Erfahrungsbericht WIAP MEMV 2019
|
Erfahrungsbericht WIAP MEMV – Stand: Januar 2019
Metall entspannen mit Vibration
MEMV = Metall entspannen mit Vibration oder kurz: Entspannen mit Vibration
Inhaltsverzeichnis
Kapitel 1. Einführung Kapitel 2. WIAP DM3S: Maschine mit MEMV behandelten Bauteilen Kapitel 3. Selbst Schwerlast-Bauteile wirkungsvoll anregen und entspannen Kapitel 4. Aktuelles Forschungsprojekt Kapitel 5. Patent erhalten Ende 2018 – aktueller Stand Kapitel 6. MEMV behandelte 12-m-Rohre inklusive Totpunkte- Ermittlung Kapitel 7. Vibrieren von Kunststoff – eine Alternative zum Tempern? Kapitel 8. Kaltgezogenes Material vor dem Härten vibrieren – Verzugsuntersuchungen Kapitel 9. Erklärung spezifischer Begriffe Kapitel 10. Zusammenfassung und Schlusswort
Kapitel 1: Einführung
Die WIAP AG pflegt seit Jahrzehnten einen hervorragenden Kontakt zu technischen Einrichtungen, insbesondere ist hierbei auch unser alter Bekannter Herr Professor zu nennen. Der Kontakt umfasst den gegenseitigen Austausch von Informationen, gemeinsame Verbesserungen oder auch die Vermittlung zu Kunden, bei denen Studenten ihre Diplomarbeiten durchführen. Die Zusammenarbeit mit dem Professor ist nach wie vor hochaktiv. Zum aktuell erfolgreich durchgeführten Test mit dem PSI, Paul Scherrer Institut, Villigen/CH (siehe Kapitel 4) lautete seine Aussage: „Das ist logisch“. Da er in Fachhochschulen und auch an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich, Metallurgie unterrichtet, gehört er zu einer anerkannten Kapazität auf seinen Gebieten. Die Technologie „Metall entspannen mit Vibration“ bietet seiner Meinung nach gegenüber dem „Spannungsarmglühen“ zahlreiche Vorteile. Beispielsweise würde eine Schweissnaht durch das Spannungsarmglühen bis zu 60% an Festigkeit verlieren – das lässt sich beim Einsatz des MEMV-Verfahrens vermeiden.
Bild 1. Ausschnitt eines 60-Tonnen-Bauteils mit insgesamt 35 Schweissnähten: Nach dem Spannungsarmglühen können Schweissnähte bis zu 60% ihrer Festigkeit verlieren.
Seit 2014 beschäftigt sich die WIAP AG noch intensiver mit dem Thema MEMV als bereits viele Jahre vorher schon. Hunderte von zusätzlichen Stunden unter anderem mit detailreichen Untersuchungen sicherten immer mehr die Erkenntnis ab, dass das Metall entspannen mit Vibration nicht nur eine einfache alternative Technologie zu einigen Bereichen darstellt. Vielmehr ist es oft die deutlich bessere Lösung und empfiehlt sich dementsprechend sogar zur Substitution vorhandener Verfahren. Das trifft in besonderer Weise auf das Spannungsarmglühen zu. In diesem Umfeld sind beispielsweise enorme Energieeinsparungen möglich, der technische Aufwand ist deutlich geringer und sowohl das Aufweichen der Schweissnaht als auch ein Verzug des Bauteils werden vermieden. Unternehmen, die dieses einzigartige Verfahren anwenden, können enorme wirtschaftliche Vorteile erzielen.
Die Jahre 2017 und 2018 sorgten wiederum für weitere Erkenntnisse zum Thema Metall entspannen mit Vibration. Nichtsdestotrotz gilt es, zusätzliche Antworten zu finden und Prozesse weiter zu optimieren. Das Thema ist insgesamt weiterhin komplex und offene Fragen gilt es gesichert zu klären, auch in Zusammenarbeiten mit Forschungslaboren. Fehler im Ablauf oder Ausreisser können z.B. die Prozessunsicherheit erhöhen. Aus diesem Grund strebt die WIAP AG bereits seit längerer Zeit die Normierung dieser Art der Technologie an. Zurzeit gibt es auf dem Weg dorthin jedoch noch eine deutliche Herausforderung: Patente stören eine Normierung!
Kapitel 2: WIAP DM3S: Maschine mit MEMV behandelten Bauteilen
Im Auftrag eines Schweizer Bundesbetriebes baute die WIAP AG eine neue Maschine. Innerhalb des Projektes wurden zahlreiche Bauteile mit Vibration entspannt.
Bild 2. Maschinenbett der neuen Schäl- und Rolliermaschine WIAP DM3S
Bild 3. Zwei zusammengespannte Spindelstöcke beim Vibrationsentspannen.
Bild 4. Der X-Z-Kreuzschlitten beim Vibrationsentspannen.
Bild 5. Fertiggestellte WIAP DM3S mit circa acht Tonnen Maschinengewicht (vorne: Sven Widmer)
Kapitel 3. Selbst Schwerlast-Bauteile wirkungsvoll anregen und entspannen
Im Jahr 2018 nahm die WIAP AG die Herausforderung an und entspannte erstmalig sowohl ein 60-Tonnen- als auch 110-Tonnen-Bauteil mithilfe der Vibrationstechnologie. Dieses Projekt sorgte für weitere entscheidende Erkenntnisse, mit denen sich künftig zusätzliche Analysen durchführen lassen.
Bild 6. Ein Kran hebt das 60-Tonnen-Bauteil und platziert es auf einer Gummi-Unterlage, um beim Vibrieren keine Anregungen in die Halle zu übertragen.
Bild 7. Keine Fotomontage: Sven Widmer neben dem massiven Bauteil, das trotz der enormen Dimensionen problemlos in eine grosse Anregung versetzt werden konnte.
Bild 8. Der Anreger musste mit 24 Tonnen am Bauteil festgeklemmt werden.
Bild 9. 120-Tonnen-Bauteil in der Vorbereitungsphase vor dem MEMV entspannen: Auch dieses Bauteil wurde auf Gummi-Unterlagen gestellt und der Anreger mit 24 Tonnen Kraft am Bauteil befestigt.
Bild 10. Jim Widmer beim 120-Tonnen-Bauteil, um im Innenraum den Anreger zu befestigen.
Bild 11. Innerhalb kürzester Zeit konnte das 120-Tonnen-Bauteil mit einer permanenten fixen Schwingung an diversen, speziell lokalisierten Zonen angeregt werden. Das ist nur mit robuster Spannung und einem kräftigen Anreger möglich. Dieses Grossbauteilprojekt zeigte auf, wie enorm ein leistungsfähiges Vibrationsgerät auf Bauteile einwirken kann.
Kapitel 4: Aktuelles Forschungsprojekt
Bereits seit längerer Zeit befindet sich die WIAP AG mit der Fachhoch-schule Windisch in engerem Kontakt. Aktuell wurde von dort eine Untersuchung beim Paul Scherrer Institut (PSI) in Auftrag gegeben – dem grössten von der öffentlichen Hand geförderten Energieforschungszentrum der Schweiz. Im Oktober 2018 starteten in Villigen die Messungen für insgesamt rund eine Woche.
Die umfangreichen Tests zeigten auf: Mit dem Vibrationsentspannen bleibt die Härte einer Schweissnaht unverändert! Die Messungen sorgen für wichtige Erkenntnisse und helfen, die Einflussfaktoren besser zu erklären. Es erfolgt eine Atomgitterverschiebung lediglich in 2 Achsen, nicht in der 3. Achse! Aufgrund dessen bleibt die Härte sowohl beim vibrierten als auch ungeglühten Testteil identisch. Fachspezialisten wissen, dass hingegen das Spannungsarmglühen die Festigkeit einer Schweissnaht um bis zu 60% reduzieren kann. Diese Tatsache führt in der Praxis zu einem bedeutenden Mehraufwand. Um dasselbe Resultat zu erreichen wie bei ungeglühten Schweisskonstruktionen, sollten Schweissnähte, die anschließend mit einem Glühverfahren behandelt werden, wesentlich dicker ausgelegt sein.
Bild 12. Poldi-Messungen – Ablauferklärung: Bei 90° Aufprallwinkel bleibt der Abprall der Neutronen unverändert. Liegt der Winkel oberhalb oder unterhalb von 90°, ergeben sich Dehnungen bzw. Stauchungen sowie messbare Spannungen.
Bild 13: Testbauteil
Bild 14: Poldi-Messung im Paul Scherrer Institut (PSI), Villigen, am 24. Oktober 2018: Metall entspannen mit Vibration (MEMV) – Messtest eines geglühten Teils.
Bild 15. Drei Testwerkstücke in direktem Vergleich: geglühtes, ungeglühtes und MEMV vibriertes Bauteil.
Bild 16. Schematische Darstellung eines typischen Bauteils mit Schweissnaht zur Untersuchung
Die Durchführung der Poldi-Messungen geschieht wie folgt: Ab Mitte der Schweissnaht wird alle 5 mm die Achse weiter verschoben. Anschließend werden mit 50.000 Impulsen pro Messpunkt die Unterschiede im Bauteil ermittelt, d.h. 10 mm in Minus-Richtung und 35 mm in Plusrichtung erfolgt alle 5 mm eine Messung. Insgesamt dauerte ein Messdurchlauf circa 8 Stunden.
Bild 17. Dick isolierter Messraum für zuverlässige Ergebnisse.
Bild 18. Das Prüfsystem kann bis zu 15 mm Wanddicke messen.
|
Bild 19. Innovative Messsystemlösung Poldi
Bild 20. Alle WIAP MEMV entspannten Richtungen werden aufgezeigt.
Bild 21. Ein Mitarbeiter der WIAP AG holt die Bauteile nach Durchführung des Projektes wieder im Forschungslabor PSI ab.
Kapitel 5. Patent erhalten Ende 2018 – aktueller Stand
Die WIAP AG erhielt im Dezember 2018 ihr Patent, das im Jahr 2014 eingereicht wurde. In früheren Jahren ist ebenfalls schon ein Patent für die Schweiz und Deutschland erteilt worden, in dem das Vibrationsentspannen ein Mitbestandteil war. Einige Normungsbüros vertraten die Meinung, wir sollten diese Patente eher wieder zurückziehen. Zu den Hauptbegründungen zählte, es würde sonst erheblich schwieriger sein, ein Verfahren normiert zu bekommen.
Bild 22. Neue Patentschrift aus dem Jahr 2018
Kapitel 6: MEMV behandelte 12-m-Rohre inklusive Totpunkte-Ermittlung
Die WIAP AG führte auch 2018 wieder Tests durch, z.B. um bei langen Rohren von bis zu 12 m Länge (Wanddicke circa 16 mm) sogenannte Totpunkte zu ermitteln. Einige verwenden auch den Begriff Knotenpunkte. Insgesamt vier Totpunkte konnten bestimmt werden – unabhängig von den eingesetzten Gummi-Unterlagen oder der Achsdrehung der Anreger. Diese wertvollen Erkenntnisse bewegen die WIAP AG dazu, das Thema künftig noch deutlich intensiver zu untersuchen.
Bild 23. Insgesamt 18 solcher 12-m-Rohre werden in einem Österreicher Betrieb mit dem WIAP MEMV-Verfahren behandelt.
Bild 24. Die aktuellen Messungen zeigten eine Charakteristik der Bauteile auf, die bis dato nicht bis ins Detail erkennbar war. Erst die Tests mit intensiven Vermessungen unter Einsatz unserer neuen innovativen G-Verschiebungs-erkennung (Ausstreuen von Schlacke) legten offen: Jedes Bauteil hat jeweils vier Totpunkte. Dies galt für alle 18 untersuchten Bauteile; das Verhalten war in vollständiger Übereinstimmung identisch. Jedes Bauteil verfügte genau bei 1200 mm, 4000 mm, 8000 mm und 11.000 mm über einen Totpunkt.
Ungeachtet dessen, ob fünf oder zehn Gummi-Unterlagen unter dem Bauteil zur Anwendung kamen oder die Achsen um 0° oder 45° ausgerichtet waren: Der Totpunkt blieb am selben Ort! Diese Feststellung führt dazu, künftig weitere Messungen und neue Anregungsmethoden zu untersuchen. Ziel ist die Beantwortung der Fragen: Kann ein Totpunkt verschoben werden? Und wenn ja: wie? Als interessant ist vor allem die Situation anzusehen, falls eine Anreger-Anlage exakt auf dem Totpunkt platziert werden sollte. In diesem Fall lässt sich selbst mit der grössten Exzenter-Stufe fast keine G-Anregung herbeiführen. Demzufolge ist das Thema beispielsweise wichtig, um das Verfahren Metall entspannen mit Vibration prozesssicher durchführen zu können.
Bild 25. Bei allen vier Totpunkten des 12-m-Bauteils rotiert der Zunder in unterschiedlichen Drehrichtungen, je nach Position. Die Situation bleibt konstant und ändert sich nicht.
Kapitel 7: Vibrieren von Kunststoff – eine Alternative zum Tempern?
Ein Kunststoffhersteller trat mit uns aufgrund folgender Problematik in Verbindung, dass der Betrieb bestimmte Kunststoffe immer wieder tempern muss. Das Tempern von Kunststoff verfolgt insbesondere das Ziel, innere Spannungen im Bauteil abzubauen. Die Frage lautete, ob sich dieses Verfahren durch das Vibrieren ersetzen lässt. Aufgrund dessen liefen im Jahr 2018 zwei verschiedene Testreihen. Vorläufiges Ergebnis: Bei vier mit verschiedenen MEMV-Arten untersuchten Bauteilen zeigten zwei Werkstücke gute Resultate. Aufgrund dieser positiven Ergebnisse befindet sich das Thema „Vibrieren von Kunststoff“ zurzeit in einem weiteren Untersuchungsprozess.
Bild 26. Eine exzellente Aufspannung ist entscheidend, um aussagekräftige Messungen zu erhalten. Hier ist der Kunststoff zwischen einer Ober- und einer Unterplatte befestigt.
Bild 27. Bei dem Test wurde die Wellenart um 90° versetzt, um in einer Aufspannung sowohl die X- als auch die Z-Achse von einer Position aus mit der gesamten Energie anzuregen. Die Y-Achse bleibt dabei unangetastet.
Um einen praxisnahen Bezug herzustellen, finden sich nachfolgend einige Original-Aussagen eines Kunststoffspezialisten:
„Tempern Sie Kunststoff nur in einem temperaturgeregelten Umluftofen. Die Temper-Temperatur muss unterhalb des materialspezifischen Erweichungs-/Schmelzpunkts liegen. Während des Temperns ist die Temperatur möglichst konstant zu halten und für eine allseitige Luftzirkulation innerhalb des Ofens zu sorgen. Wichtig für den Erfolg des Temperns von Kunststoff ist eine langsame, gleichmäßige Temperaturerhöhung und das konstante Halten der Temperatur über einen vergleichsweise langen Zeitraum. Entscheidend für den Erfolg des Temperns ist zudem eine sehr langsame, gleichmäßige Abkühlung.“
Im Herbst 2018 führte die WIAP AG bei einem Kunststoffhersteller – einem Konzern mit rund 10.000 Mitarbeitern –zwei Versuche mit MEMV-Behandlungen durch. Dabei blieb bisher offen, ob das Vibrationsentspannen eine technische Alternative zum Tempern darstellen kann. Aufgrund einiger positiver Erkenntnisse wagen wir aber bereits jetzt die Prognose: Bei korrekter Anwendung kann es eine entsprechende Alternative sein. Dazu sind jedoch zunächst weiterführende Untersuchungen notwendig, um gesichert zum gewünschten Ergebnis zu gelangen.
Kapitel 8: Kaltgezogenes Material vor dem Härten vibrieren – Verzugsuntersuchungen
Beim Entwurf und der anschließenden Fertigung unserer aktuellen WIAP-Maschine stand fest: Es kommen wieder die bewährten Führungen aus C45 wie bei den älteren Maschinen WIAP DM2 und DM4 zum Einsatz. Die neue DM3S verfügt jetzt allerdings über Führungen mit den Abmessungen 40 mm x 70 mm. In der Vergangenheit wurde stets Rohmaterial mit einem definierten Aufmass eingekauft. Nachfolgend wurde das Material auf Vormass gehobelt oder gefräst, anschliessend gehärtet und dann bis zum Fertigmass geschliffen. Abschliessend folgten die Bohrungen inklusive Gewinde für die Führungen.
Beim aktuellen Projekt lief der Prozess anders ab: Das Rohmaterial für die Führungsschienen wurde im Fertigmass bestellt. Anschliessend wurden einige Teil vibriert, die anderen Teile blieben unbehandelt. Während des Fertigschleifprozesses erfolgten Messung, um die Unterschiede aufzudecken und zu erkennen, welche Ergebnisse sich mit dem Einsatz des WIAP MEMV-Systems erzielen lassen. Das Resultat war interessant und vielversprechend. Kurzum: Die WIAP AG wird künftig keine Führungen mehr vorbearbeiteten – der Verzug war äußerst gering.
Bild 28. In mehreren Achsrichtungen MEMV behandeltes Material, um alle Zonen sicher zu erreichen.
Bild 29. Die WIAP AG gab einen Spezial-Abstreifer in Auftrag, um als Lösung eine ideale Führungsabstreifung mit Untermass zu erhalten. Erreicht wurden 0,5 mm Untermass. Die Führungen mit 39,5 mm und 69,5 mm gingen in Serie. Die Führung bleibt auf der unteren Fläche, wo sie angeschraubt wird, ungehärtet. Im Abstand von 100 mm werden hier M14-Gewinde eingebracht.
Bild 30. Das Verfahren Metall entspannen mit Vibration lässt sich oft mit vergleichsweise geringem Aufwand an zahlreichen Bauteilen einsetzen.
Kapitel 9: Erklärung spezifischer Begriffe
Die WIAP AG beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem Thema „Metall entspannen mit Vibration“. Aufgrund der spezifischen Technologie sind dabei hin und wieder Begriffe zu wählen, die manchen Interessierten weniger bekannt sein dürften. Nachfolgend gibt es zu einigen Begriffen die entsprechende kurze Erläuterung.
G-Verschiebung: Führt die WIAP AG eine Messung durch, wird zu Prozessbeginn an einem definierten Punkt gemessen. Wenige Minuten später erfolgt erneut eine Messung, um die Differenz bzw. Verschiebung des Punktes zur Ausgangsstelle zu ermitteln. Seit 2014 messen wir nicht nur an einem Punkt, sondern an circa 16 bis 24 Messstellen eines Bauteils und bestimmen so präzise die G-Verschiebung.
Totpunkt: Jedes grössere Bauteil verfügt über bestimmte Zonen, die sich schwingungsneutral verhalten. Ob dies exakt der Treffpunkt ist, wo sich Anregungen neutralisieren, bleibt noch zu klären. Tatsache ist hingegen, dass ein Bauteil mehrere solcher Zonen hat (siehe Kapitel 6). Diese Zonen nennen wir bisher Totpunkte. In einigen Literaturstellen findet sich auch der Begriff „Knotenpunkte“. Aktuell ist noch ungeklärt, ob beide Begriffe dasselbe Phänomen beschreiben. Da wir mit unterschiedlichen Anreger-Methoden respektive -Richtungen arbeiten, verwenden wir selbst den Begriff Totpunkt. Damit soll nach außen hin verdeutlicht werden, dass der Begriff mit dem Verfahren „Metall entspannen mit Vibration“ zusammenhängt.
Anregen/Anbewegen: Ein Vibrator bringt mithilfe von Rotation eine Energie ins Bauteil.
Achsrichtung 0°: Die Nullgrad-Achse ist immer die Längsachse eines Bauteils.
Achsrichtungen 45°: Schräggestellte Achsrichtung, welche stets die X-, Y- und Z-Achse antastet – bei nur einer Anregung
Achsrichtungen 90°: Achsrichtung, welche nur die X- und die Y-Achse antastet, nicht aber die Z-Richtung
Achsrichtungen 135°: Schräggestellte Achsrichtung, welche stets die X-, Y- und Z-Achse antastet – bei nur einer Anregung. Durch den Versatz gegenüber Achsrichtungen mit 45° gelangen diese Anregungen in andere Winkelzonen als bei einer 45°-Position. Die Anregungsart ist ergänzend zu wählen, insbesondere bei komplexeren Konstruktionen.
Horizontale Anordnung der Achsrichtung: Aufspannart, wo lediglich die X- und die Z-Achse angeregt wird, die Y-Achse hingegen nicht.
X-Achse = Querachse
Y-Achse = stets die senkrechte Achse
Z-Achse = horizontale bzw. lange Achse
Kapitel 10: Zusammenfassung und Schlusswort
Unsere bisherigen Erkenntnisse werden wir in naher Zukunft verdichten und weiter präzisieren. Ziel ist insbesondere genau zu definieren, in welchen Prozessen das Verfahren Metall entspannen mit Vibration (MEMV) besser geeignet ist als beispielsweise das Spannungsarmglühen und wann es sich eher weniger empfiehlt. Für die praktische Anwendung bedeutet das: Hunderte Kunden erhalten eine Handlungsempfehlung, wie sie die MEMV-Technologie anstelle des Verfahrens Spannungsarmglühen wirtschaftlich sicher einsetzen. Darüber hinaus sollten Konstruktionsabteilungen heute beachten, dass ein ungeglühtes Bauteil über mehr als 200% Festigkeit verfügen kann als ein spannungsarmgeglühtes Werkstück. Bei Berücksichtigung dieser Tatsache lassen sich enorme wirtschaftliche Vorteile erzielen. Zudem waren Risse bei Schweissnähten früher oft ein herausforderndes Thema. Die WIAP AG nutzt die Vibrationstechnologie bereits seit über 30 Jahren – und noch nie gab es den Bruch einer Schweissnaht zu verzeichnen.
Weitere Resultate und Auswertungen folgen in kommenden Erfahrungsberichten. Bereits seit Langem wissen wir und unsere zufriedenen Kunden aber: Wir sind auf dem richtigen Weg! Das WIAP® MEMV®Verfahren sorgt für eine hohe Prozesssicherheit bei ungeglühten und dennoch spannungsbefreiten Bauteilen.
13. Januar 2019 sw.jw.iw.HPW
Industriestrasse 48L CH-4657 Dulliken Telefon: ++41 62 752 42 60 Telefax: ++41 62 752 48 61
|
