Entwicklungspartnerschaft für materialeffiziente Maschinenteile

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1 Titelfolie Vortragsforum Suppliers Convention HANNOVER MESSE Hannover, Entwicklungspartnerschaft für materialeffiziente Maschinenteile Dr. Thorsten Schmidt, Heidenreich & Harbeck AG

2 Unternehmensdaten 1927: Gründung durch Heidenreich & Harbeck Drehmaschinen GmbH, Hamburg 1975: Übernahme durch Gildemeister / Bielefeld seit 1993 konzernunabhängig seit 2002 nicht-börsennotierte Aktiengesellschaft 210 Mitarbeiter Gussproduktion: ca t Guss p. a. (2008: 779 Positionen, Teile) Maschinenfabrik: ca Fertigungsstd. p. a. Umsatz: > 36 Mio.

3 Gießerei / Maschinengeformte Rohteile Gussteile von 20 kg bis 8 t Stückgewicht GJL 200 GJL 350 und GJS 350 GJS 700 Formanlage Kastengröße 1100 x 800 x ( ) mm Max. Stückgewicht 400 kg Losgröße (Ø: 20) Handformerei Max. Rohgussabmessungen: x x mm Losgröße 1 20 (Ø: 3) Kunden aus allen Branchen des Maschinenbaus Flachgetriebegehäuse EN-GJL-200; 345 kg Schließplatte für Blasformmaschine EN-GJS-400; 190 kg Gehäuse für Hochdruckarmatur EN-GJS-500; 390 kg Gehäuse für Mähdreschergetriebe EN-GJS-400; 210 kg Kurbelwelle für Hochdruckpumpe EN-GJS-400; 21 kg

4 Zerspanung / Handgeformte Fertigteile Werkstücke bis 10 t und 7 m x 2,6 m x 2 m 1 Flexibles Fertigungszentrum mit 3 Horizontal-BAZ (3 t) 7 CNC-Bearbeitungszentren u. 2 SIP-Genauigkeits-BAZ 2 Führungsbahn-Schleifmaschinen 5-Seiten-Komplettbearbeitung in einer Aufspannung Ab 3. Stück aufsichtsarme Fertigung Rotornabe für 300kW-Anlage EN-GJS-400; kg Getriebegehäuse für Windkraftanlage EN-GJL-250; kg Maschinenbett für Horizontal-BAZ EN-GJL-250; ( ) kg

5 Materialeffizienz von Eisengussteilen I. Die Herstellung von Gusseisen ist ein Recyclingverfahren! Stahlschrott, Gussbruch, Stanzabfälle, Späne, Kreislaufmaterial etc. sind Wertstoffe! Der metallische Kreislauf ist nahezu geschlossen. Gießerei-Formsand wird zu mehr als 95% wiederaufbereitet! II. Es findet kein Down-Cycling statt! Aus Stahl- und Eisenwertstoffen entstehen hochwertige Bauteile aus einer großen Palette genormter Gusseisensorten. III. Gießen erlaubt die endabmessungsnahe Fertigung Aufgrund der Gestaltungsfreiheit beim Gießen ist der Zerspanungsaufwand zur Herstellung der einbaufertigen Komponente vergleichsweise gering IV. Vorhandenes Optimierungspotenzial nutzen! Maschinenbauteile könnten noch materialeffizienter sein, wenn Fertigungs-Know How und modernste Optimierungs-Software intensiver genutzt würden. Up-Cycling: Aus verschrotteten Teilen entstehen bei vergleichbarer Verwendung mehr und zugleich funktional überlegene Gussteile!

6 Entwicklungsdienstleistungen Anforderungen des Kunden an das Gussteil (Bauraum, Masse, Verformungen, Festigkeit, Kosten, Termin) CAD- CAD- Simulation Simulation der Simulation der Simulation der der Konstruktion Konstruktion Design Funktion Funktion Herstellbarkeit Herstellbarkeit Kalkulation Kalkulation Terminplanung Terminplanung Grobentwurf Grobentwurf Topologieoptimierung Verformungs- Verformungs- Richtpreis RichtpreisProjektplan Projektplan FEM-Analyse FEM-Analyse (Abmessungen, (Abmessungen, Wanddicken) Wanddicken) (Gestaltvorschlag) Verhalten Verhalten Voroptimierte Modellplanung, Modellplanung, Reservierung Reservierung von von Detaillierung Detaillierung Schwachstellen- Schwachstellen- genaue genaue Konstruktionselemente Simulation Simulation Fertigungs- Fertigungs- gießtechnische gießtechnische Modellbau- Modellbau- und und (Verrippung) (Verrippung) Analyse Analyse Kalkulation Kalkulation kapazitäten kapazitäten Form-Optimierung Festigkeitsnachw., Festigkeitsnachw., Bedarfsgerechte Bedarfsgerechte Optimierung Optimierung Temperaturfeld- Temperaturfeld- / Simulation / Simulation der der Kostenminimierunminimierung Kosten- (Reduktion von Modell- / Modell- Formherstellunherstellung / Form- (Bauteiländerung) (Bauteiländerung) Schwingungs- Schwingungs- NC-Bearbeitung NC-Bearbeitung Kerbspannungen) Analyse Analyse Optimales Bauteil

7 Maschinenbett einer Vertikaldrehmaschine Technische Daten Material: EN-GJL-250 Gewicht: ca kg ( kg) Abmessungen: x x mm 25 % Gewichtseinsparung im Vergleich zur Vorgängerkonstruktion Zusätzliche erhebliche Kostensenkung durch auf 20% reduzierte Kernanzahl Definition von Bauraum und Lastfällen Entwicklung, Modellbau, Guss, Bearbeitung, Oberflächenbehandlung und Vermessung aus einer Hand Vereinfachtes Modell für Topologie-Optimierung Schnitt durch kraftfluss-gerecht verripptes Maschinenbett

8 Tragarm: Topologieoptimierung Führungswagen (4x) Topologie-Optimierung ohne Fertigungsrestriktionen Topologie-Optimierung mit Fertigungsrestriktionen Mit freundlicher Genehmigung von

9 Tragarm: Funktionsgerechte Gestaltung Festigkeitsnachweis von Eisengußteilen nach der FKM-Richtlinie konstruieren + gießen 28 (2003) Nr. 1 FKM-Richtlinie (4. erweiterte Auflage 2002)

10 Tragarm: Gießtechnische Simulation Formfüllsimulation Erstarrungssimulation

11 Tragarm: Vergleich mit Vorgängervariante Material: EN-GJS , Gewicht: ca. 155 kg Abmessungen: x 495 x 490 mm Neukonstruktion (Wertanalyse-Projekt) 34 % Gewichtseinsparung gegenüber 2-teiligem Vorgängermodell Steifigkeitserhöhung (Biegung: +10%, Torsion: +25%) Aufwändige Schnittstellenbearbeitung entfällt Sicherheit gegen Ermüdungsbruch dank in Entwicklungsprozess integrierten Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie

12 Tragarm: Materialeffizienz Relative Biegesteifigkeit / kg Metalleinsatz 1,67 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Relative Torsionssteifigkeit / kg Metalleinsatz 1,89 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

13 Topologie-optimiertes Maschinengehäuse Sockel: Material: EN-GJL-300, Gewicht: kg Abmessungen: x x mm Oberteil: Material: EN-GJL-300, Gewicht: kg Abmessungen: x 900 x 700 mm Fertigungs- und kraftflussgerechte Gestaltung & Erstellung der Fertigungsunterlagen in nur 3 Wochen Hohe Steifigkeitswerte bei optimaler Materialausnutzung Trotz Jahreswechsel nur 14 Wochen Durchlaufzeit vom Entwurf bis zur Lieferung fertigbearbeiteter Komponenten

14 350 % Steifigkeitserhöhung Gehäuse: Entwicklungsergebnis 1,00 Hohles, unverripptes Bauteil 2-teiliges, topologieoptimiertes Gehäuse Relative Gesamtverformung 0,22 0,11 Zielgebiet der Steifigkeitsoptimierung Massives Bauteil 0,19 0,23 20 % Gewichtszunahme Relativer Metalleinsatz 1,00

15 Maschinengehäuse: Materialeffizienz Relative Steifigkeit am TCP / kg Metalleinsatz 2,17 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,58 Hohles, unverripptes Bauteil Massives Bauteil

16 3 von ca. 200 topologie-optimierten Gussteilen Bett mit integriertem Ständer EN-GJL-250, ca kg Herstellkosten Steifigkeit Vertikalschlitten EN-GJL-250, ca. 180 kg Steifigkeit Dämpfung Mit freundlicher Genehmigung von Traverse EN-GJS-400, ca. 500 kg Steifigkeit Leichtbau

17 Weg zur materialeffizienten Gusskomponente Nicht Bauformen aus der Natur kopieren, sondern deren Wachstumsregeln anwenden! Die Heidenreich & Harbeck AG unterstützt bzw. übernimmt die Umsetzung in eine fertigungsgerechte und damit besonders wirtschaftliche Gusskonstruktion! Weitere Informationen: w w w. h u h a g. d e Halle 3 Stand B26