Glühender Stahl und filigrane Kühlung

Text: Thomas Masuch; Fotos: Zikomm / Th. Masuch, SMS Group - 31.08.2018

In Schmiedewerken stellt 1.250 Grad heißer glühender Stahl extreme Anforderungen an Mitarbeiter und Material. Das Kühlen der Gesenke ist in der Produktion deshalb ein entscheidender Faktor. Im Hammerwerk Fridingen wurde dafür erstmals ein additiv gefertigter Kunststoff-Sprühkopf getestet – und er trotzt den höllischen Bedingungen auch noch nach mehreren Monaten.

Der Eintritt in die Werkhalle 7 im Hammerwerk Fridingen erscheint auf den ersten Blick wie ein Schritt in ein scheinbar vergangenes Industriezeitalter. Die Luft riecht nach Stahl, und die mehreren Tausend Tonnen starken Pressen lassen mit ihren schweren und lauten Hüben die Umgebung vibrieren. Zähe und kräftige Männer greifen mit langen, an Ketten hängenden Kettenzangen die glühenden Stahlteile, wuchten sie geschickt in die Maschinen oder von einem Gesenk ins nächste. Die stählernen Hämmer und Pressen schmieden unermüdlich das glühende Metall zu mehreren Kilogramm schweren Kreuzgelenken und Kolben, die später einmal in Lkws verbaut werden.

Die Stahlkappen, die wir als Besucher an den Füßen haben, und die Ohrstöpsel sind hier wahrlich angebracht. Die Umgebung steht völlig im Gegensatz zu den sterilen und sauberen Automobilwerken – ganz zu schweigen von den additiven Fertigungshallen, in denen man keinen dunklen Staub findet und sich auch im Flüsterton unterhalten kann.

»Der gedruckte Sprühkopf sah zwar toll aus, aber wir fragten uns, ob der auch hält.«

Den höllischen Bedingungen getrotzt

Und trotzdem hat sich die Additive Fertigung auch in diese Welt voller Härte, Kraft und Rohheit hineingewagt, und zwar in den Bauch einer 5,5 Meter hohen Manzoni SR 2000 Warmschmiedepresse, die glühende Stahlabschnitte mit ihren regelmäßigen, 2.000 Tonnen schweren Hüben mühelos zu kreuzförmigen Automobilbauteilen verwandelt. Hier findet sich ein additiv gefertigter Sprühkopf, der zwischen den einzelnen Hüben der Presse regelmäßig einen Nebel aus einer Salzlösung auf die Gesenke zerstäubt. Das kühlt und sorgt gleichzeitig dafür, dass sich die 1.250 Grad heißen und rot glühenden Quader leicht aus der Form lösen.

200.000 Sprühzyklen hat der additive Sprühkopf bereits durchgehalten. »Damit hatten wir anfangs gar nicht gerechnet«, erklärt Axel Roßbach. Der Ingenieur der SMS Group hat den Sprühkopf in Kooperation mit dem Hammerwerk Fridingen entwickelt und an die örtlichen Voraussetzungen angepasst. Dass der lasergesinterte Sprühkopf aus Polyamid monatelang diesen höllischen Bedingungen trotzt, bewerten beide Projektpartner bereits als großen Erfolg. Auch der Einbau und der Anschluss liefen laut Roßbach reibungslos und ohne größeren Zusatzaufwand.

Das Kühlmedium, eine Mischung aus synthetischen Schmierkomponenten und Wasser, wird in der additiven Variante in geschwungenen Bahnen an die gewünschten Stellen geleitet. Beim Austritt wird die Kühlflüssigkeit durch Druckluft in ein feines Aerosol verwandelt und auf die heißen Gesenke gesprüht. Eine zusätzliche Steuerluftleitung für das Ein- und Ausschalten der Kühlflüssigkeit, direkt an jeder Düse, war schnell installiert.

»Dabei können wir die Tröpfchengröße und Verteilung optimal an die Bedingungen anpassen«, so Roßbach. Ganz nebenbei wurde der Sprühkopf sicherlich auch wegen der interessanten Formen für den German Design Award 2018 nominiert.

Normalerweise liefert die SMS Group an Schmiedeunternehmen wie das Hammerwerk Gesenkpressen oder baut gleich ganze Produktionsanlagen. Einzelne additive Bauteile sind da nur bei genauerem Hinsehen sichtbar, dennoch misst SMS der Technologie eine wichtige Rolle zu. Der Konzern hat eigens eine interne Additive Manufacturing-Gruppe gegründet, die konzernweit danach Ausschau hält, wo sich mithilfe Additiver Fertigung Optimierungen erzielen lassen. »Wir wollen für unsere Kunden ein innovativer Projektpartner sein und das natürlich auch durch den Einsatz modernster Technologien zeigen«, so Roßbach, der selbst einige Jahre in der Gesenkschmiedeindustrie arbeitete und so einen engen Bezug zu dieser Industrie hat.

»Schaumkanone«

Dabei startete der Einsatz des additiven Sprühkopfs im Hammerwerk Fridingen alles andere als erfolgreich. »Der gedruckte Sprühkopf sah zwar toll aus, aber wir fragten uns, ob der auch hält,« berichtet Dr. Marco Laufer, technischer Werkleiter Umformtechnik. Das erste Modell hielt allerdings nicht und bestätigte die anfängliche Skepsis von Laufer. Die Wandstärken waren zu dünn, sodass das Kühlmedium hindurchdrang, diagnostizierte später Ingenieur Roßbach. Und Laufer, ein Mann klarer und anschaulicher Worte, erinnert sich an »eine Schaumkanone.«

Roßbach und sein Team optimierten den Sprühkopf, und dieser vollführt nun seit vier Monaten zuverlässig seinen Dienst – übrigens in synchroner Eintracht mit einem herkömmlich aus Edelstahl gefertigten Sprühkopf. Die 3D-gedruckte Variante wiegt dabei deutlich weniger und entlastet so die dahinter liegende Mechanik. Ein Vorteil, der nicht direkt quantifizierbar ist, aber sich laut Werkleiter Laufer sicherlich bei der nächsten Wartung zeigen wird.

DIE KUNST DES RICHTIGEN SPRÜHENS

In Fridingen, wo die obere Donau noch als kleiner Fluss sanfte Schleifen durch die mit Tannen bewachsenen Tälern zieht, wurde das Hammerwerk 1953 gegründet. Mit 458 Mitarbeitern und einem Umsatz von 83,5 Millionen Euro zählt es zu den größeren Gesenkschmieden in Deutschland. 38.000 Tonnen Stahl werden hier jährlich zu rund 6 Millionen Teilen verarbeitet, die dann unter anderem in der Automobilindustrie, dem Maschinenbau oder in der Landwirtschaftstechnik verbaut werden.

Das Werk verfügt auch über einen eigenen Werkzeugbau und eine CNC-Fertigung, in der Schmiedeteile noch weiterbearbeitet werden. Das Herz des Unternehmens sind allerdings die acht Spindel- und Exzenterpressen. Und deren Produktionsleistung hängt zu einem guten Teil auch vom richtigen Kühlen und Besprühen der Gesenke ab. »Wichtig ist, dass das Gesenk effektiv und schnell abgekühlt wird«, erklärt Dr. Laufer. Gleichzeitig sollte der Sprühnebel das ganze Gesenk bedecken, ohne dass Flüssigkeit in der Form stehen bleibt.

»Denn sonst schießt das glühende Bauteil durch explosionsartig verdampfendes Wasser regelrecht nach oben.« Bei einer zu geringen Kühlung dagegen steigt die Belastung der Gesenke. »Es bilden sich thermische Risse. Die Standzeit kann dann auf bis zu ein Viertel sinken«, weiß Kai Allweil, der als Meister Umformung im Hammerwerk eng in den Entwicklungsprozess eingebunden war.

Kein Patentrezept

Wie wichtig das richtige Sprühen der Gesenke ist, verdeutlicht sich auch darin, dass der Industrieverband Massivumformung dazu eigens ein Forschungsprojekt mit der TU Darmstadt verfolgt (Patengruppe »Sprühkühlung « IMU 58). Hierbei wird untersucht, welchen Einfluss das Sprühen auf heiße Oberflächen hat und wie die Temperatur am besten aus den Gesenken geholt werden kann. »Ein Patentrezept für gutes Sprühen gibt es dabei nicht, oft hängt der richtige Sprühprozess auch vom Gesenk und dem Bauteil ab«, erklärt Laufer.

Um eine weitere Verbesserung des Prozesses zu erreichen, müssten die Sprühköpfe individuell an die einzelnen Formen angepasst werden – darin sind sich Werkleiter Dr. Laufer, Meister Allweil und Ingenieur Roßbach einig. »Auf Basis der aktuellen, additiv gefertigten Sprühköpfe können wir nun einen Schritt weitergehen und einen zusätzlichen Mehrwert für den Schmiedeprozess schaffen«, so Roßbach. Auch Umformmeister Allweil hat bereits einen konkreten Mehrwert vor Augen: »Die Additive Fertigung ist so flexibel, dass wir damit vielleicht auch dreidimensionale Sprühköpfe mit Auslässen in verschiedene Richtungen entwickeln können.«

Mehr Infos unter: