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Leichtbau mit Gußeisen

Claas Guss setzt auf Entwicklungspartnerschaft
Leichtbau mit Gußeisen

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„Zeitgewinn, fertigungs- und werkstoffgerechte Konstruktion, prozeßsicher, kostengünstig“, so faßt Mirko J. Schulze, Konstruktionsberater bei der Claas Guss GmbH in Bielefeld, die Vorteile einer engen Zusammenarbeit zwischen der Entwicklungsabteilung eines Auftraggebers und der Gießerei als Zulieferer zusammen.

Je früher die Gießerei in die Produktentstehung einge- bunden wird, desto leichter läßt sich eine anforderungsadäquate Lösung finden. Ziel ist neben der Funktionsintegration, d.h. der Vereinigung möglichst vieler Funktionen in einem einzigen Bauteil, die Umsetzung der Vorteile der freien Formgebung durch das Gießen. Beide Ziele lassen sich durch parallele, rechnergestützte Entwicklungsprozesse beim Zulieferer der Einzelkomponenten und dem verantwortlichen Konstrukteur der Gesamtmaschine realisieren und erheblich beschleunigen.

Claas Guss besitzt drei Produktionsstätten, in Bielefeld, Gütersloh und Saulgau. Die Spezialität des Unternehmens ist schwieriger, kernintensiver Guß mit hoher Wiederholgenauigkeit. Die Abnehmer kommen aus den unterschiedlichsten Bereichen, von Landmaschinen über Antriebstechnik, Fahrzeugbedarf, Werkzeugmaschinen, Ölhydraulik bis zu Pumpen und Verdichtern.
Software für Hardware-Tuning
Zum handwerklichen Können und der guten Kenntnis des Werkstoffes Gußeisen ist in den letzten beiden Jahren eine anspruchsvolle, leistungsstarke Computer- und Softwareausstattung hinzugekommen: 3D-CAD-Konstruktion, Simulationsprogramm des Erstarrungsverhaltens, Rapid Prototyping-Tools. Standardisierte Schnittstellen garantieren die Durchgängigkeit der Daten innerhalb der Systeme und zum Kunden. Per ISDN-Datenleitung können Ergebnisse rasch übertragen und abgestimmt werden.
Rechnergestützte Simulationen und der Austausch der gewonnenen Informationen und Daten ermöglichen eine Entwicklungspartnerschaft zwischen Kunde und Gießer. Verbesserungspotentiale können frühzeitig erkannt werden und führen zu sofortigen Qualitätsverbesserungen der Produkte. Der Entwickler gewinnt damit deutlich an Zeit, sein Produkt wird schneller marktreif. Die Verkürzung der Entwicklungszeit und die gießgerechte Konstruktion führen zu Reduzierungen bei den Kosten des fertigen Bauteils. Damit werden Ansätze des Target Costings weiter entwickelt, die u.a. von der entscheidenden Beeinflussung der Produktkosten bei ihrer Festlegung während der Produktentwicklungsphase ausgehen.
Leichtbau
Das Thema betrifft konstruktive Lösungen, als auch grundsätzliche Fragen wie die Werkstoffbewertung und -auswahl. Durch die konstruktive Zusammenarbeit entstehen sogar Ansätze für den Leichtbau, ein Punkt, der in Verbindung mit Eisen zunächst überraschend klingt.
„Leichtbau“ wird bei Claas Guss als der geschickte, phantasievolle Umgang mit dem Konstruktionsmaterial Gußeisen zur Lösung von technischen Problemen verstanden. Deshalb kann die umsichtige Nutzung der Materialeigenschaften zur Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil aus Gußeisen und damit zu einer vergleichsweise leichten Konstruktion führen. Für den Konstrukteur ist die Kenntnis der Vorteile und Besonderheiten der Gußeisenwerkstoffe unabdingbare Vorausetzung. Darüber hinaus ist ein Denken in Baugruppen erforderlich, um auf Optimierungs- und Integrationspotentiale aufmerksam zu werden.
Für den Werkstoff Eisenguß sprechen unter anderem die hohe Festigkeit und Steifheit des Werkstoffes, sie erlauben dünne Wandstärken. Eisen ist leicht zu bearbeiten und hat eine gute Schwingungsdämpfung, es kann gut gehärtet werden und hat gute Eigenschaften bei hohen Temperaturen, und – es ist preisgünstig (im Vergleich zu anderen Gußwerkstoffen).
Gemeinsame Entwicklungen
So wurde durch Unterstützung von Claas Guss bei einem Kunden eine Lenkerkonstruktion, ausgeführt als Stahl-Schweiß-Konstruktion und aus 14 Einzelteilen bestehend, durch ein einziges Gußteil substituiert. Damit wurde die Fertigungstiefe verringert und die Zwischenlagerung der zu verbindenden Einzelteile entfiel. Durch die Beseitigung der Gefahr einer Tribokorrossion durch Mikrobewegungen zwischen Bolzen und Lager wurde außerdem ein wesentlicher technischer Fortschritt erzielt.
In Großdieselmotoren (Lkw, Schiffe, Energiegewinnung) treten Temperaturwechselbelastungen bis 800°C in den Abgaskrümmern auf. Nach eingehenden Beratungsgesprächen konnte auch in diesem Fall eine technische Lösung gefunden werden. Dabei entschied man sich für den Einsatz eines Gußeisenmaterials, das durch die Zugabe von speziellen Legierungselementen eine beträchtliche Steigerung der Warmfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit erfährt. Anhand einer in der Entwicklungsphase durchgeführten Formfüll- und Erstarrungssimulation konnte Claas Guss entscheidende Hinweise zur Konstruktionsänderung geben, um der Ausbildung von konstruktionsbedingten Eigenspannungen entgegenzuwirken.
In der letzten Phase der Entwicklung des Stadtflitzers Smart wurde Claas Guss ebenfalls eingeschaltet. Zusammen mit dem Porsche Design-Center und dem Daimler Benz Werk in Hamburg wurde ein Achsquerträger für die Vorderachse in extrem kurzer Zeit zum einbaufertigen Gußteil entwickelt. Dabei wurden die 3D-Datensätze oft mehrmals täglich zwischen den beteiligten Standorten hin- und hergeschickt. Die gemeinsame Entwicklung führte nur zwei Monate nach der ersten Kontaktaufnahme zur Serienfertigung.
Numerische Simulation
3D-CAD-Konstruktion und rechnerunterstützte Simulation und Visualisierung sowie der Einsatz von Rapid Prototyping sind Grundlagen zeitgemäßer Produktentwicklung. Die Simulation des Formfüllungs- und Erstarrungsprozesses verschafft dem Konstrukteur des Kunden neben einem Überblick über die Besonderheiten verschiedener gießtechnischer Möglichkeiten auch Aussagen über Gießbarkeit und Erstarrungsverhalten.
Die dafür eingesetzten Programme nutzen vorhandene Geometrieinformationen aus dem 3D-CAD-Programm. Im CAD-Bereich wird das System Unigraphics eingesetzt, das über genormte Schnittstellen (IGES und VDA-FS, bei Bedarf kann mit STEP konvertiert werden) verfügt.
Zunächst werden die erforderlichen Geometrieinformationen erzeugt und nach der Beschreibung der prozeßgesteuerten Randbedingungen erfolgt die gießtechnische Überprüfung. Zur Gießprozeßsimulation wird das Programmpaket MAGMAsoft verwendet.
Die Software in der Prozeßkette 3D-CAD – Simulation – Rapid Prototyping ist so aufeinander abgestimmt, daß bei Konstruktionsänderungen am Bildschirm alle verbundenen Konstruktionsdaten automatisch mitgeändert werden. Änderung der Zeichnungen, notwendige Anpassungen von Formen und Kernen, wenn notwendig erneute Simulationen oder direkte Erzeugung der geänderten Modelle sind somit in wesentlich kürzeren Zeitschritten möglich. Früher übliche trial-and-error-Verfahren, bei denen man ganz wörtlich ziemlich viel (Geld) in den Gießerei-Sand setzte, werden deutlich verkürzt, langwierige Produktentwicklungszeiten reduziert und hohe Bauteilkosten vermieden.
Rapid Prototyping
Als nächster Entwicklungsschritt folgt üblicherweise bei Neuentwicklungen die Herstellung von Prototypen. Im traditionellen Entwicklungsprozeß dauert dieser Vorgang vier bis sechs Wochen, mit Rapid Prototyping läßt sich dieser Zeitraum unter günstigen Voraussetzungen auf eine Woche verkürzen.
Auf Basis des 3D-CAD-Datensatzes können Modelle und Prototypen erzeugt werden. Dazu stehen je nach Zweck des Prototypen verschiedene Methoden zur Auswahl, das Selektive Laser Sintern (SLS) oder das Laminated Object Manufacturing (LOM). Die so hergestellten Formen und Kerne können mit allen gebräuchlichen Gußwerkstoffen abgegossen werden. Die Gußteile entsprechen aufgrund der verwendeten Form- und Werkstoffe exakt den späteren Serienbauteilen.
Wie schnell Rapid Prototyping gehen kann, zeigt der von Claas Guss realisierte Auftrag eines Automobilbauers: Am Montag um 10 Uhr schickte der Kunde die Daten zu Claas Guss, bis zum frühen Nachmittag wurde auf Grundlage dieser Daten ein Angebot erstellt. Nach der Auftragserteilung noch am Montag wurden alle erforderlichen Schritte zum Bau der abgießfähigen Formen unternommen, am Mittwoch nachmittag wurden die Teile gefertigt, um 9.30 Uhr am Donnerstag waren sie beim Kunden. Schulze betont, daß solche Leistungen, neben der Erfüllung anderer Randbedingungen, vor allem von der Qualität der vom Kunden gelieferten CAD-Daten abhängig sind.
Zukunft Entwicklungspartner
Winfried Hespers, Geschäftsführer von Claas Guss, bezeichnet Investitionen für Soft- und Hardware und in das Know-how der Mitarbeiter als notwendig für den Fortbe-stand des Unternehmens. Sein oberstes Anliegen ist, die Gießereien des Unternehmens auszulasten. Dazu ist Beratungs(dienst)leistung nötig, um den Kunden die Vorteile des Gießens anschaulich machen zu können und die Möglichkeiten des Werkstoffes voll auszuschöpfen. Die Kompetenz des Gießers ergänzt die des Konstrukteurs, das Kunden-Lieferanten-Verhältnis entwickelt sich zur Partnerschaft. (sl)
Claas Guss GmbH, Dr. Ulf Schliephake, 33609 Bielefeld
Das Unternehmen
Die Claas Guss GmbH hat drei Produktionsstätten, die Ravensberger Eisenhütte in Bielefeld, die Christophorushütte in Gütersloh und die Saulgauer Eisenhütte in Saulgau. Hergestellt wird maschinen- und handgeformter Grau- und Sphäroguß, Gußeisen mit Lamellengraphit (EN-GJL-150 bis 300) und Gußeisen mit Kugelgraphit (EN-GJS-350-22 bis 700-2).
Die Jahresproduktion beträgt 25.000 t. Flexibilität und Know-how sind bei Claas Guss vorhanden, denn die 85 Mio. DM Jahresumsatz 1998 setzen sich aus 12.000 Einzelaufträgen mit 4.000 Modellen zusammen, überwiegend aus kleineren und mittleren Serien, bei insgesamt 3,5 Mio. Abgüssen pro Jahr.
Das Unternehmen hat einen Kupolofen- und zwei Mittelfrequenzschmelzbetriebe mit rechnergestützten Gattierungen, drei vollautomatische Formanlagen (0,5 bis 120 kg Stückgewicht), eine teilmechanisierte Handformerei (bis 8.000 kg), 25 Kernschießmaschinen sowie entsprechende Nachbereitungseinheiten. An den drei Standorten arbeiten 370 Mitarbeiter.
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