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Komplettlösung für das Schmieden von Turbinenschaufeln aus Titanaluminid

Siempelkamp: Auftrag für zwei Isotherm-Schmiedepressen
Die gesamte Anlage, links die Schmiedepresse, in der Mitte die Beschick- und Entnahmevorrichtung.

Die Leistritz Turbinentechnik GmbH hat Siempelkamp den Auftrag über Konstruktion und Lieferung zweier 8-MN-Isothermschmiedeanlagen für die Herstellung von Triebwerksschaufeln aus Titanaluminid erteilt. Mit diesen Schmiedepressen wird der Kunde Komponenten für die neue Generation von Flugzeugtriebwerken herstellen, welche im Vergleich mit bisher verwendeten Nickelbasislegierungen bei gleicher Festigkeit um bis zu 50 Prozent leichter sind und einen deutlich reduzierten Kraftstoffverbrauch ermöglichen.

Titanaluminid zeichnet sich aufgrund seiner intermetallischen Gefügestruktur durch hohe Festigkeit und exzellente Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus. Gleichzeitig ist es mit einer Dichte von etwa 4 Gramm pro Kubikzentimeter besonders leicht. So ist es ideal für Flugzeugtriebwerke geeignet. Der Werkstoff hat das Potenzial, Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken um bis zu 50 Prozent leichter zu machen – was mit einer erheblichen Reduzierung der Fliehkräfte einhergeht. Die schlankere Dimensionierung der Triebwerke, die mit den neuen Komponenten möglich ist, leistet einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches.

Intermetallisches Titanaluminid galt jedoch lange Zeit als nicht schmiedbar. Das Schmieden erzeugt im Gegensatz zum Gießen ein spezielles Rekristallisationsgefüge, das für die rotierenden Triebwerksteile aus Sicherheitsgründen erforderlich ist. Hinzu kommt, dass die Prozessstabilität beim Schmieden höher als beim Gießen ist und die Turbinenschaufeln so die extrem hohen Qualitätsanforderungen der Luftfahrtindustrie erfüllen.

Deshalb hat Leistritz ein neues Verfahren entwickelt, bei dem die Rohlinge unter eng definierten Bedingungen bei Temperaturen zwischen 1.150 und 1.300 °C rissfrei umgeformt werden. Diese hohen Umformtemperaturen und die lange Verweilzeit der Schmiedeteile im Gesenk – die Umformgeschwindigkeiten liegen in einer Größenordnung von weniger als 0,1 mm/s – verlangen ein Beheizen der Werkzeuge auf Schmiedetemperatur.

Die extrem niedrigen Pressgeschwindigkeiten erfordern eine besonders exakte und gleichmäßige Regelung des hydraulischen Antriebs. Stick-slip-freie Spezial-Führungs- und Dichtungssysteme stellen eine gleichmäßige Kompression sicher und vermeiden so unerwünschtes Ruckgleiten. Der symmetrische Aufbau der Pressen mit einer weit außen liegenden Kreuzfadenführung ermöglicht höchste Präzision am Schmiedeteil: Da die Führungselemente von der Wärmequelle entkoppelt sind, entstehen keine thermischen Einflüsse auf die Führung. Auch tragen der große Führungsabstand und die hohe Steifigkeit des Pressengestells zur präzisen gegenseitigen Ausrichtung von Ober- und Untergesenk im Prozess bei.

Leistritz betreibt bereits seit 1984 eine 50-MN-Isothermschmiedepresse von Siempelkamp. Aufgrund der guten Erfahrungen und der Kompetenz von Siempelkamp für das technologisch anspruchsvolle Verfahren des Isothermschmiedens hat Leistritz früh Kontakt mit Siempelkamp aufgenommen und unterschiedliche Konzepte diskutiert. Bereits bei der Vorserienproduktion begannen die Engineeringgespräche zum Design der späteren Fertigungsline. Ab Anfang 2014 haben beide Unternehmen gemeinsam das Anforderungsprofil der Anlage für den Serienbetrieb erarbeitet; im November 2014 hat Leistritz Siempelkamp den Auftrag für Entwicklung und Herstellung von zwei Anlagen für die Serienfertigung der Turbinenschaufeln erteilt. Da das in den Gesenken enthaltene Molybdän bei Temperaturen über 600 °C an der Luft sublimiert, müssen die Gesenke vor Sauerstoffzutritt geschützt werden. Deshalb ist die gesamte Anlage eingehaust, der gesamte Prozess vom Einlegen des Rohlings mit Raumtemperatur bis zur Entnahme der geschmiedeten Turbinenschaufeln läuft automatisch und in Schutzgas-Atmosphäre ab.

Siempelkamp liefert beide Anlagen aus einer Hand: Der Lieferumfang umfasst jeweils einen Drehherdofen, einen Beschickungsmanipulator, die Schmiedepresse, die Gesenkbeheizung, das hydraulische Antriebssystem und die gesamte Elektrik. Die Prozesssteuerung überwacht und dokumentiert die Prozessparameter gemäß den Zertifizierungsstandards der Luftfahrtindustrie.

Die erste Presse wird im März 2016 die Serienfertigung aufnehmen, die zweite ein Jahr später.

Über Siempelkamp:

Siempelkamp hat jahrzehntelange Erfahrung mit der Konstruktion und dem Bau von Metallumformpressen. Dazu zählen unter anderem Blechbiegepressen für die Großrohr- und Halbschalenherstellung, Richtpressen, Pressen zur Herstellung von Längsträgern, Wärmetauscherplattenpressen, Hydroformpressen, Pressen für die Herstellung von Hinterachsbrücken, sowie das gesamte Spektrum von Gesenk- und Freiformschmiedepressen. Schwerpunkte sind Pressen mit großen Presskräften, die kundenspezifisch angefertigt werden.

Die Siempelkamp-Gruppe ist als Technologieausrüster mit den drei Geschäftsbereichen Maschinen- und Anlagenbau sowie Gusstechnik und Nukleartechnik international ausgerichtet. Als Systemlieferant von Pressen und Pressenstraßen für die Metallindustrie sowie von kompletten Anlagen für die Holzwerkstoffindustrie genießt das Unternehmen Weltgeltung.

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Neubau und Modernisierung von großen Pressen in Russland und China

Siempelkamp: Pressen für die gesamte Prozesskette vom Ingot zum fertigen Bauteil
Walzen eines Ringes bei der Werksvorabnahme in Krefeld.

Auf dem Gemeinschaftsstand des Verbands „Deutsche Massivumformung“ auf der Hannover Messe stellt Siempelkamp Lösungen aus einer Hand für Bau und Modernisierung von außergewöhnlich großen Anlagen für alle Stufen der Metallumformung vor.

Mit zwei aktuellen Groß-Projekten beweist das Unternehmen seine hohe Kompetenz als Systemlieferant und Anbieter von Komplettlösungen: bei der russischen Electrostal mit Pressen entlang der gesamten Prozesskette für die Herstellung von Ringen mit einem Durchmesser bis zu 4.000 mm und bei der chinesischen Dalian Shijie mit einer 200-MN-Gesenkschmiedepresse. Siempelkamp ist der weltweit einzige Hersteller von großen Pressen für die Metallumformung, der seinen Kunden die gesamte Palette von Leistungen aus einer Hand bietet – von der Konstruktion über das Gießen und Bearbeiten der Gussteile bis zur Montage und Inbetriebnahme vor Ort.

Electrostal: vom Schmieden der Vorformen über die Herstellung der Ringrohlinge bis zum fertigen Ring

Mit der neuen Ringwalzanlage hat Siempelkamp sein Produktportfolio hin zu weiterführenden Produktionsstufen erweitert. Mit einem Gesamt-Konzept versetzt das Unternehmen den russischen Kunden Electrostal in die Lage, den gesamten Fertigungsprozess von Ringen vom Schmelzen des Metalls über die Vorprodukte bis hin zum gewalzten Ring zu vollziehen. Der Kunde, ein Ausrüster der Luft- und Raumfahrtindustrie, integrierte zwei von Siempelkamp gelieferte Anlagen in sein Werk. Außerdem baut das Krefelder Unternehmen derzeit eine vorhandene Presse zu einer Multifunktionspresse um.

Die neue 200-MN-Gesenk-Schmiedepresse ist die erste dieser Größenordnung mit einer integrierten Gesenkbeheizung und einer doppelten Werkzeugbeheizung, mit der sowohl das Ober- als auch das Untergesenk in den Schmiedepausen auf konstanten 800 °C gehalten werden. Mit der Presse stellt Electrostal unter anderem hochwarmfeste Schmiedeteile mit Abmessungen bis zu 1.200 mm Länge und 800 mm Breite her.

Noch vor der Lieferung der Gesenk-Schmiedepresse erhielt Siempelkamp den Auftrag über die im Produktionsprozess nachfolgende Ringwalzmaschine. Sie gehört mit einer maximalen Axial- und Radialkraft von jeweils 6.300 kN zu den größten ihrer Art weltweit. Im Juni 2014 hat Electrostal die Presse erfolgreich in Betrieb genommen. Die Ringe aus Stahl und Sonderwerkstoffen wie Nickelbasis-, Titan- und Aluminiumlegierungen besitzen einen maximalen Außendurchmesser, der zunächst auf 2.500 mm ausgelegt war und schon während der Erprobung in Krefeld auf 4.000 mm erweitert wurde; die maximale Höhe der Ringe liegt bei 600 mm. Neben dem eigentlichen Walzwerk, der kompletten Hydraulik und der Automatisierung gehört auch die neu entwickelte SicoRoll-Steuerung zum Lieferumfang.

Jüngster Bestandteil des Projektes ist der Umbau der vorhandenen 40-MN-Freiformschmiedepresse des Kunden. Sie wird in Zukunft als Multifunktionspresse sowohl für das Freiform- als auch für das Gesenkschmieden verwendet. Im Rahmen des Umbaus überholt Siempelkamp auch die Wasserhydrauliksteuerung der Presse. Mit der neuen Steuerung wird Electrostal während des Pressvorgangs eine Präzision in der Positionierung des Laufholms von 1 mm erreichen.

Dalian Shijie Aviation Forging: Simultaneous Engineering mit der eigenen Gießerei

Für die Dalian Shijie Aviation Forging Co. Ltd. mit Sitz in Dalian in der chinesischen Provinz Liaoning konstruiert Siempelkamp zurzeit eine 200-MN-Gesenkschmiedepresse. Mit ihr wird der Kunde Komponenten aus Titan- und Nickelbasislegierungen unter anderem für Triebwerke herstellen sowie Teile aus Aluminium für die Flugzeugindustrie. Der Kunde plant darüber hinaus, mit der neuen Presse auch Komponenten für Schienenfahrzeuge und für die Öl- und Gasindustrie zu produzieren.

Die Gesenkschmiedepresse wird eine Presskraft von 200 MN aufbringen; die Abmessungen des Pressentisches betragen 4.000 x 2.200 mm. So ermöglicht die Presse einerseits das Umformen besonders großer Teile und andererseits das mehrstufige Umformen von Bauteilen mit mehreren Gesenken. Der Pressenhub beträgt 2.000 mm. Der ölhydraulische Antrieb erzeugt einen Druck von bis zu 420 bar.

Die Presse besitzt vier Haupt- und vier Hebezylinder, die gleichzeitig als Balancing-Zylinder für den Laufholm arbeiten. Allein der Unterholm wird 265 t wiegen. Samiron Mondal, Geschäftsführer bei Siempelkamp, sieht die Wettbewerbsfähigkeit seines Unternehmens auf dem internationalen Parkett bestätigt: „Mit der Erteilung des Auftrages hat unser Kunde offensichtlich honoriert, dass wir die komplette Presse aus einer Hand liefern. Als weltweit einziger Hersteller von Metallumformpressen konstruieren, gießen und bearbeiten wir außergewöhnlich große Komponenten aus Sphäroguss im eigenen Werk in Krefeld. Und wir bauen Pressen in dieser Größenordnung nicht zum ersten Mal. Das gibt unserem Kunden große Sicherheit bei der Projektabwicklung. Hohe Qualität „made in Germany“ und nachgewiesene Termintreue waren unserem Auftraggeber offensichtlich mehr wert als die geografische Nähe zu anderen Herstellern.“

Siempelkamp auf der Hannover Messe 2015:
13. bis 17. April 2015
Halle 4, Stand E42, Koje 12
Gemeinschaftsstand des Industrieverbandes Massivumformung e. V.

Über Siempelkamp:
Die Siempelkamp-Gruppe ist als Technologieausrüster mit ihren drei Geschäftsbereichen Maschinen- und Anlagenbau, Gusstechnik und Nukleartechnik international ausgerichtet.

Der Siempelkamp Maschinen- und Anlagenbau ist System-Lieferant von Pressenstraßen und kompletten Anlagen für die Holzwerkstoffindustrie, die Metallumformung sowie die Composite- und die Gummiindustrie. Die Siempelkamp Giesserei, eine der weltgrößten Handformgießereien, fertigt aus Gusseisen mit Kugelgrafit Großgussteile bis 320 t Stückgewicht. Siempelkamp Nukleartechnik liefert Produkte und umfangreiche Serviceleistungen für kerntechnische Anlagen.

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