abkühlen kaum, deshalb werden die vom Stahlguss bekannten Lunker vermieden – ein großer Vorteil besonders bei punktuell hoch belasteten Bauteilen. Die von Siempelkamp verwendeten ferritischen Gusseisensorten ertragen gleiche Kräfte und Verformungen wie bekannte Stahlgusssorten. Da keine Wärmebehandlung erforderlich ist, spart Sphäroguss einen vollständigen Produktionsschritt und darüber hinaus Energie – bei Gewichten bis 300 t entlastet das Budget erheblich. Das endabmessungsnahe Gießen spart Zeit bei der mechanischen Bearbeitung, außerdem ist sie wegen des im Gussteil enthaltenen Grafits einfacher.
Aufgrund der hohen Bruchzähigkeit, der guten Dauerschwingfestigkeit und der Dämpfungseigenschaften erzielt Sphäroguss eine außerordentlich lange Lebensdauer. Einzigartig: der Entwurfsprozess als kontinuierlicher Dialog. In einem typischen Projekt definiert der Kunde zunächst seine Anforderungen: die Presskraft und die Haltbarkeit der Presse stehen im Mittelpunkt. Sodann bearbeitet Siempelkamp das Projekt in mehreren vorgegebenen Phasen und prinzipiell mit interdisziplinären Teams, die ihre Ideen ständig austauschen. In einem ersten Schritt untersuchen die Ingenieure die Machbarkeit unterschiedlicher Varianten und erarbeiten die Grobstruktur der Presse – ein kreativer Prozess, bei dem unterschiedliche Fertigungsverfahren wie Schweißen oder Gießen auf den Prüfstand kommen. Lautet die Entscheidung „Gießen“, untersuchen die Konstrukteure sowohl den Stahl- als auch den Sphäroguss. Das Ergebnis ist ein erstes 3D-Modell, das dem Kunden vorgestellt wird. Im Dialog mit ihm werden die Anforderungen dann detailliert ausgearbeitet. Beim Engineering wird das Modell unter simulierten Arbeitsbedingungen mit statischen und dynamischen Belastungen berechnet: Statik und Dynamik modellieren die Ingenieure von Siempelkamp nach der Finite Elemente Methode; dabei nutzen sie Mehrkörper-Kontaktsysteme, um die Wechselwirkungen der verschiedenen Komponenten zu bestimmen. Anschließend berechnen sie die Ablauf-Kinematik, etwa von verfahrbaren Stempeln sowie die Thermodynamik. In einem weiteren Schritt wird das Modell in der Umformsimulation untersucht. Ist das Ergebnis nicht optimal, wird die Konstruktion geändert und neu berechnet.
Am Ende dieses Prozesses ist die Struktur der Presse definiert; die Kräfte, der Leistungsbedarf sowie die Abmessungen der Bauteile sind bekannt. Wenn die Entscheidung für das Gießen gefallen ist, diskutieren die Konstrukteure im nächsten Schritt den Entwurf mit ihren Kollegen in der Gießerei. Was ist die beste Gießlage? Wie werden die Gießkerne angeordnet? Wo werden Kühl- und Entgasungskanäle platziert? Daraufhin simulieren die Gießer den Herstellungsprozess vom Befüllen über das Erstarren bis zur Berechnung der Eigenspannungen im fertigen Gussteil. Mit einer eigens entwickelten Software überträgt Siempelkamp diese Ergebnisse zurück in die Finite Elemente-Analyse – bei Bedarf durchläuft der Prozess eine weitere Iteration in der Konstruktion.

Das Resultat: Nach mehreren Schritten existiert der Prototyp im Rechner – eine funktionierende und gießgerechte Konstruktion, die nach Qualität und Kosten optimiert ist. Die Strukturkomponenten, die aus Sphäroguss bestehen, gießt Siempelkamp in der eigenen Gießerei, einer der größten Handform-Gießereien der Welt. Die Gießer haben das besondere metallurgische Know-how, um auch in dickwandigen Bauteilen optimale Bedingungen für den Kristallisationsprozess während des Entstehens der Grafitkugeln herzustellen – über dieses Wissen verfügen weltweit nur wenige Gießereien. Die Gießerei erzeugt im Jahr rund 70 000 t Flüssigeisen, Gussteile mit mehr als 250 t Gewicht sind hier Routine. Die Leistungsfähigkeit belegt der Weltrekord von 2009: Für die neue Richtpresse der Dillinger Hüttenwerke goss Siempelkamp den Oberholm mit einem Rohgussgewicht von 270 Tonnen – das entspricht dem Gewicht von 200 Mittelklassewagen.
Für die Bearbeitung der Gussteile verfügt Siempelkamp über einen umfangreichen Park CNC-gesteuerter Großmaschinen – bis hin zu einem Portal-Bearbeitungszentrum in Gantry-Bauweise, das Bauteile bis zu einer Länge von 22 m und einer Höhe von 6 m aufnimmt. Bei der Bearbeitung des Holms des größten Gussteils der Welt für eine neue Richtpresse bei den Dillinger Hüttenwerken erzielt Siempelkamp beispielsweise eine Genauigkeit von 0,1 mm bei der Parallelität und 0,1 mm bei der Ebenheit der Flächen. Die Toleranz der Höhenmaße beträgt 0,2 mm, die der Breitenmaße 0,1 mm.

Die Software Prod-IQ bietet die exakt auf die Anforderungen der Metallumformung zugeschnittene intelligente Prozessleittechnik, Online-Qualitätskontrolle und Performance-Analyse. Sie umfasst Module für das Produktionsdaten-Management sowie Wartung und Instandhaltung. Erste Erfahrungen aus Werken belegen, dass die Anwender bis zu 2,5 % Material einsparen und die Stillstandszeiten um bis zu 4 % gesenkt haben. Außerdem haben sie bei einer dauerhaften Reduktion von Qualitätsschwankungen den Ausschuss um bis zu 1 % gemindert. Die Software sammelt Produktionsdaten automatisch und stellt sie mit Hilfe übersichtlicher Grafiken dar. Die schnelle Verfügbarkeit bedarfsgerechter Informationen führt zu mehr Transparenz, denn Kennzahlen zu Anlagenleistung, Qualität, Ressourcenverbrauch und Kosten können bereits während der Produktion analysiert werden. Da die Produktionsdaten vollständig dokumentiert sind, ist die exakte Rückverfolgbarkeit aller Produktionsschritte gewährleistet. Die Informationen lassen sich einfach analysieren: Für den Routinebetrieb bietet Siempelkamp vorkonfigurierte Auswertungen in Form von Schicht-, Tages-, Monatsberichten. Abfragen lokalisieren Kostenverursacher.
Ist eine auf diese Weise eingeleitete Optimierungsmaßnahme abgeschlossen ist der Erfolg sofort messbar. So ist Prod-IQ ein wertvolles Werkzeug für die stetige Verbesserung aller Abläufe im Werk. Neben der Optimierung der Produktion lässt sich mit den Daten auch eine zustandsabhängige Instandhaltungs-Strategie umsetzten. So weist erhöhter Stromverbrauch auf Verschleiß hin. Prod-IQ überwacht die Schwellenwerte und meldet, wann welche Maßnahmen erforderlich sind. Die jahrzehntelange Erfahrung hat gezeigt, dass der Weg, den Siempelkamp beschreitet, richtig ist. Durch moderne Konstruktion, die Zusammenarbeit von Konstrukteuren und Gießern sowie moderne Leittechnik bietet Siempelkamp die Sicherheit, dass außergewöhnlich große Pressen auf Anhieb die vom Kunden gewünschten Spezifikationen erfüllen und über Jahrzehnte effizient arbeiten.