Hart, leicht und wirtschaftlich - aber schwierig umzuformen
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siempelkamp | maschinen- und anlagenbau
Das Metall der Götter:
Hart, leicht und wirtschaftlich –
aber schwierig umzuformen
Konturgenaue Bauteile aus Titan sind in vielen Branchen gefragt. In der technischen
Entwicklung zeigt sich eine deutliche Tendenz zu komplexeren und größeren Bautei-
len, die stabil und gleichzeitig leicht sind. Daraus resultiert die steigende Bedeutung
von Titan für den Maschinen- und Anlagenbau genauso wie für die Automobil- und
Luftfahrtindustrie. Siempelkamp bietet für alle Prozessstufen der Umformung von
Titan speziell auf diesen Werkstoff abgestimmte Pressen-Systeme. von Samiron Mondal
T itan – die Deutsche Gesellschaft für Metallkunde nennt es in einer
aktuellen Pressemeldung „das Metall der Götter“ – ist für viele inno-
vative und technisch anspruchsvolle Produkte attraktiv, weil es von allen
metallischen Werkstoffen das höchste Verhältnis zwischen Festigkeit und
Dichte hat. Diese Eigenschaft nutzen Konstrukteure gerne für den Flug-
zeugbau und die Raumfahrt. Auch Designer haben den Werkstoff
entdeckt und entwerfen
Armbanduhren, Hightech-
Golfschläger oder Gehäuse
von Edel-Handys aus dem
exklusiven Werkstoff.
Obwohl Titan aufgrund des
komplizierten Herstellungs
prozesses etwa um den
Faktor zehn teurer als her Das Fahrwerk eines Airbus A380: Viele Komponen-
kömmlicher Stahl ist, steigt ten sind Schmiedeteile aus Titan
der weltweite Bedarf seit
Jahren beständig.
Die Eigenschaften, die das Metall so begehrt machen, bringen es aber
auch mit sich, dass Titan beim Umformen ausgesprochen widerspenstig
ist: Die hohe Festigkeit und die geringe Wärmeleitfähigkeit führen zu
starker Temperatur- und Verschleißbeanspruchung der Umformwerk
zeuge … keine einfache Aufgabe für die Hersteller von Umformpressen.
Auch die mechanische Bearbeitung nach dem Schmieden ist zeit- und
kostenintensiv; sie kann 50 Prozent der Gesamtkosten verursachen – ein
wichtiger Grund, möglichst konturnah zu schmieden.
Turbinenschaufeln müssen stabil und leicht zugleich sein
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Titanschwamm ist äußerst porös und muss kompaktiert werden Titan-Kompaktierpresse Rahmenblech der Kompaktierpresse auf der Schiess
UKTMP hat bei Siempelkamp eine Kompaktierpresse
Rutil für Titanschwamm in Auftrag gegeben
Hauptausgangsstoff für die Herstellung von Erster Umformschritt:
Titan ist das Mineral Ilmenit, dessen Name Aus Titanschwamm wird eine harte
sich vermutlich von einem Vorkommen Metalllegierung
nahe der thüringischen Stadt Ilmenau ab-
leitet. Das Mineral Rutil ist das zweite be- Während Stahl und Aluminium direkt aus
deutende Ausgangsmaterial von Titan dem Erz erschmolzen werden, entsteht bei
dioxid. der Herstellung von Titan ein Zwischenpro-
dukt, der – äußerst poröse – Titan-
Obwohl das chemische Element Titan be- schwamm. Das erfordert einen zusätz
reits 1791 entdeckt wurde, gelang die lichen Prozessschritt: das Kompaktieren.
großtechnische Herstellung des Metalls erst Siempelkamp baut seit Langem Pressen zur
in den 40er Jahren des vergangenen Jahr- Kompaktierung von Titanschwamm und
hunderts: Titandioxid wird zunächst zu hat in diesem Anwendungssegment große
Titanchlorid umgesetzt, das anschließend Erfahrung gesammelt.
mit Magnesium oder Natrium reduziert
wird. So entsteht Titanschwamm, der unter Mit einer neuen, zurzeit in der Montage
Zugabe von Legierungselementen umge- befindlichen Anlage von Siempelkamp
schmolzen oder zu hochreinem Titan wei- wird das kasachische Titan- und Magne
terverarbeitet wird. sium-Werk UKTMP den Titanschwamm zu
„Compacts“ pressen, die anschließend in
Aufgrund der großen Erfahrung mit dem einem Lichtbogenofen umgeschmolzen
Werkstoff und den einzelnen Prozessschrit- werden. Hier standen die Ingenieure von
ten konnte Siempelkamp neue Konzepte Siempelkamp nicht nur vor der Aufgabe,
für Umformpressen entwickeln, die es er- große Kräfte zu bändigen; wegen der
möglichen, das Potenzial des Werkstoffes hohen Sauerstoffaffinität des Titans muss
Titan optimal auszuschöpfen. So erzielen das Kompaktieren zusätzlich unter Vaku-
unsere Kunden in der gesamten Prozess- um erfolgen.
kette der Herstellung und Verarbeitung von
Titan nicht nur zuverlässig reproduzierbare Eine weitere Besonderheit der neuen Pres-
Werkstoffeigenschaften, sondern auch se ist, dass sie doppelseitig wirkt. Sie bringt
endabmessungsnahe Bauteile, die keine eine Presskraft von 2 x 80 MN auf und
oder nur minimale Nacharbeit erfordern. erzeugt dadurch einen extrem hohen
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Freiformschmiedepresse Schmiedefrequenz pro Minute erhöht. Das möglich. Und das bei einer bewegten
verkürzt nicht nur die Schmiedezeit, das Masse von ca. 200 t!
Schmiedeteil wird durch die zusätzlich ein-
getragene Energie auch erwärmt und bleibt Siempelkamp wird für diese Presse das
so länger im richtigen Temperaturfenster. gesamte Werkzeugwechselsystem und die
vollständige Hydraulik sowie zwei Manipu-
Das Ergebnis sind nahezu spannungsfreie latoren liefern, die die Werkstücke beim
Halbzeuge mit sehr homogenen Eigen- Schmieden präzise in die richtige Position
schaften. bringen. Sie bewegen Schmiedestücke mit
einem Gewicht von bis zu 15 t.
Doch unsere Konstrukteure denken bereits
weiter: Schon 2011 werden wir eine neue Dritter Umformschritt:
High Performance Forging Line für Titan- Gesenkschmieden von Titan-Halbzeu-
legierte Produkte installieren, die sich durch gen mit bisher unerreichter Kontur-
eine in ihrer Leistungsklasse bisher uner- genauigkeit
reichte Anzahl von Hüben pro Minute aus-
spezifischen Umformdruck, der bisher für zeichnet. So sind beim normalen Schmie- Bereits seit 2007 betreibt ADH im Werk
das Pressen von Titanschwamm in dieser den über alle Zylinder 48 Hübe pro Minute Pamiers eine der weltweit größten und
Größenordnung nicht realisiert wurde. Das vorgesehen, beim Schlichten des Werk stärksten Gesenkschmiedepressen, die un-
Ergebnis ist eine hohe Dichte der Compacts stückes sind bis zu 100 Hübe pro Minute ter anderem Strukturteile und Turbinen-
und in der Folge eine bessere Verarbeitbar-
keit des Werkstoffes, das spart beim nach-
folgenden Umformen in Freiform- oder
Gesenkschmiedepressen Zeit und Energie.
Zweiter Umformschritt:
Freiform-Schmieden bei idealer
Schmiedetemperatur
Mit einer neuen Schmiedepresse von
Siempelkamp, die eine Presskraft von bis zu
45 MN aufbringt, wird ein chinesischer
Kunde, die Goldsky Titanium Industry
Technology Co., Rund-, Vierkant- und
Flachstäbe sowie Werkzeugblöcke, Ringe,
Scheiben und Zapfen schmieden. Sie beste-
hen vorwiegend aus Titan, aber auch aus
Werkzeug- und Edelstahl. Grund für die
Neuinvestition ist der steigende Bedarf der
Flugzeugindustrie an hochfesten und zu- Die neue Freiform-Schnellschmiedepresse liefert Siempelkamp einschließlich
gleich leichten Bauteilen. der Hydraulik, des Werkzeugwechselsystems und zweier Manipulatoren, die das
Schmiedestück in Position bringen
Da beim Schmieden von Titan ein sehr en-
ger Temperaturbereich eingehalten werden
muss, standen die Konstrukteure von Siem-
pelkamp vor der Aufgabe, den Schmiede-
prozess so kurz wie möglich zu gestalten.
Die Lösung: Mit einer optimierten Kon
struktion der Presse und einem angepass-
ten Regelungs- und Steuerungskonzept für
Hydraulik und Elektrotechnik haben sie die
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Endabmessungsnahes Schmieden in
einer Gesenkschmiedepresse
scheiben für die Luft- und Raumfahrtin Jede große Presse ist ein Unikat
dustrie herstellt, so beispielsweise für den
Airbus A380. Der komplexe Herstellungsprozess erfor-
dert auch beim Hersteller der Umform
Die Anforderung von ADH lautete, einen pressen spezielles Know-how der Pro-
großen und flexibel nutzbaren Werk- zessabläufe vom Aufbereiten der Mineralien
zeugeinbauraum zu realisieren, in dem bis zum Schmieden des Endproduktes. Bei
Werkzeuge mit einer Höhe von 4.500 mm allen Aufträgen in der gesamten Prozess-
verwendet werden können. Ferner sollte kette der Herstellung von Titan punktet
Turbinenringe
die Presse eine hohe Genauigkeit und ge- Siempelkamp immer wieder mit seinem
ringe Verformung auch bei extremer Kon- einzigartigen Konzept: Konstrukteure und
zentration von Presskräften, exzentrischer Gießer arbeiten unter einem Dach; im kon-
Belastung und hohen Querkräften gewähr- tinuierlichen Dialog zwischen Konstruktion,
leisten. So hat ADH beispielsweise spezifi- Berechnungsabteilung, Gießerei und Ferti-
ziert, dass die maximale Querbewegung gung sowie in enger Zusammenarbeit mit
des Laufholms bei einer Horizontalkraft von dem Kunden entsteht für jede Aufgaben-
1.500 t lediglich 3,2 mm betragen darf. stellung die optimale Lösung.
Da drei Gesenke nebeneinander eingebaut Gerade beim Werkstoff Titan kommt dem
sind, wird die Presse stark exzentrisch be- Entwurf der Pressen entscheidende Bedeu-
lastet, wenn in dem jeweils äußeren Ge- tung zu: In diesem vergleichsweise kleinen
senk geschmiedet wird. Trotz der hohen Markt ist jede Anlage ein Unikat. Oft ist
Flugzeugturbine exzentrischen Belastung war eine bisher eine Presse das Herzstück eines Werkes –
unerreichte Konturgenauigkeit der Teile ge- arbeitet sie nicht, kommt die gesamte
fordert. Mit einem neuen Konzept brachte Produktion zum Stillstand.
Siempelkamp diese bis dahin unvereinba-
ren Anforderungen erstmals in einer Lö- Das Fazit: Der Prototyp muss von der In
sung zusammen: Die Presse ist eine 4-Säu- betriebnahme an tagaus, tagein und über
len-Unterflurpresse mit außenliegenden Jahrzehnte zuverlässig, effizient und prä
Hauptzylindern und hydraulischer Paralle zise produzieren. Deshalb ist der Entwurf
litätsregelung, die bei exzentrischer Belas- neuer Pressen bei Siempelkamp ein iterati-
tung die unterschiedlichen vertikalen Deh- ver Prozess, an dem Ingenieure unterschied-
nungen kompensieren. Die Anlage arbeitet licher Disziplinen beteiligt sind. Das ist die
mit einer Presskraft von bis zu 40.000 t. Gewähr für effizienten Produktionsbetrieb
ADH ist mit der Presse offensichtlich zu auf der einen Seite und hohe Qualität der
frieden, denn nur wenige Monate nach hergestellten Schmiedeteile auf der an
Inbetriebnahme dieser Presse kam der Auf- deren.
trag für die oben erwähnte Schnell
schmiedepresse.
Gelenke aus Titan
siempelkamp | maschinen- und anlagenbau 58 59 Die Gesenkschmiedepresse bei Aubert & Duval in Frankreich ist eine der größten und stärksten der Welt
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