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Umformtechnik Neue Fertigungsstrategien für den Schiffbau

| Autor: Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Die Anforderungen an Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit von Schiffskomponenten sind hoch. Auch ökologische Aspekte rücken bei der Fertigung immer mehr in den Fokus. Wissenschaftler widmen sich dieser Thematik in verschiedenen Forschungsprojekten.

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Die Versuchsanlage zur umformbasierten Herstellung von Schiffsgetriebe-Hohlwellen umfasst neben der eigentlichen Umformmaschine zum Bohrungsdrücken auch eine leistungsfähige Induktionsanlage zur Erwärmung der Großwellen sowie die notwendigen Handling- und Sicherheitseinrichtungen.
Die Versuchsanlage zur umformbasierten Herstellung von Schiffsgetriebe-Hohlwellen umfasst neben der eigentlichen Umformmaschine zum Bohrungsdrücken auch eine leistungsfähige Induktionsanlage zur Erwärmung der Großwellen sowie die notwendigen Handling- und Sicherheitseinrichtungen.
(Bild: Fraunhofer-IWU)
  • Der Schiffbau als wichtiger Wirtschaftszweig erfordert neue Prozessketten, die die Verlässlichkeit der Komponenten sicherstellen und CO2-Emissionen senken.
  • Ein erfolgreicher Lösungsansatz für den Leichtbau im Schiffbau liegt im Einsatz spezieller, hybrider Werkstoffverbunde.
  • Mithilfe von Simulationssoftware können geeignete Strategien entwickelt werden, um den Umformprozess von hybriden Werkstoffverbunden realitätsnah abzubilden und zu optimieren.

Deutsche Reedereien besaßen nach Aussage der Bundesregierung am 30. November 2018 rund 2150 Handelsschiffe und etwa 60 % der Warenexporte Deutschlands erfolgen über den See- oder Wasserweg. Der Schiffsverkehr ist also eine wichtige Wirtschaftssäule. Umso wichtiger sind Ressourceneffizienz und ökologische Aspekte bei der Herstellung von Schiffskomponenten. Neue Emissionsvorschriften für Hochseeschiffe fordern zudem, dass der Schadstoffausstoß drastisch gesenkt werden muss. Erreichen lässt sich dies zum Beispiel durch höhere Brennraumtemperaturen für eine verbesserte Verbrennung. Die Folge ist allerdings eine extreme thermische, dynamische und korrosive Belastung von Motorenkomponenten wie Kolben oder Ventilen.

Ein um 40 % verlängerter Lebensdauerzyklus hochbeanspruchter Komponenten von Schiffsdieselmotoren war Ziel des Verbundprojekts Inkov (Entwicklung innovativer Kolben- und Ventillösungen mit Werkstoffverbunden in Schiffsmotoren), welches durch das BMWi gefördert wurde. Gleichzeitig sollte die Ressourceneffizienz bei der Herstellung der Bauteile erhöht werden.

Koordiniert wurde das Projekt durch die Gesenkschmiede Schneider GmbH Aalen. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) war für die Entwicklung von hybriden Werkstoffverbunden für Kolben- und Ventilanwendungen, zum Beispiel unter Anwendung von Nickel-Basis-Legierungen, in thermisch hoch belasteten Schiffsmotoren sowie für deren umformtechnische Verarbeitung verantwortlich.

Die MET Motoren- und Energietechnik GmbH fokussierte auf neue Auslegungs- und Dimensionierungsverfahren sowie Fertigungstechnologien für Schiffsmotorenkolben. Das Aufgabenfeld der WTZ Roßlau gGmbH umfasste letztendlich die Entwicklung von Prüfverfahren und -vorschriften zur Qualitätssicherung des Herstellungsprozesses von Schiffsmotorenkomponenten aus hybriden Werkstoffen.

Lösungsansatz liegt im Einsatz hybrider Werkstoffe

„Das Kernthema des IWU-Teilprojekts bestand in der Entwicklung dynamisch und thermisch hoch belastbarer Motorbauteile durch den Einsatz spezieller, hybrider Werkstoffverbunde. Diese sollten den Anforderungen künftiger Großmotorengenerationen gerecht werden“, fasst André Wagner, Abteilungsleiter Warmmassivumformung und Projektleiter, den IWU-Part zusammen. Das Fraunhofer-IWU entwickelte innerhalb des Teilprojektes die gesamte Herstellungstechnologie sowie die dazugehörigen Prozesskettenmodelle zur Realisierung und Umformung der hybriden Werkstoffverbunde, beginnend bei der Auswahl geeigneter Sonderlegierungen und deren Kombination mit den entsprechenden Grundwerkstoffen.

Dabei wurden verschiedene Fügeverfahren untersucht und beurteilt. „Wir konnten feststellen, dass hybride Verbunde bei Beachtung aller erforderlichen technologischen Prozessparameter beim Auftragschweißen der Erwärmungsstrategie vor der Umformung, beim Schmiedeprozess selbst und der definierten Wärmenachbehandlung, entsprechend dem zukünftigen Anforderungsprofil für Bauteile in Großmotoren herstellbar sind“, sagt Wagner.

Des Weiteren konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Umformsimulation ein vielseitiges Werkzeug zur grundlegenden Analyse der Verhältnisse im Verbund darstellt. So lassen sich Stellen kritischer Beanspruchung und Belastungen bestimmen und mögliche Versagensbereiche identifizieren. „Mithilfe der Simulationssoftware konnte eine geeignete Strategie entwickelt werden, um den Umformprozess von hybriden Werkstoffverbunden realitätsnah abzubilden und zu optimieren“, so Wagner weiter.

Die Ergebnisse des Verbundprojektes wurden im August 2016 veröffentlicht. Auch unter deren Berücksichtigung wurde bereits in der Inkov-Abschlussphase begonnen, ein Nachfolgeprojekt vorzubereiten, das im September 2017 starten konnte. Das Folgeprojekt (Innovative Brennraumkomponenten für Großmotoren im maritimen Bereich), das ebenfalls vom BMWi gefördert wird, baut auf den Inkov-Ergebnissen auf und adressiert Themen wie innovative Verfahrenskombinationen und Leichtbau.

Das IWU ist dabei für die simulationsgestützte Entwicklung von Prozessketten für die Herstellung der Brennraumkomponenten verantwortlich. Basierend auf einer Kombination der Fertigungsverfahren Gießen und Schmieden besteht die Zielstellung darin, Leichtbau-Kolbenunterteile herzustellen. Diese sollen dann mithilfe eines neu zu entwickelnden Reibschweißprozesses mit hybriden Kolbenoberteilen stoffschlüssig zu einem monolithischen Gesamtkolben verbunden werden. Insbesondere Großmotorenhersteller sind hier als Anwender der Ergebnisse zu nennen, da die Reedereien aufgrund der gesetzlichen Randbedingungen gefordert sind, derartige Innovationen zeitnah in die Praxis umzusetzen.

Umformbasierte Herstellung von Schiffsgetriebehohlwellen

Neben den Schiffsdieselmotoren haben die Wissenschaftler des IWU auch andere Schiffskomponenten im Blick. Im Rahmen des Verbundprojektes Marget, ebenfalls durch das BMWi gefördert, entwickeln sie gemeinsam mit der Westsächsischen Hochschule Zwickau, der Siemens AG und der Dreiling Maschinenbau GmbH eine vollkommen neue Prozesskette zur umformbasierten Herstellung von Schiffsgetriebe-Hohlwellen mit einem Stückgewicht von bis zu 3300 kg.

Das Hauptaugenmerk des IWU liegt hier auf einem Fertigungskonzept, das auf dem Bohrungsdrücken basiert. „Das Projekt ist sehr komplex. Neben der Entwicklung der Technologie besteht eine weitere Herausforderung in der Realisierung einer entsprechenden Versuchsumformanlage zur Technologieumsetzung“, so Projektleiter Mike Popp. Diese Anlage umfasst neben der eigentlichen Umformmaschine zum Bohrungsdrücken auch eine innovative, leistungsfähige Induktionsanlage zur Erwärmung der Großwellen sowie die notwendigen Handling- und Sicherheitseinrichtungen. Schwerpunkte der letzten Projektphase sind derzeit die Inbetriebnahme der Anlage sowie die Durchführung erster technologischer Untersuchungen.

* Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde ist Fachredakteurin in 99094 Erfurt, Tel. (03 61) 78 94 46 95, info@bose-munde.de, www.bose-munde.de

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