Wissen und Metall in Fluss

Um gleichzeitig die Qualität zu steigern und die Kosten zu senken, hat ein Hersteller von Gehäusen für Röntgenröhren die Deutsche Mechatronics GmbH (DTMT) aus Mechernich mit ins Boot geholt.

Konventionell werden solche komplexen Spezialgehäuse aus einzelnen, miteinander im Salzbad verlöteten Elementen hergestellt. Ausgangsmaterialien für den zylindrischen Grundkörper mit seitlichen Ausbuchtungen, Flanschen und Bohrungen waren rohrförmige Aluminiumhalbzeuge von etwa 150 mm Durchmesser, an die mehrere Elemente angesetzt wurden. Aufgrund der komplex gebogenen Strukturen war es jedoch kaum zu vermeiden, dass sich einzelne Komponenten verzogen. Die beträchtliche, auf verschiedene Faktoren zurückzuführende Ausschussquote zog hohe Gesamtkosten nach sich, und das Löten von Aluminium im Salzbad war wegen der Auflagen für den Umweltschutz ein steigender Kostenfaktor.

Dieses herkömmliche Fertigungsverfahren untersuchte ein interdisziplinäres Team des zu Rate gezogenen Dienstleisters DTMT. Gefragt wurde, ob Aluminium der richtige Werkstoff ist und wie sich die Anzahl der Fügestellen reduzieren lässt. Ganz prinzipiell tauchte dann die Frage auf, ob überhaupt gelötet oder geschweißt werden muss. Auch die Kosten der Zerspanung sollten reduziert werden und das Qualitätsniveau steigen.

In einem ersten Schritt wechselten die Spezialisten deshalb von Aluminium zu Edelstahl. Damit konnte DTMT die Festigkeit des Gehäuses deutlich erhöhen. Ein willkommener Nebeneffekt war, dass Edelstahl die Strahlung besser als Aluminium abschirmt. So ließ sich gleichzeitig der Bleianteil im Inneren des Gehäuses reduzieren. Um die Zahl der Einzelteile und somit der Schweißnähte deutlich zu verringern, wollte DTMT-Projektleiter Christian Hosse zudem einen möglichst großen Teil des Gehäuses aus einem einzigen Stück mit dem Innenhochdruck-Verfahren (IHU) herstellen. Davon versprach er sich auch eine nochmals erhöhte Strahlungsdichtigkeit und insgesamt eine höhere Prozess-Sicherheit und Maßhaltigkeit.

„Im Grunde war das Gehäuse für das Innenhochdruck-Verfahren geeignet, doch die angestrebten Umformgrade waren beträchtlich“, berichtet Hosse. „An einigen Stellen fließt das Material so sehr, dass die Wanddicke auf die Hälfte reduziert wird.“ In mehreren Schritten wurde die Bauteilgeometrie so modifiziert, dass die vom Kunden vorgegebenen Funktionsmaße in einer einzigen Umformung erreicht werden. Bereits die ersten Nullserienteile erfüllten alle Spezifikationen.

Ein Problem blieben die Kosten. Das Innenhochdruck-Verfahren war bisher wegen der hohen Anlagenkosten eher großen Serien vorbehalten. Mit einer geplanten Stückzahl von rund 1500 Stück pro Jahr schien DTMT weit von einer wirtschaftlichen Produktion entfernt zu sein. Daraufhin entwickelten die Spezialisten eine Hydroformanlage, die an die Anforderungen der Klein- und Mittelserienfertigung angepasst ist und mit der sich auch geringere Stückzahlen erstmals kostengünstig herstellen lassen. Die Anlage ist für 1500 bis 10 000 Stück im Jahr sehr gut geeignet. Ein Vorteil ist, dass sie sich aufgrund ihres modularen Aufbaus leicht an andere Werkstückgeometrien und -abmessungen anpassen lässt. Derzeit ist sie für Werkstücklängen bis 600 mm und einen Rohrdurchmesser von bis zu 150 mm ausgelegt. Der Umformdruck liegt bei bis zu 1500 bar, die Schließkräfte reichen bis 10 000 kN.

Am Ende der Entwicklungsphase hatte DTMT eine Lösung erarbeitet, die mit verbessertem Strahlungsschutz, höherer Prozess-Sicherheit und neuem Design weit über den ursprünglichen Erwartungen des Kunden lag. Dennoch blieben die Stückkosten deutlich unter denen des Aluminiumgehäuses. Zudem konnte durch die Kombination des Hydroformverfahrens mit der 3D-Schneid-Schweiß-Laser-Technologie von DTMT der Anteil der spanabhebenden Fertigung um etwa 60 % reduziert werden.

Dr. Uwe Stein Fachjournalist in Aachen

Hoher Umformgrad führte zu halber Wanddicke