Freiformschmieden plus Metall-3D-Druck in der Prozesskette – Recycling inklusive

Werkstoffe 05. 03. 2019
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Rosswag GmbH erhält den Innovationspreis des Landes Baden-Württemberg

Ende des vergangenen Jahres erhielt die Rosswag GmbH aus Pfinztal bei Karlsruhe aus der Hand von Baden-Württembergs Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut den Innovationspreis 2018 des Landes Baden-Württemberg. Übereicht wurde der Preis im Haus der Wirtschaft in Stuttgart. Der nach Dr. Rudolf Eberle benannte Preis wird an im Land ansässige kleine und mittlere Unternehmen vergeben für beispielhafte Leistungen bei der Entwicklung von neuen Produkten, Verfahren oder technologischer Dienstleistungen. Gegen 94 Mitbewerber und zehn Finalisten setzte sich die Rosswag GmbH mit ihrer Innovation durch. Der Mittelständler erhielt den Dr.-Rudolf-Eberle-Preis für das bahnbrechende Verfahren ForgeBrid® mit der zugehörigen, ganzheitlichen Prozesskette. Dabei wird das klassische Freiformschmieden mit dem innovativen Metall-3D-Druck (Additive Manufacturing – AM) kombiniert und vereint so die Vorteile von zwei Produktionsprozessen.

Die zunehmende Akzeptanz und Verwendung des Metall-3D-Drucks für die Herstellung von funktionalen Bauteilen führt zu steigenden Ansprüchen an die Produk­tionsprozesse. Dabei darf sich die Weiterentwicklung, wie sie von der Rosswag GmbH in Pfinztal betrieben wird, nicht nur auf die komplexen Konstruktions- und Druckprozesse beschränken, sondern muss auch Fragestellungen rund um die Themenfelder Werkstoff, CNC-Nacharbeit, Wärmebehandlung und Qualitätssicherung berücksichtigen. In der ganzheitlichen und firmeninternen Prozesskette werden deshalb zum Beispiel ­hybride Fertigungsprozesse entwickelt, bei der hochfeste Schmiedekomponenten mit funktionsoptimierten, additiven Strukturen ergänzt werden. Auch die Qualifizierung von neuen Werkstoffen für den Metall-3D-Druck mithilfe der bei Rosswag vorhandenen Metallpulver-Verdüsungsanlage und dem 400 Legierungen umfassenden Materiallager ist ein zukunftsträchtiger Geschäftsbereich.

Die Ausgangslage

Der Metall-3D-Druck als innovatives Fertigungsverfahren erlebt weiterhin einen ungebremsten Hype, der sich nicht nur auf Prototypenteile beschränkt, sondern zunehmend auch in der Serie ankommt. Derzeit sind speziell mit dem additiven Fertigungsverfahren Selektives Laserschmelzen massive Bauteile mit großen Volumen noch nicht wirtschaftlich herstellbar, da hierbei lange Prozesslaufzeiten von mehreren Tagen notwendig werden. Ein weiteres Problem besteht bei der additiven Herstellung von sicherheits­relevanten und stark beanspruchten Bauteilen aufgrund noch nicht vorhandener Spezifikationen hinsichtlich der nachweisbaren Belastbarkeit. Bei diesen prozessbedingten Nachteilen können umformende Fertigungsverfahren wie das Schmieden punkten. Damit können kostengünstig auch ­großvolumige Bauteile hergestellt werden, die zudem noch ausgezeichnete mechanisch-technologische ­Eigenschaften bei statischen und dynamischen Belastungen aufweisen.

Eine Begrenzung liegt bei der konventionellen Herstellung jedoch bei der Realisierung von geometrisch komplexen und funktionsoptimierten Strukturen vor, die meist durch aufwendige und teure Zerspanung eingebracht werden müssen. ­Innenliegende Geometrien, beispielsweise für ­komplexe Kanalstrukturen, können über diese Fertigungsroute nicht abgebildet werden. Dies ist wiederum die Paradedisziplin der additiven Fertigung.

Darüber hinaus fallen beim Schmieden und Sägen regelmäßig Restmaterialien an, die dem konventionellen Fertigungsprozess nicht wieder zugeführt werden können und somit in die Entsorgung gehen. Bei Stählen ist hier zwar ein Recycling möglich, jedoch sollte eine Rückführung im Sinne von weiteren, unternehmensinternen Wertschöpfungsprozessen das eigentliche Ziel sein. Allgemein zeigt sich auch speziell bei einem Blick auf das verfügbare Werkstoffangebot im Bereich des Metall-3D-Drucks, dass es deutliche Unterschiede im Vergleich zum umfangreichen Materialportfolio bei konventionellen Fertigungsverfahren gibt. Beispielsweise stehen nur etwa zehn qualifizierte Stahlwerkstoffe für den Metall-3D-Druck den industrieübergreifend mehr als 2500 verschiedenen Stahllegierungen gegenüber.

Die Innovation der Rosswag GmbH

Durch den neuen Ansatz einer ganzheitlichen Prozesskette ist es gelungen, umfangreiche Synergieeffekte zwischen dem traditionellen Geschäftsfeld der Freiformschmiedetechnik und dem Metall-3D-Druck herzustellen. Durch die Kombination der beiden Produk­tionsprozesse Freiformschmieden und Selektives Laserschmelzen können die Nachteile der einzelnen Verfahren umgangen werden. Dazu wird das jeweilige Fertigungsverfahren nur in dem Geometrieelement genutzt, für das es technisch und wirtschaftlich geeignet ist. Ein Grundkörper wird konventionell geschmiedet und anschließend spanend für den Fügeprozess vorbereitet. Auf eine ebene Fläche wird im nachfolgenden Prozessschritt mittels Selektivem Laserschmelzen die gewünschte Geometrie aufgebaut. Der optimierte Faserverlauf der geschmiedeten Geometrieelemente weist ideale mechanisch-technologische Eigenschaften gerade im Hinblick auf die Dauerschwingfestigkeit auf. Beim additiven Aufbau entsteht eine stoffschlüssige Verbindung, die ähnliche Festigkeiten wie der Schmiedegrundkörper ­aufweist.

Der so hergestellte Schmiede-SLM-Hybrid ForgeBrid bietet die Möglichkeit, auch massive Bauteile mit funktionalen Merkmalen auszustatten, die nur mittels additiven Fertigungstechnologien realisiert werden können. Vor allem in den Bauteilelementen, die hohe Anforderungen an die dynamische Festigkeit aufweisen, können geschmiedete Grundkörper die Belastbarkeit des Bauteils erhöhen. Die eher statisch beanspruchten Teilsegmente werden dann additiv so gefertigt, dass daraus wettbewerbsentscheidende technische Mehrwerte resultieren, die durch konventionelle Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind.

Die beim Sägen und Schmieden entstehenden Reststücke können für die additive Fertigung nutzbar gemacht werden und zur Rohstoffeffizienz der Prozesskette beitragen. Dazu werden sie in einer Verdüsungs­anlage zu feinkörnigem Metallpulver verarbeitet. Der sogenannte Atomiser verfügt über einen Schmelztiegel, in dem der Metallschrott bis über den Schmelzpunkt erhitzt wird. Das geschmolzene Material wird in der Düse mit einem zielgerichteten Inertgasstrom zerstäubt. Anschließend erstarrt die tropfenförmige Schmelze im Fallturm zu einem sphärischen Metallpulver, das nach der Aufbereitung in additiven Fertigungsanlagen verarbeitet werden kann. Durch die haus­eigene Verdüsungsanlage in Verbindung mit einem vielfältigen Werkstofflager, das über 6000 Tonnen in 400 unterschiedlichen ­Legierungen umfasst, können effizient neue Entwicklungsprozesse für die additive Fertigung durchgeführt werden.

Das Unternehmen

Die Rosswag GmbH ist hauptsächlich unter dem Namen Edelstahl Rosswag bekannt für die über 100-jährige Erfahrung beim Umgang mit über 400 verschiedenen Metallwerkstoffen. Gegründet im Jahr 1911 ist der familiengeführte Betrieb mit über 200 Mitarbeitern einer der weltweit führenden Anbieter für Freiformschmiedeprodukte bis 4,5 Tonnen Stückgewicht, die in einer ganzheitlichen Prozesskette firmenintern gefertigt werden. Das tiefgreifende Know-how in den Fertigungs- und Prüfprozessen spiegelt sich in der hohen Qualität der Endprodukte wieder, die unter großen Belastungen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt­industrie oder im Energiemaschinenbau eingesetzt werden. Mit über 30 Mitarbeitern alleine im Bereich der Qualitätssicherung werden individuelle Prozessablaufpläne festgelegt, um die spezifischen Anforderungen an die ­mechanisch-technologischen Bauteileigenschaften einhalten zu können. Zudem werden die Produkte nach dem Schmiedeprozess, der Wärmebehandlung oder der CNC-Bearbeitung im eigenen Prüf- und Werkstofflabor auf die qualitätsrelevanten Eigenschaften hin untersucht.

Die im Jahr 2014 gegründete Division Rosswag Engineering erweitert das Produktportfolio um Ingenieurdienstleistungen und innovative Fertigungsverfahren. Die Eingliederung des additiven Fertigungsverfahrens Selektives Laserschmelzen ermöglicht die Herstellung von funktionsoptimierten, metallischen Bauteilen ergänzend zum Schmiedebetrieb.

Das über Jahrzehnte aufgebaute Know-how im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik dient in Verbindung mit der ganzheitlichen, firmeninternen Prozesskette als Grundlage, um den Zukunftsbereich auf- und auszubauen. Die im Unternehmen integrierte Abteilung der additiven Fertigung wurde im Jahr 2017 um die firmeninterne Metallpulverherstellung für die Materialentwicklung ergänzt.

  • www.rosswag-engineering.de
  • www.edelstahl-rosswag.de
 

Mehr 100-jährige Schmiedetradition vereint mit der Innovationskraft von heute – der moderne Betrieb im Gewerbegebiet Stumpenäcker, Pfinztal-Kleinsteinbach (Bild: Rosswag GmbH)

 

Dr. -Ing. Sven Donisi (Geschäftsführer), Alexander Essig (Geschäftsführer), Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut MdL, Wolfgang Reimer, Rainer Reichhold (v.l.n.r.) (Bild: Rosswag GmbH)

Text zum Titelbild: Im ForgeBrid®-Verfahren gefertigtes Turbinenrad(Bild: Rosswag GmbH)

 

Funktion der Metallpulverherstellung (Bild: Rosswag GmbH)

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