28.09.2006 | Redakteur:
Besondere Vorteile haben röhrenförmige Konstruktionen, also hohle Werkstücke im Fahrzeugbau. Sie verbinden hohe Steifigkeit gegen...
Gießen von dünnwandigen Fahrwerksteilen aus AluminiumlegierungenBesondere Vorteile haben röhrenförmige Konstruktionen, also hohle Werkstücke im Fahrzeugbau. Sie verbinden hohe Steifigkeit gegen Biegen und Verdrehen mit niedrigem Gewicht. Deshalb nutzt man sie beispielsweise als Radaufhängungen für Personenkraftwagen. Wegen der nahezu unbegrenzten Gestaltungsfreiheit bei wirtschaftlichem Aufwand ist das Gießen seit jeher ein besonderes vorteilhaftes Herstellungsverfahren für solche Bauteile. Für die als Sicherheitsbauteile eingestuften Fahrzeugkomponenten muss eine durchgängige Qualität gewährleistet sein. Dafür wurden in der Georg Fischer GmbH in Friedrichshafen die Sandgießanlagen weitgehend automatisiert.
Hohlkörper bieten niedrige Gewichte bei hoher Steifigkeit
Fahrwerksteile für ungefederte Massen müssen umfangreichen Kriterien genügen. Vor allem sollen sie möglichst leicht sein. Dies erreicht man zum einen durch Werkstoffe mit niedrigem spezifischen Gewicht, wie Aluminium oder Magnesium. Zum anderen kann man durch eine abgestimmte Konstruktion das Gewicht der Bauteile minimieren. Geschlossene Hohlkörper haben bei niedrigem Gewicht eine hohe Steifigkeit und ein hohes Widerstandsmoment gegen Biegen und Verdrehen.
Wegen der umfassenden Gestaltungsfreiheit eignet sich das Gießen besonders zum wirtschaftlichen Herstellen derartiger Hohlkörper. Anspruchsvolle Geometrien lassen sich durch geschickte Form- und Kerntechnik problemlos herstellen. Beim Gießen entsteht in nur einem Produktionsschritt ein nahtloser Hohlkörper. Gegenüber anderen Herstellverfahren entfallen alle aufwendigen Füge- und Montagearbeiten, wie sie zum Beispiel bei Blechkonstruktionen erforderlich sind.
Durch Anwendung moderner Computertechniken können Berechnungen und Simulationen durch die Gießereispezialisten bereits vor den eigentlichen Gießvorgängen nachempfunden und weitgehend optimiert werden. Die Festigkeitseigenschaften, die erwartete Haltbarkeit, die Gießbedingungen und das Verhalten des flüssigen Metalls in der Form kennt man bereits durch Simulationen und Berechnungen mit der geeigneten Computersoftware vor dem eigentlichen Produktionsvorgang. Das ermöglicht, Wanddicken und Geometrie der Bauteile entsprechend den tatsächlichen Beanspruchungen auszulegen. Mit vertretbarem Zeit- und Arbeitsaufwand können die späteren Bauteile so auf ihre statische und dynamische Festigkeit bereits vor Fertigungsbeginn optimiert werden.
Dies übernehmen Spezialisten in Forschung und Entwicklung der Georg Fischer Fahrzeugtechnik AG in Schaffhausen, Schweiz. In enger Zusammenarbeit mit den Auftraggebern aus der Automobilindustrie werden im so genannten Simultaneous Engineering zusammen mit den Gießereispezialisten der Produktionsbetriebe die Fertigungsdaten für die spätere Auslegung des Bauteils erarbeitet.
Neben der Konstruktion entscheidet zusätzlich die Qualität der Produktion über den technischen und wirtschaftlichen Nutzen der Bauteile. Eine prozesssichere, in jedem Stadium überwachte Produktion, ist Voraussetzung speziell für Führungs- und Antriebselemente von Fahrzeugen. Dazu gehören unter anderen auch Querlenker, da sie Sicherheitsbauteile sind. Nur bei zuverlässiger Funktion gewährleisten sie die Sicherheit der Fahrzeuginsassen. Die sorgfältige Prüfung und Sicherheit bei der Herstellung muss unabhängig von der Sorgfalt und dem Geschick des Personals auch bei großen Serien gewährleistet sein.
Automatisierung schafft gleichbleibende Qualität
Deshalb hat Georg Fischer die Sandgießerei nahezu vollständig automatisiert. Das Unternehmen ist aus der ehemaligen Leichtmetallgießerei der Zeppelin-Werke hervorgegangen. Dort hat man vor allem für Luftschiffe leichte Komponenten aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen im Sandgießverfahren hergestellt. Heute ist das zum schweizerischen Georg-Fischer-Konzern gehörende Unternehmen auf das Sandgießen anspruchsvoller Fahrzeugkomponenten spezialisiert. Es werden neben Radlenkern auch Motor- und Getriebequerträger sowie Ansaugkrümmer für Verbrennungsmotoren gefertigt.
Roboter und Elektronik ersetzen den Menschen
Um diese in den für den Fahrzeugbau benötigten großen Serien wirtschaftlich herstellen zu können, haben die Aluminiumgießer in Friedrichshafen ihre Gießerei auf den modernsten Stand der Technik gebracht.
Nahezu sämtliche Arbeitsschritte laufen inzwischen mechanisiert oder automatisiert ab. Industrieroboter, elektronische Datenverarbeitung, automatische Prozesssteuerungen und Überwachungen übernehmen Aufgaben, die für das Personal bei der hohen Produktionsgeschwindigkeit zu anstrengend wären und die über einen langen Produktionszeitraum manuell nicht mit der notwendigen Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten wären. In seiner Konzeption zählt das Unternehmen in Friedrichshafen zu einer der modernsten Gießereien der Welt.Die prozesssichere Mechanisierung der Arbeitsabläufe beginnt bereits beim Einschmelzen des Aluminiumvormaterials und dem Einstellen der benötigten Legierungszusammensetzung. In gasbefeuerten Schmelzöfen werden Vorlegierungen aus Primäraluminium und exakt bemessene Mengen der erforderlichen Legierungselemente eingeschmolzen. Von jeder so genannten Schmelzcharge entnehmen die Mitarbeiter Proben für eine Analyse. Diese werden vor dem Gießen mit einem vollständig automatisierten Analysegerät geprüft.
Der Roboter bereitet die Probe vor. Der Rechner zeigt später auf einem Bildschirm und in gedruckten Protokollen die Legierungsbestandteile und den Zustand der Schmelze. Bei etwaigen Abweichungen werden die Legierung und die Schmelze gesperrt. Die Qualität aller Schmelzen wird dokumentiert und ist jederzeit rückverfolgbar.Die zum Ausbilden der Hohlräume in den Gussstücken erforderlichen Sandkerne produziert eine mit Industrierobotern arbeitende, vollständig automatisierte Kernschießanlage. Sie ist direkt über einen Förderer mit den kontinuierlich laufenden Form- und Gießanlagen verkettet. Roboter legen diese Sandkerne so genau in die Form ein, dass später Wanddicken von nur wenigen Millimetern in ganz engen Toleranzen eingehalten werden können. Nur durch die Gleichmäßigkeit der Mechanisierung lassen sich die engen Toleranzen beim anschließenden Gießprozess exakt einhalten.
Die geschlossenen Formen werden zum Gießen hydraulisch in 18 s messenden Zeitintervallen in den Arbeitsbereich der beiden Gießroboter geschoben. Diese Roboter haben die anspruchsvolle und belastende Arbeit des Gießers übernommen und gewährleisten die hohe Prozesssicherheit.Das Abkühlen der Gussstücke und die Reinigung vom Formsand laufen im 18-Sekunden-Takt abBeide Roboter gießen abwechselnd eine genau dosierte Aluminiumschmelze nach detailliert vorgegebenen Parametern in die Formen (Bild 3). Keramikfilter in den Gießsystemen stellen eine turbulenzfreie, laminare Strömung sicher.
Das vermeidet Lufteinschlüsse und eventuelle Fehler durch Oxidhäute im späteren Gussstück. In jeder Form befinden sich zwei spiegelbildliche Werkstücke, so dass alle 18 s in einem Arbeitsschritt ein rechter und ein linker Querlenker entstehen.Nach dem Abkühlen der Gussstücke auf Handlingtemperatur werden die Sandformen zerstört und die den Hohlraum bildenden Kerne sorgfältig entfernt. Diese Arbeitsgänge müssen in der verketteten Anlage ebenfalls im 18 Sekunden-Takt erledigt sein. Zum Entkernen der Gussstücke verfügt das Unternehmen über speziell entwickelte Hochfrequenz-Vibrationstische. Hydraulische Abgratpressen entfernen mit verschleißfesten Werkzeugen die Formteilungsgrate.
Das vom Gießzubehör befreite Gussstück wird von geschulten Mitarbeitern visuell geprüft. Das Personal kann dabei noch kleine Gratreste oder Sandreste entfernen. Nach dem Oberflächenreinigen durch Strahlen mit rostfreiem Stahlkies werden die Gussstücke in Systempaletten abgelegt. Diese sind so gestaltet, dass die Bauteile ebenfalls von Industrierobotern automatisch entnommen werden können. Als Sicherheitsbauteile werden alle Gussstücke geröntgt (Bild 4). Innerhalb weniger Sekunden nehmen die Kameras 20 bis 30 Durchleuchtungsbilder je Werkstück auf. Anhand einer automatischen Bildauswertung beurteilt die Steuerung der Röntgenanlage die Qualität der Gussteile nach jeweils vorgegebenen Qualitätskriterien.
Dazu gehören innere Fehlstellen wie Lufteinschlüsse und Auflockerungen. Nur bei erfolgreicher Prüfung gibt die Steuerung die Information an die Roboter zur Weiterverarbeitung der Gussstücke frei. Nach dem Röntgen werden die Gussstücke lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und ausgelagert. Das gewährleistet die gewünschten Eigenschaften der Bauteile.Produktionsschritte werden überwacht und protokolliertSämtliche Produktionsschritte in der Sandgießerei werden von den Steuerungen der Anlagen genauestens überwacht und protokolliert.Es werden alle einflussbestimmenden Parameter wie Schmelztemperatur, Wärmebehandlung, Röntgenprüfung und Maßkontrolle erfasst und entsprechend aufgezeichnet. Nur so ist gewährleistet, dass gerade die für Sicherheitsbauteile geforderten Qualitätskriterien ohne Ausnahmen eingehalten und garantiert werden können.Zunehmend reduzieren die Fahrzeughersteller ihre Fertigungstiefe für Komponenten. Damit verringern sie ihre Herstellkosten und die Durchlaufzeit. Um mit der Konzentration auf ihre Kernkompetenz, Fahrzeuge zu bauen, benötigen sie einbau- und montagefertige Bau-teile - oder auch komplette Systeme von Zulieferern.
Zu einem breiten Spektrum an Bearbeitungsanlagen und Montageeinrichtungen bei Georg Fischer in Friedrichshafen gehören deshalb auch die spanende Fertigung mit dem Auf- und Feinbohren der Aufnahmen für Lagerböcke, dem Fräsen von Schraubenauflagen und Anlageflächen sowie das Bohren von Gewinden und Einsetzen von Verschraubungen. Nach dem Einpressen verschiedenster Gummi-Metall-Elemente (Bild 5) stehen einbaufertige Fahrzeugkomponenten zur Verfügung.
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