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Brennen statt Fräsen und Wasserstrahlschneiden

Juli 2018 — Zur Verstärkung kegelförmiger Pfannen ließ Wessel Kessel- und Apparatebau 28 spiralförmige Rippen durch 3D-Brennen schneiden statt mit Wasserstrahl. Brenn- und Schweißspezialist Jebens fertigte die Teile mit Roboterhilfe. Das Ergebnis sind rund 10 % weniger Kosten und 25 % Zeitgewinn.

For our English speaking readers:
Flame-cutting instead of milling and waterjet cutting
To reinforce conical foundry ladles, Wessel Kessel- und Apparatebau had 28 helical ribs cut using 3D flame-cutting rather than waterjet cutting. Flame-cutting and welding specialist Jebens produced the parts with the help of robots, resulting in a roughly 10% fall in costs and a 25% gain in time.

1978 hatte Manfred Wessel seine Firma gegründet und zunächst kleinere Druckteilkomponenten hergestellt. Heute beschäftigt die Wessel GmbH an zwei Standorten in Xanten auf 16000 m² Fläche 200 Mitarbeiter. Seit 2012 leitet die zweite Wessel-Generation das Unternehmen. Hauptprodukte sind Kessel und Druckteile für Hütten-, Kraft- und Stahlwerke, Müllverbrennung und Biomasse. Aber auch Zusatzaggregate werden gefertigt wie Abgasanlagen, Bühnen, Förderer oder Stahlbaugerüste, die den Kessel tragen. Stahlwerksnahe Dienstleistung zur Nachrüstung, Modernisierung und Instandhaltung bestehender Anlagen rundet das Portfolio ab. So setzt die Georgsmarienhütte (GMH) in Osnabrück auf ein 35 Mann starkes Wessel-Team mit eigenem Stützpunkt auf ihrem Gelände.

 

Zweiter großer Geschäftsbereich von Wessel ist die Fördertechnik: nicht nur für Kraft- und Heizwerke, sondern auch für die Futtermittel- und Pellet-Industrie. Moderne Technik und über Jahrzehnte im Kessel- und Druckbehälterbau gewachsene Ingenieurs- und Schweißkompetenz begründen die Rolle des Unternehmens. Beispielhaft hierfür stehen röntgengerechte Schweißnähte, die im Druckbehälterbau eine zwingende Präzisions- und Qualitätsanforderung sind: Bei Wessel sind sie bei nahezu allen Schweißaufgaben etablierter Standard.

Dieses Know-how war gefragt für den Bau von zwei Gießpfannen je 150 t Nutzinhalt für den Schmelzbetrieb im Stahlwerk der GMH. Dort wird der flüssige Stahl vom Ofen zur Vakuumbehandlung und weiter zur Stranggussanlage per Kran transportiert. Dabei muss sie Einsatztemperaturen von 1400 °C und Druckwechseln in einer Vakuumanlage ebenso dauerhaft standhalten wie – 3,5 m hoch mit flüssigem Stahl befüllt – einem Schweredruck am Boden von bis zu 8 bar. 3,90 m hoch, mit einem Durchmesser von fast 3,80 m und 30 mm dicker Wand zählt sie zu den großen Pfannenkalibern. Ihr Leergewicht beträgt ohne Mauerwerk 24,5 t. Mit Mauerwerk und 150 t Füllung wiegt sie 220 t. Die leicht kegelförmige Pfanne wird mit einem Winkel von 1,3 Grad nach unten hin schmaler – angesichts ihrer Dimension eine Herausforderung für die Passform aller darauf anzubringenden Bauteile.

Am Anfang ihrer Fertigung steht der Pfannenboden. Er ist laut Stefan Biniszkiewicz - zuständiger Projektingenieur für Maschinen- und Anlagentechnik bei Wessel und verantwortlicher Projektleiter beim Bau der Gießpfanne – eines der herausforderndsten Bauteile des gesamten Produkts. Bei ihrer Geometrie kann ungleichmäßiges Schweißvolumen leicht zu Verzug führen. Für den Aufbau wurde sie auf große Richtplatten aufgespannt. Anschließend zog Wessel über den konischen Pfannenmantel aus zwei rundgewalzten Mantelschüssen drei massive, bis zu 100 mm dicke nahtlose Verstärkungsringe. Zwei weitere, halbmondförmige Verstärkungsringe gleicher Stärke wurden in Höhe der Tragzapfen angebracht. Zum Ansetzen des Pfannenbodens mit Löchern für Temperaturmesssonde, Abstich und Gasspülung sowie das Schweißen der Rundnähte nutzte Wessel eine eigens für dieses Projekt angepasste Fertigungsvorrichtung mit Rollgang. Dadurch konnten die Kranbewegungen für das 25 t schwere Endprodukt weitgehend minimiert werden. 18 von Jebens gefertigte Augen mit spezieller Fasengeometrie zur seitlichen Verstärkung des runden Pfannenbodens wurden in dieser Vorrichtung ebenfalls angeschweißt. Nach dem Ansetzen der beiden jeweils 700 kg schweren geschmiedeten Tragzapfen wurden die per 3D-Brennen hergestellten Stahlrippen um sie herum sternförmig an dem konusförmigen Pfannenkörper angesetzt. Stück um Stück folgten alle weiteren Anbauteile. 

Neue Gießpfanne für Stahlwerk

Binnen dreier Monate von der Auftragserteilung bis zur Auslieferung an das Stahlwerk war die Gießpfanne fertig. In diesem Zeitraum legten zwölf Schweißer im Dreischichtbetrieb insgesamt fast 550 kg Schweißnaht: Allein die Rundnaht zwischen Boden und Pfannenbehälter wog 64 kg. Für die Kundenabnahme ließ Stefan Biniszkiewicz ein 3D-Bild der Pfanne erstellen, das die Abweichung von der idealen Rundheit farblich darstellte: „Der gesamte Pfannenkörper wich maximal zwei Millimeter vom Ideal ab, als reiner Stahlbau ohne mechanische Bearbeitung.“ Die einschlägigen Regelwerke erlauben bis zu 10 mm Abweichung. Diese Präzisionsarbeit bedeutete für die Georgsmarienhütte einen geringeren Kostenaufwand beim anschließenden Ausmauern der Pfanne. 

Zufrieden ist Stefan Biniszkiewicz auch mit seiner Entscheidung für Jebens und das von dem Brennschneidspezialisten entwickelte Verfahren des 3D-Brennens als Ersatz für teure Fräsbauteile. Auf der Messe „Bauma“ im Jahr 2016 hatte diese Technik am Stand von Jebens sein Interesse geweckt. Als er ein Jahr später die Angebote für die Fertigung der Stahlrippen als Fräsbauteile oder per Wasserstrahl-Schneiden erhielt, erinnerte er sich an Jebens um ein Vergleichsangebot. Die Ersparnis von 6000 Euro pro per Brennschneidroboter gefertigter Rippe sprach für diese 3D-Lösung. Für den Dickenabtrag setzt Jebens eine Sato-Brennmaschine ein, für das anschließende Finishing der Geometrien auf verschiedenen Ebenen einen Fasroboter. So fertigt das Unternehmen nur mit der Flamme exakt nach Kundenvorgabe sogar enge Radien oder Ausklinkungen mit unterschiedlichen Schnitthöhen und -breiten. Folglich sind auch Schnitte, deren Winkel sich entlang der gesamten Schnittkante kontinuierlich verändern, wie sie die konische Pfannenform für die Stahlrippen erforderte, mit dieser Technik sicher und reproduzierbar realisierbar. 

Carsten Schmickler führt die Geschäfte für Jebens: „Auf klassischen Brennschneidmaschinen ist die Schnittführung beim mehrlagigen Brennen begrenzt, da die Brennteile dafür immer wieder gedreht werden müssen und nur ein gleichbleibender Winkel entlang der Schnittkante möglich ist“, erklärt er. Jebens verstelle den Brenner am Roboter und könne dadurch auch anspruchsvolle Geometrien per 3D-Schnitt realisieren. Die Anforderungen von Wessel waren indes so komplex, dass sein Unternehmen den Roboter zusammen mit dem Hersteller der Steuerungssoftware entsprechend programmieren musste. So wurde es möglich, den Schnittwinkel bei den 120 mm x 245 mm x 928 mm großen Rippen über die Bauteillänge von 72 Grad auf 84 Grad zu vergrößern. Hierdurch konnte Jebens die Rippen als ein um eine imaginäre Längsachse gedrehtes Brennteil mit vorgegebener Torsion produzieren.

Voraussetzung hierfür war allerdings auch die ausgeprägte Expertise in Brenner- und Temperaturführung. Da ein Brenner nicht mit der Präzision eines Lasers arbeitet, musste vor der Bearbeitung jedes Teil mit produktspezifischen Parametern vorgeglüht werden, um eine Rissbildung zu vermeiden. Die exakte Schnittführung hatte Jebens zuvor anhand von per 3D-Simulation erstellten Modellen ermittelt, da es in der Realität keinen zweiten Versuch gibt. Anhand der von Wessel übermittelten Zeichnungen wurden so alle 28 Rippen mit auf den jeweiligen Ausdehnungskoeffizienten angepasster Brennerführung gebrannt.

Potenzial beim Schnitt aus dem Vollen

Für Stefan Biniszkiewicz bot dieses Verfahren den zusätzlichen Vorteil, dass die von der fast linienförmigen, zylindrischen Schneidflamme gefertigten Bauteile geometrisch sogar besser auf die Kegelkontur der Gießpfanne passen als vom Walzenfräser erstellte. Bereits in der Angebotsphase hatten ihn die Experten von Jebens durch gezielte Anmerkungen und Verbesserungsvorschläge von ihrer Fachkompetenz überzeugt. Da Jebens – dank Zugehörigkeit zu Dillinger –die benötigten Bleche in allen erforderlichen Wandstärken vorrätig und damit entsprechend kurze Lieferzeiten hatte, beauftragte Wessel den Brennschneidspezialisten auch mit der Anfertigung aller anderen Brennteile für die Gießpfanne.

Die metallurgische Reinheit der Bleche erlaubte zudem, durch zusätzliche Prüfungen kurzfristig das exakt benötigte Blech zu erhalten. Auch dabei bewies Jebens eine für Stefan Biniszkiewicz „geniale Flexibilität“: Für die vom Auftraggeber vorgeschriebene Alterungsprüfung schnitt der Spezialist kurzerhand ein Stück aus dem vorhandenen Blech heraus und erhielt so binnen einer Woche das Prüfungsergebnis von der Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart. Als dieses Material im Projektverlauf ein weiteres Mal benötigt wurde, war auch das kein Problem. „Jebens hatte das Material aufbewahrt, so dass wir wiederum binnen einer Woche das nachträglich bestellte Teil hatten“, berichtet Biniszkiewicz. Jebens sei kein reiner Zulieferer, sondern fertige selber und denke deshalb den Prozess über den eigenen Auftrag hinaus weiter, konstatiert der Projektingenieur. Dies habe sich im gesamten Projektverlauf gezeigt an der offenen Kommunikation und lösungsorientierten Zusammenarbeit, und zwar auch in Phasen mit unvorhergesehenen Schwierigkeiten.

Überzeugend war für Biniszkiewicz jedoch die Konfektionierung der Brennteile: „Jedes Bauteil war nicht nur nach Zeugnis gestempelt, sondern mit der genauen Positionsnummer verwechslungssicher beschriftet und sogar entgratet.“ So passte für ihn in der Zusammenarbeit mit Jebens einfach alles: Das innovative Verfahren hat gehalten, was er sich davon versprochen hat, Termintreue und Qualität waren optimal. „Ich habe mich als Kunde nie allein gelassen gefühlt, sondern für mich war die Zusammenarbeit mit Jebens ein Rundum-sorglos-Paket“, stellt Stefan Biniszkiewicz anerkennend fest. Deshalb ist er auch bereits mit neuen Anfragen an den Brennschneidspezialisten herangetreten, denn insbesondere das 3D-Brennen ist aus seiner Sicht ein hochinteressantes Zukunftsthema: „Gerade im Bereich Hütten- und Kraftwerke sehe ich viele Möglichkeiten, wo man Schweißkonstruktionen aus dem Vollen als integral gebranntes Bauteil schneiden kann – und dadurch sehr viel Zeit und Geld spart.“

Über den Dienstleister

Jebens ist Spezialist für schwere Brennteile, mechanische Bearbeitung und geschweißte Konstruktionen mit Stückgewichten bis zu 160 t und Standorten in Korntal-Münchingen und Nördlingen. Mit seiner siebenstufigen Fertigung von Produkten in Dickenbereichen von 8 mm bis 1400 mm, Breiten bis 5000 mm und Längen bis 20000 mm steht das Unternehmen für Maßarbeit in Stahl. Als Tochter des weltweit größten Grobblechherstellers, Dillinger, hat Jebens Zugriff auf richtungsweisendes Stahl-Know-how, auf führende Technik, moderne Maschinen und Anlagen und den größten Glühofen Süddeutschlands.

Wessel GmbH Kessel- und Apparatebau
Hagdornstraße 10
46509 Xanten
Ansprechpartner ist Stefan Biniszkiewicz
Tel.:  +49 2801 74-0
info@wessel-xanten.de
www.wessel-xanten.de

Jebens GmbH
Daimlerstraße 35-37
70825 Korntal-Münchingen
Ansprechpartner ist Carsten Schmickler
Tel.: +49 711 8002-0
info@jebens.dillinger.biz
www.jebens.de

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