Prozessoptimierung bei NISSAN

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1 Prozessoptimierung bei NISSAN Prozessoptimierung bei NISSAN Einleitung Die NISSAN-Gießerei in Los Corrales de Buelna ist eine der größten und modernsten Gießereien in Spanien. Mit einem Kupolofen, der über eine Schmelzleistung von 20 Tonnen/Stunde verfügt, und zwei Induktionsöfen werden zwei horizontale und zwei vertikale Grünsandformanlagen versorgt. Diese produzieren bis zu Tonnen Grau- und Sphäroguss pro Jahr. Abbildung 1 zeigt den Gießereibereich im oberen Teil des Bildes und das Bearbeitungszentrum im unteren linken Bereich. Abbildung 2 zeigt den Nabenzylinder und Abbildung 3 die Nabenscheibe. Abb. 2 Abb. 1 Das Gussteilprogramm beinhaltet belüftete Bremsscheiben, Radnaben, Abgaskrümmer und Planetenträger. Eines dieser Gussteile ist die Radnabe des NISSAN-Transporters NT 500. Das Design der NISSAN NT 500 Radnabe ist ein Novum und repräsentiert den neuesten Stand des Designs. Anstatt wie gewöhnlich als ein Bauteil wurde diese Radnabe aus zwei separaten Komponenten zusammengesetzt: Die eine Komponente ist der zylindrische Teil der Nabe (in diesem Artikel Nabenzylinder genannt) und die zweite Komponente ist der Scheibenbereich der Nabe (als Nabenscheibe bezeichnet). Der Vorteil dieses neuen Designs liegt in dem geringeren Platzbedarf für das Aufhängungs- und Bremssystem. Während der Montage werden beide Komponenten zusammen mit der dazwischen liegenden Bremsscheibe verschraubt. Abb. 3 Ingenieure von NISSAN und Foseco haben gemeinsam daran gearbeitet, dieses neue Gussteilkonzept zu verwirklichen und im weiteren Verlauf den Fertigungsprozess für diese Komponenten zu optimieren. Dieser Artikel beschreibt die einzelnen Optimierungsschritte für die Produktion dieser beiden Komponenten, die in enger Kooperation der beiden Unternehmen NISSAN und Foseco entwickelt wurden. 76

2 Optimierung der Nabenscheibe Speiserauslegung Bei den ersten Versuchen wurde das Gussteil mit einem Naturspeiser gespeist. Entgegen der negativen Ergebnisse der Erstarrungssimulationen wollte NISSAN prüfen, ob das Gussteil ohne Speisereinsätze dicht gespeist werden könnte. Es zeigte sich schnell, dass es nicht möglich war, prozesssicher fehlstellenfreie Gussteile zu fertigen. Abbildung 4 zeigt einen der eingesetzten Naturspeiser aus den ersten Versuchen. Abbildung 6 illustriert die ausgezeichnete Konturschärfe der Kontaktfläche des Kompressorblechs nach dem Aufformen. Abb. 4 Abb. 6 Aufgrund der Gussteilgeometrie stand nur ein begrenzter Raum für den Einsatz von Speisereinsätzen zur Verfügung. Die Hochdruckformanlage, auf der diese Gussteile gefertigt werden, war hervorragend für den Einsatz der Aufform-Punktspeisungs- Technologie geeignet. Aus dem vielfältigen Produktportfolio von Foseco wurde für diese Anwendung der FEEDEX K Punktspeiser mit Kompressorblech ausgewählt (Abbildung 5). Abbildung 7 zeigt die Erstarrungssimulation nach 95% der Erstarrung (etwa 30 Minuten nach dem Abguss). Der verbleibende flüssige Anteil ist deutlich im Speiser zu erkennen, während das Gussteil frei von Fehlstellen ist. Abb. 7 Bild 8 zeigt eine vertikale Schnittprobe des Gussteils durch den Speiser. Das Bauteil ist dicht gespeist und frei von Porositäten. Der Speiser selber zeigt ein charakteristisches flaches Speisungsprofil, wie es für FEEDEX Speisereinsätze typisch ist. Der mit Hilfe der Kompressorspeiser-Technologie gut verdichtete Formsand ergibt unterhalb des Speisers eine hervorragende Gussteiloberfläche. Abb. 5 FEEDEX ist das druckfesteste im Markt erhältliche Speisermaterial und das Kompressorblech ermöglicht es, den Speisereinsatz auf sehr kleinen Bereichen des Gussteils zu positionieren. Anhand des Modul- und Speisungsvolumenbedarfs des Gussteils wurde der FEEDEX VSK 165/34MH ausgewählt. Aus Gründen der limitierten Sättigungsweiten war es jedoch nicht möglich, den gesamten Bereich des Bauteils mit nur einem Speiser zu speisen. Abb. 8 Die nächste Herausforderung für NISSAN und Foseco war die Abstimmung von Metallurgie und Gießtemperatur, um die Größe des Speisereinsatzes zu reduzieren. Diese kontinuierliche Prozessoptimierung bildet den Kern der Partnerschaft zwischen NISSAN und Foseco. 78 Ausgabe 262

3 Auslegung des Anschnittsystems Das Anschnittsystem für dieses Gussteil wurde ausgehend von dem unten dargestellten Layout (Abbildung 9) optimiert. c. Ein Teil des Filters wird in dem Oberkasten platziert, um den Filtersitz umlaufend an allen 4 Seiten zu gewährleisten. Hintergrund dieser Maßnahme ist es, das Vorbeifließen von ungefiltertem Eisen über den oberen Rand des Filters in das Gussteil zu vermeiden. d. Ausreichende Filterauflagefläche an allen vier Seiten Filterausgangsfläche. Hierdurch wird die Filterkapazität nicht reduziert (wie bei extrudierten oder gepressten Sieben), da die Struktur der rektifizierten Schaumfilter aus miteinander verbundenen Poren besteht. Dies gewährleistet einen Eisendurchfluss in alle Richtungen. e. Ein kleines Reservoir zum Auffangen von Sandabrieb, welches beim Einlegen der Filter entstehen kann. f. Abbildung 10 zeigt das Design der Filterposition, wo zuvor beschriebene Merkmale zu sehen sind. Prozessoptimierung bei NISSAN Abb. 9 Um die Formfüllung zu optimieren und gleichzeitig das Gewicht des Laufsystems zu reduzieren, wurden unterschiedliche Modifizierungen umgesetzt: 1. Alle Läufe wurden auf die Unterkastenplatte verlegt, um einen Strömungswechsel vom Unterkasten in den Oberkasten zu vermeiden. Diese Maßnahme reduziert die Reoxidation des Eisens hinter dem Filter. 2. Das System wurde aufgeweitet ausgelegt, indem der geschwindigkeitsbestimmende Querschnitt vor den Filter verlagert wurde. Die Laufquerschnitte wurden um 10% und die Anschnittflächen um 20% größer gewählt, als der Einguss der engste Querschnitt. 3. Die Anschnitte wurden in den Oberkasten verlegt. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass die Läufe stets komplett mit Eisen gefüllt sind. Diese Praxis ist wichtig, um eine Reoxidation des Eisens hinter dem Filter vermeiden. 4. Die Eingussposition wurde verlagert, um ein weiteres Formnest (6 anstatt 5) auf der Modellplatte zu platzieren. 5. Die Länge der Läufe wurde deutlich reduziert, um das Eisen, welches den Filter bereits passiert hat, so ruhig und direkt wie möglich in die Formen zu leiten. Die Anzahl der Anschnitte wurde von zwei auf einen reduziert. Hierbei musste berücksichtigt werden, dass Fließgeschwindigkeiten im Anschnittbereich und die Temperaturverteilungen im Gussteil nach dem Gießvorgang keinen Einfluss auf Erstarrung oder Schrumpfung haben. 6. Die Modifizierung der Filterposition durch Einsatz des Foseco FP 4 Designs. Die Filterposition ist von erheblicher Bedeutung, um den maximalen Nutzen aus einem keramischen Schaumfilter zu erzielen. Die wichtigsten Merkmale einer Foseco Filterposition sind: a. Eine spezielle Kammer im Eingangsbereich des Filters, die entworfen wurde, um grobe Schlacke und Drossbestandteile abzutrennen, welche die Filtereingangsfläche blockieren und zu reduzierten Filtrationsleistungen führen könnten. Dieses ermöglicht es dem Filter, feinste oxidische Bestandteile zu entfernen, ohne vorzeitig zu blockieren. b. Die Filterposition stellt sicher, dass die gesamte Filtereingangsoberfläche mit Eisen durchströmt wird, um die gesamte zur Verfügung stehende Filterfläche zu nutzen. Abb Der Einsatz des neuen SEDEX ULTRA Filters. Das Gewicht der Gusstraube wurde durch das zusätzliche Gussteil (6 anstatt 5 Formnester) von 89,8 kg auf 99,4 kg erhöht. Dennoch konnten wir die Filtergröße reduzieren, indem ein SEDEX ULTRA anstatt eines Standard SEDEX Filter eingesetzt wurde. Aufgrund der offenen Struktur des SEDEX ULTRA Produktes liefert es eine höhere Filterkapazität im direkten Vergleich zu SEDEX. In diesem Fall konnte die Filtergröße durch den Wechsel von SEDEX 81x81x13/20ppi auf SEDEX ULTRA 75x75x15/20ppi Filter um 14% reduziert werden. Abbildung 11 zeigt den eingelegten SEDEX ULTRA Filter. Abb

4 Neue Modellplattenauslage Abbildung 12 stellt das neue Design nach Umsetzung aller vorgeschlagenen Modifi kationen dar. Die Bilder 16 und 17 stellen die Temperaturdifferenzen nach Gießende dar. Es gibt keine signifi kanten Temperaturdifferenzen in den einzelnen Gussteilen, man kann aber eine höhere mittlere Temperatur bei dem modifi zierten Design erkennen. Der Grund für den geringeren Temperaturverlust sind die gekürzten Läufe. Dieses erlaubt es, die Gießtemperatur um 10 C zu reduzieren. Abb. 12 Abbildung 13 zeigt die Gusstraube, wie sie auf dem Foseco Stand während der GIFA ausgestellt wird. Abb. 16 Abb. 13 In Bild 14 bis 17 werden die Gründe dargestellt, die zu den Befürchtungen über erhöhte Metallfließgeschwindigkeiten und einem erhöhten Temperaturgradienten geführt haben. Bild 14 und 15 zeigen den Geschwindigkeitsunterschied im Anschnittbereich nach 25% des Gießvorganges. Wie erwartet ist die Geschwindigkeit im verbesserten Layout höher, zeigte aber in der Praxis keine Sanderosionen. Abb. 17 Vorteile des neuen Designs + Reduzierung der Gießtemperatur um 10 C. + Eine um 20% erhöhte Produktivität (ein weiteres Formnest auf der Modelllatte). + Reduziertes Gewicht des Laufsystems um 1,4 kg/ Gussteil: - Gewicht bei dem Ausgangszustand (5 Gussteile): 89,8 kg (18 kg/gussteil) - Gewicht bei der Modifi kation (6 Gussteile): 99,4 kg (16,6 kg/gussteil) Abb Reduzierte Filtergröße. Die Einsparung bei dem Gewicht der Filterposition alleine liefert eine zusätzliche Einsparung von 10 Cent pro Filter. Abb Ausgabe 262

5 Optimierung der Zylindernabe Speiserauslegung Die Speisung der Zylindernabe wurde ursprünglich mit einem Sandspeiser, der an vier Gussteilen gleichzeitig angebunden war, bewerkstelligt. Diese Auslage gab im Sinne von fehlstellenfreien Gussteilen gute Ergebnisse. Bild 18 zeigt die erste Plattenauslage. Abb. 18 Auslegung des Anschnittsystems Die Optimierung der Formfüllung folgte den gleichen Grundsätzen und Empfehlungen, wie sie für die Nabenscheibe angewendet wurden. Die Unterschiede der Layouts zeigen die Abbildungen 20 und 22. In diesem Fall gibt es keinen Gewichtsunterschied der Laufsysteme, aber die reduzierten Strömungsgeschwindigkeiten in den Läufen und ruhigere Füllung des neuen Designs werden auf den Bildern 22 und 23 verdeutlicht. Bei dem neuen Design wurde der Standard SEDEX Filter auch wieder durch den neuen SEDEX ULTRA ausgetauscht. Einmal mehr konnte hierdurch die Filtergröße von SEDEX 66x66x13/20ppi auf SEDEX ULTRA 50x75x15/20ppi reduziert werden. Aufgrund der höheren Filterkapazität von SEDEX ULTRA konnte die Gießzeit gleich gehalten werden, obwohl die Filterfläche kleiner war. Abb. 22 Prozessoptimierung bei NISSAN Bild 19 zeigt die Erstarrungssimulation im letzten Moment der Erstarrung. Das letzte flüssige Metall befindet sich innerhalb des Speisers. Abb. 19 Abb. 23 Um die Speisung zu optimieren und um das Ausbringen zu erhöhen wurde der Naturspeiser durch einen Einsteckspeiser ersetzt: KALMINEX 2000 ZP 8/11K, siehe Layout im Bild 20. Abb. 20 Bild 24 zeigt die Gusstraube, wie sie auf dem Foseco Stand während der GIFA ausgestellt wird. Abb. 24 Die Erstarrungssimulation am Ende der Erstarrung bestätigt auch, dass sich das letzte flüssige Eisen im Speiser befindet und im Vergleich zu dem Naturspeiser noch weiter vom Speiserhals entfernt ist. Dieses erhöht die Speisungssicherheit (Abb. 21). Abb. 21 Vorteile des neuen Designs + Reduzierung des Speisergewichts um 2,5 kg/speiser durch den Austausch der Naturspeiser durch KALMINEX 2000 ZP 8/11K: - Gewicht der zwei Naturspeiser (ohne Speiserhals): 10,8 kg - Gewicht des Speisermetalls aus den zwei Einsteckspeisern (ohne Speiserhals): 5,8 kg + Reduzierte Filtergröße. Die Einsparung bei dem Gewicht der Filterposition alleine liefert eine zusätzliche Einsparung von 8 Cent pro Filter

6 Metallurgische Behandlung Außerdem wurde der ursprüngliche Schmelzbehandlungsprozess in Zusammenhang mit diesem Projekt modifiziert. Um beste metallurgische Qualitäten zu erzielen, wurden zwei Impfmittel miteinander kombiniert. Für die Vorbehandlung wurde 0,25% INOCULIN* 390 noch vor der Magnesiumbehandlung eingesetzt. Danach folgte eine Behandlung mit 0,10% INOCULIN 540 während des Vergießens. Durch den Einsatz von INOCULIN 390 wird weniger Schlacke generiert, wodurch die Pfannen länger sauber bleiben. Ein weiterer Vorteil dieses Produktes ist seine geringe Tendenz zu Tränenbildung, ein Punkt, der für hocheffiziente Gießereien von großer Bedeutung ist. Abbildung 25 zeigt wie der Kern während der Fertigung geschlichtet wird. Vorteile Impfprozess: + Höherer Reinheitsgrad des Eisens. + Erhöhte Filtrationswirkung, da saubereres Eisen den Filter passiert. Hierdurch wird die Filterkapazität gesteigert und die Möglichkeit einer vorzeitigen Filterblockade reduziert. + Reduzierte Anbackungen an den Stopfen der automatischen Vergießeinrichtung. Dieses erhöht die Standzeit der Stopfen und bedeutet somit: - Reduzierter Kostenaufwand für Stopfen - Weniger Unterbrechungen an der Formanlage - Verbesserte Sicherheit der Arbeiter, welche die Stopfen austauschen + Verbesserte Kugelzahl und erhöhter Ferritanteil im behandelten Eisen (de facto nahezu 100% ferritisch). Dieses ermöglicht es der Gießerei, Stahlschrott mit höheren Mangananteilen einzusetzen, was die Gattierungskosten senkt. Form und Kern Der Kern der Zylindernabe ist nicht besonders anspruchsvoll in der Herstellung. Die Nissan Gießerei legt jedoch besonderen Wert auf Arbeits- und Umweltschutz. Es war entscheidend, dass der Cold-Box Binder eine ausreichende Produktivität liefert, aber gleichzeitig auch sicher in der Handhabung durch die Arbeiter und deren Arbeitsplatzbereich ist. Aus diesem Grund wurde eine neue Generation eines Cold-Box Bindersystems vorgestellt. Unser POLITEC*E2080 / E9000 mit POLITEC G-35 als Katalysator wurde mit dem Ziel entwickelt, geringste Mengen BTX (Benzol, Toluol und Xylol) zu emittieren. Dieser Binder ist mengenbezogen kostenintensiver als ein herkömmlicher Cold-Box Binder, bietet aber ausgezeichnete Festigkeiten bei geringeren Dosierungen. Hierdurch werden die höheren Mengenkosten kompensiert. Weiterhin wurde die sehr geringe Geruchsbelastung im Arbeitsplatzbereich durch Nissan und seine Mitarbeiter sehr positiv eingeschätzt. Der Kern muss mit einem feuerfesten Material geschlichtet werden. Über einen geraumen Zeitraum hinweg haben die Ingenieure von Nissan und Foseco die Möglichkeit geprüft, ein System zu etablieren, das den Einsatz einer wasserbasierenden Schlichte erlaubt. Trotzdem muss bis zum jetzigen Zeitpunkt eine Schlichte auf Alkoholbasis eingesetzt werden, da sie hohe blattrippenunterdrückende und feuerfeste Eigenschaften besitzen muss, weil diese Nabenkerne aufgrund hoher thermischer Belastungen zur Blattrippenbildung neigen. Außerdem muss das Gussteil eine ausgezeichnete Oberflächenqualität aufweisen. Aus diesen Gründen wurde TENO SIL 1302 als Schlichte ausgewählt. Sie erfüllt die zuvor genannten Anforderungen bei einer Schichtdicke von nur 150 µm. Abb. 25 Zusammenfassung Dieser Artikel zeigt nur zwei von vielen Beispielen, auf welche Weise Optimierungsprojekte bei Nissan durchgeführt werden; ein Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen den Ingenieuren von NISSAN und Foseco mit dem Ziel, die geforderte Gussqualität zu geringsten Kosten zu produzieren. Schlüsselelemente wie Gewicht, Ausschussraten, Gießtemperatur, Produktivität und Rohstoffkosten werden hierbei berücksichtigt, um Prozesskosten zu reduzieren. Die Herausforderung besteht dabei darin, die Kosten bei gleichzeitiger Verbesserung der Prozesssicherheit zu senken. Die o.g. Ziele können heute aber nicht erreicht werden, ohne vorher die Auswirkungen auf den Arbeits- und Umweltschutz zu berücksichtigen; diese Vorgaben müssen zu allererst berücksichtigt werden. Die größte Herausforderung aber besteht darin, Nachhaltigkeit zu generieren. Danksagung Wir möchten den Ingenieuren von Nissan für ihre partnerschaftliche Zusammenarbeit mit Foseco und für ihre Mithilfe (Gussteile und Daten) bei der Entwicklung der Fallstudien für den Messestand der Foseco auf der GIFA 2015 danken. Unser besonderer Dank gilt Herrn Waldo Rodríguez, Ingenieur bei NISSAN, der für die in diesem Artikel beschriebenen Gussteile verantwortlich war Ausgabe 262