Hochpräzise Wasserstrahlschneidanlagen sorgen für mehr Kapazitäten bei der Herstellung erneuerbarer Energien
Kronos hat sich ein ehrgeiziges Ziel gesetzt
Preiswerte Energie zu erzeugen und bereitzustellen, um den Menschen eine erschwingliche Alternative zu kostspieligen Umweltschutzbestrebungen zu bieten– das ist die Aufgabe, der sich das Energieunternehmen Kronos gestellt hat.
Auf der Suche nach den dafür richtigen Technologien stieß das Unternehmen schnell auf die Technologie des Wasserstrahlschneidens. Die Technologie ist sehr umweltfreundlich und kann gleichzeitig die anspruchsvollen Anforderungen von Kronos hinsichtlich der Produktion von anwendungsspezifischen Teilen und Prototypen erfüllen.
Outsourcing ist kostspielig
Das in Cordova im US-Bundesstaat Tennessee angesiedelte Unternehmen konstruiert und fertigt kleine Windturbinen mit Vertikalachsen für ländliche und städtische Umgebungen sowie Marineanwendungen. John Bogensberger, President und CEO von Kronos, verfügte bereits über langjährige Erfahrungen in einem Fertigungsbetrieb mit hohem Produktionsvolumen, in dem Türelemente aus Leichtmetall gebaut wurden.
„Auf der IMTS-Messe im Jahr 1998 sah ich zum ersten Mal eine Wasserstrahlschneidmaschine. Ich war fasziniert von diesem Prozess, weil dabei keine Giftgase, kein Staub und keine gefährlichen Chemikalien produziert wurden“, so der Unternehmenslenker. „Ich war jedoch der Meinung, dass ich diese Technologie in einer Umgebung mit hohem Produktionsvolumen zum Schneiden von Blechen nicht rechtfertigen konnte.“
Im Jahr 2009 gründete Bogensberger dann das Unternehmen Kronos Energy Solutions und ließ einen Großteil der Arbeiten in Fremdleistung erbringen. Outsourcing ist eine ausgezeichnete Methode für ein neu gegründetes Unternehmen, ohne hohe Vorlaufinvestitionen Teile schneiden und maschinell bearbeiten zu lassen. Unternehmen können sich dann auf die Verarbeitung der Teile zum Endprodukt konzentrieren und gleichzeitig verschiedene Maschinenwerkzeugprozesse testen, bevor eine endgültige Investitionsentscheidung getroffen wird.
Durch Outsourcing können allerdings auch Verzögerungen entstehen, wenn die Werkstatt das Teil nicht korrekt produziert oder Designänderungen am Teil vorgenommen werden müssen. Mit der Zeit musste Kronos außerdem feststellen, dass die sekundären Prozesse zum Entfernen der Wärmeeinflusszonen und Schlacken, die beim Brennschneiden entstehen, sehr viel Zeit kosteten. Beim Stanzen von Teilen blieb eine schartige Kante zurück, die später entfernt werden musste.
Durch das Outsourcing an eine Werkstatt, die herkömmliche Wasserstrahlschneidtechnologie verwendete, fielen diese sekundären Bearbeitungsprozesse weg, aber „es gab immer noch das Problem der Winkelfehler“, erläutert Bogensberger.
„Wir verwenden eine spezielle Zahnradkonfiguration, die sehr enge Toleranzen erfordert. Deshalb mussten immer noch maschinelle Nachbearbeitungen ausgeführt werden.“
Dann besuchte Bogensberger 2010 die FABTECH-Messe in Atlanta, um sich über die neuesten Maschinenwerkzeuge zu informieren. Dort sah er zum ersten Mal das Schneidsystem Mach 4 mit Dynamic Waterjet® XD von Flow.
„Die Fortschritte, die Flow im Hinblick auf die Wasserstrahlschneidtechnologie erzielt hatte, waren beeindruckend“, so der erfolgreiche geschäftsmann. „Wir wussten zwar schon immer, dass ein Wasserstrahlschneidsystem extrem flexibel ist, aber die Geschwindigkeit und Genauigkeit des FlowJet überzeugte uns. „Wir wussten bereits auf der Messe, dass wir unbedingt solches System anschaffen mussten.“
Die neuesten Entwicklungen der Wasserstrahlschneidtechnologie
Bei dem Abrasiv-Wasserstrahlschneiden gibt es zwei Probleme bei der Teilequalität: Strahlnachlauf und Winkelfehler. Beide Genauigkeitsfehler können durch eine erhebliche Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit minimiert werden, aber proportional dazu steigen die Taktzeit und Kosten pro Teil.
Der Strahlnachlauf ist das Phänomen, bei dem der Austrittspunkt des Wasserstrahls, der das Teil schneidet, hinter dem Eintrittspunkt nachläuft. Dieser Strahlnachlauf führt zu Geometriefehlern, da anstelle von Kreisen Kegel geschnitten werden und an Innenecken Auswaschungen entstehen.
Der V-förmige Winkelfehler tritt ganz natürlich auf, wenn sich die Kraft des Wasserstrahls beim Durchschneiden des Materials verflüchtigt. Je schneller die Schneidgeschwindigkeit, desto größer ist der Schneidfugen-Winkelfehler (bis zu 0,254 mm pro Seite). Wie beim Strahlnachlauf können diese Winkelfehler in der Regel durch Verlangsamung der Schneidgeschwindigkeit verringert werden. Dadurch wird nicht nur die Anzahl der pro Tag produzierten Teile reduziert, sondern auch die pro Zoll verwendete Granatmenge erhöht (der höchste Anteil der Kosten beim Abrasiv-Wasserstrahlschneiden).
Dynamic Waterjet mit Active Tolerance Control™ ist eine der wichtigsten Neuerungen in der Geschichte der Abrasiv-Wasserstrahltechnologie für das Schneiden von Flachmaterial.
Das System wurde im Jahr 2001 von Flow speziell zum Ausgleich von Winkelfehlern und Strahlnachlauf beim Schneiden von Flachteilen entwickelt. Es stellt sicher, dass das Wasserstrahlschneidsystem bei Höchstgeschwindigkeit schneidet, indem eine einfache und leistungsstarke Software mit einem hochpräzisen Maschinenwerkzeugdesign und einem beweglichen Manipulator kombiniert wird. Die Teile werden schneller und kostengünstiger geschnitten als mit anderen Technologien.
Nach einer mehrjährigen Design- und Testphase bietet Flow mit Dynamic Waterjet XD jetzt dieselben Verbesserungen für das Fasen und 3-D-Schneiden. In der Vergangenheit brauchten Anwender für das korrekte Programmieren eines einzigen 3D-Teils in einer Wasserstrahlumgebung mehrere Stunden.
FlowXpert, die CAD-Software von Flow, berücksichtigt das Verhalten des Wasserstrahls; das Programmieren geht schneller und ist intuitiver. Mithilfe von hochentwickelten SmartStream™-Rechenmodellen stellt dieses innovative Bewegungssteuerungssystem sicher, dass der Schneidstrom richtig positioniert ist. Die Schneidgeschwindigkeit ist um das Zwei- bis Vierfache schneller und weist weniger Winkelfehler auf als konventionelle 5-Achs-Systeme.
„In der Technologie Dynamic Waterjet XD werden die Schneidfunktionen des Dynamic Waterjet von Flow mit einem fortgeschrittenen Mehrachssystem kombiniert, mit dem komplexe 3D-Teile geschnitten werden können. Anders als traditionelle Mehrachssysteme, deren Programmierung mehrere Stunden dauert, ist dieses System sehr benutzerfreundlich und so flexibel, dass sowohl hochvolumige Produktionsdurchläufe, als auch einzelne Prototypen geschnitten werden können“, so Tim Fabian, globaler Produktmanager von Flow International. „Wir haben unser 2-D-Konzept ,In Minutenschnelle vom Design zum fertigen Teil‘ auf die 3-D-Anwendung übertragen. Wenn Ihre Geometrie stimmt, können Sie in nur einer Minute ein 3-D-Wasserstrahl-Schneidprogramm erstellen.“
Die Vorteile eines eigenen präzisen Wasserstrahlschneidsystems
Kronos erwarb ein Mach 4-System der Größe 4 x 2 m, um sicherzustellen, dass den Anwendungen durch die Schneidtischgröße keine Grenzen auferlegt werden.
„Was sich zuerst zu Buche schlug, war die drastische Senkung unserer Teilekosten“, erklärt Bogensberger. „In der Vergangenheit hatten wir beispielsweise die Produktion von Zahnrädern an einen Hersteller ausgelagert, der pro Zahnrad 103 USD in Rechnung stellte. Mit unserem FlowJet-System kostet das Schneiden desselben Zahnrads jetzt ca. 1,40 USD, ohne dass irgendwelche Nachbearbeitungen ausgeführt werden müssen. Und diese Einsparungen können wir direkt an den Kunden weitergeben.“
Dank der Flexibilität eines Wasserstrahlschneidsystems kann jetzt praktisch jedes Material geschnitten werden, ob Edelstahl, Aluminium, Kohlenstoffstahl oder Kautschuk. „Wir haben einen Lexan-Schaukasten mit formschlüssigen Verbindungen angefertigt. Dabei wurden keine Schrauben verwendet, nur Konfigurationen mit Schlitzen und Zapfen, so dass keine Befestigungsvorrichtung erforderlich war“, führt Bogensberger aus.
Mit dem FlowJet ist das Unternehmen in der Lage, seinen Kunden kostengünstige, qualitativ hochwertige Services anzubieten.
Mit dem FlowJet ist das Unternehmen in der Lage, seinen Kunden kostengünstige, qualitativ hochwertige Services anzubieten.
„Wir haben einen neuen Kunden, der bisher seine Rohstoffe selbst einkaufte, diese zum Vorschmieden brachte und dann weiter zu einem metallverarbeitenden Betrieb schickte. Dabei wurde eine Stanzpresse verwendet, welche schartige Kanten erzeugte, die der Kunde dann entgraten lassen musste. Außerdem gab es zwischen dem oberen und unteren Abschnitt des Teils eine Abweichung von 0,762 mm“, erläutert Frank Garavelli, Verkaufsdirektor.
„Es waren insgesamt 6 verschiedene Verarbeitungsschritte erforderlich, die von mehreren Zulieferern ausgeführt wurden, bevor das Teil zur Verarbeitung beim Kunden eintraf. Mit unserem FlowJet-System müssen wir lediglich den Rohstoff bestellen, die Teile schneiden und umformen, und schon sind sie für die Endverarbeitung bereit. Das Entgraten oder Abschleifen von unregelmäßigen Kanten fällt weg.“
Dank der Genauigkeit des Dynamic Waterjet XD-Systems ist Kronos in der Lage, das Material zu stapeln und 8 Teile gleichzeitig zu schneiden. „Mit Flow hat sich das Wasserstrahlschneidsystem definitiv zu einer Produktionsmaschine entwickelt“, meint Bogensberger.
Außerdem konnte das Unternehmen mithilfe der Wasserstrahlschneidtechnologie seine Geschäftstätigkeit über die Lieferkette für die Wind- und Energieindustrie hinaus ausdehnen.
„Die Windenergie ist eine Methode zur Reduzierung des Verbrauchs von fossilen Brennstoffen. Eine weitere Methode ist die Steigerung der Effizienz des Brennstoffverbrauchs“, so Garavelli.
„Bei Langstreckentransporten per LKW wird beispielsweise sehr viel Kraftstoff verbraucht. Deshalb haben wir aerodynamische Seitenverkleidungen entworfen, mit denen der Luftwiderstand verringert und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden. Mit unserem FlowJet können wir das Aussehen so gestalten, dass es den Anforderungen des Fahrers oder des Flottendesigns entspricht.“
Ob es sich um ein Logo, Kontaktinformationen oder eine Grafik handelt, die der Vorlage auf dem LKW entspricht, verfügt Kronos jetzt über die entsprechenden Möglichkeiten, um die Erwartungen der Kunden schnell zu erfüllen. Zu weiteren neuen Projekten zählen spezielle Fußbodenanwendungen und selbst das Schneiden einer 12,7 cm großen Betonskulptur für eine Kirche.
„Fazit ist, dass der FlowJet unsere Kompetenzen erweitert und unsere Nettoerträge um mindestens 20 % gesteigert hat“, erklärt Bogensberger. „Da wir jetzt in der Lage sind, Prototypen herzustellen und für unsere Windturbinen flexible Designs und Spezialteile zu produzieren, wird sich die Investition unseren Berechnungen nach ungefähr 22 Monaten bereits amortisiert haben.“