Im Gesenkschmiedeprozess geht es schnell zu. Das obere Gesenk schlägt in wenigen Sekunden zu und formt unter hoher Krafteinwirkung das heiße Metall. Bereits beim Lesen dieser Worte wird einem bewusst wie stark der Verschleiß wohl sein muss.

Je länger ein Gesenk nutzbar ist, umso besser. Damit die Gesenke diesen permanent hohen Belastungen standhalten können, besitzt der Sprühkopf mit seiner Kühl- und Schmieraufgabe eine Schlüsselfunktion. Er befindet sich am Ende einer Sprühanlage und wird zwischen den Schmiedeoperationen direkt in die geöffneten Gesenke eingefahren.

Zurzeit verändern sich durch die Entwicklung neuer Antriebe auch die Schmiedeteile. Sie werden kleiner, leichter und müssen mit immer kleineren Taktzeiten produziert werden um kostengünstiger zu werden. Auch die Teile der Automation für die Sprühtechnik müssen damit leichter werden und genau hier haben die Ingenieure von SMS mit einem besonders leichten Sprühkopf nun neue Türen aufgestoßen.

Entwicklung

Es gab in der Findung der endgültigen Form mehrere Schritte. Zuerst sollte nur der innere Bereich des Plattensprühkopfes ersetzt werden. Dies ist auch oft der übliche Weg bei der Umkonstruktion vom konventionell gefertigten Teil hin zum additiv gefertigten Teil. Schnell war aber klar, dass dies noch nicht der ganze Weg sein konnte.

So wurde in einem weiteren Schritt die eigentliche Funktion nur noch mit einer Wandstärke ummantelt. Letztendlich ergab sich dann das heute Design. Die Tatsache, dass heute überwiegend Kunststoff anstatt Metall zum Einsatz kommt, hat dabei keinen Einfluss auf das Design.

Nach jedem Schmiedevorgang öffnet sich die Schmiedepresse. Die Berührzeiten mit den Gesenken sollten möglichst kurz sein, um die thermische Belastung so gering wie möglich zu halten und schnellen Material-transport der Schmiedeteile zu ermöglichen. In diesem kleinen Zeitfenster muss die Gesenkpflege stattfinden. Der Sprühkopf muss dann möglichst schnell an seine Position gebracht werden. Der Tragarm, an dem sich die Sprühköpfe befinden, wird zwischen den Schmiedungen in den Gesenkraum eingefahren.

• Der Tragarm muss so mobilisiert sein, dass die Funktion der Kühlung schnell zwischen den einzelnen Schmiedungen erfolgt. Auch darf das Schmiedeteil nicht an Temperatur verlieren. Darüber hinaus müssen die Tragarme robust ausgelegt und gut erreichbar sein, um die Sprühköpfe bei Bedarf wechseln zu können. Dieses System stellte in der Vergangenheit große Herausforderungen an den Kühl- und Schmierprozess dar, was insbesondere auf die Sprühköpfe zurückzuführen war, denn die herkömmlichen Sprühköpfe waren durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
• relativ schwer mit Gewichten bis 15 kg je Kopf
• die Kanäle sind ungünstig für Strömungen, da sie eckig sind und oft in rechten Winkeln umgeleitet werden
• bei Fehlfunktionen der Presse können die Gesenke beschädigt werden
• es sind viele Bauteile enthalten, auch kleinere Teile wie Schrauben, die immer eine potentielle Gefahr für die Schmiedeteile selbst darstellen
• begrenzter Druckbereich bis 3 bar
• Ansammlungen von Flüssigkeit auf der Oberfläche, die beim Rückzug in die Gesenke fällt

Durch diese Nachteile getrieben, entwickelte man mit Hilfe des Additive Manufacturing neue Sprühköpfe, die zudem noch viele Vorteile vereinen.

• nur noch ein Zehntel des Gewichts von herkömmlichen Sprühköpfen
• dadurch bedingt geringere Investitionskosten an der Sprüh-Automation
• schnellere Bewegungen durch geringere Massenträgheit möglich
• Strömungsoptimierte Kanäle
• dadurch bedingt kaum noch Wartung und keine Verstopfungen mehr
• keine Beschädigungen am Gesenk beim Crash
• keine Kleinteile, wie Schrauben, die sich lösen und ins Gesenk herabfallen könnten
• durch eine durchbrochene Form gibt es keine Flüssigkeitsansammlungen auf der Oberfläche mehr
• höhere Drücke jenseits von 3 bar einstellbar
• durch die verwendeten Düsenformen gibt es kein Verschleiß an den Düsen

Die leichteste Form einen Sprühkopf zu konstruieren

Die Ingenieure von SMS haben eine Geometrie gefunden, die nicht nur im Sinne des Wortes die leichteste Form darstellt, sondern auch leicht zu erstellen ist. Hier bietet SMS einen Online Konfigurator an, womit man als Betreiber den Konstruktionsaufwand eines angepassten Sprühkopfes nahezu komplett einsparen kann.

Es sind Sprühkopfe, die nur noch ein Zehntel der herkömmlichen Gewichtsbelastung für die Sprühautomation bedeuten und es bedarf keiner aufwendigen Rechnung, um festzustellen, dass der Verschleiß der Gelenkteile im Tragarm extrem vermindert wird. Gewichtsreduzierte Tragarme mit schnellerer Funktion wären also denkbar. Im Laufe der Entwicklung und Zusammenarbeit mit den Kunden unter Praxisbedingungen zeigte sich, dass Lösungen aus Kunststoff sämtliche Anforderungen erfüllen.

Erfolgreich im Praxiseinsatz

Die Sprühköpfe konnten inzwischen erfolgreich getestet und eingesetzt werden. Dabei konnten meist die vorhandenen Anschlüsse genutzt werden. Die eingesetzten Sprühköpfe aus Polyamid wiesen im Dauerbetrieb eine Temperatur von maximal ca. 50°C auf und arbeiteten ohne Probleme. Bei einem Test zusammen mit einem unserer Kunden wurden sogar nur 14°C gemessen. Einige Sprühköpfe wurden so ausgelegt, dass eine Schaltung von Wasser und einem Graphit basierten Sprühmittel wechselnd möglich ist. Die Düsen selbst können ebenfalls per Schaltung verschlossen werden. Das garantiert, dass keine Flüssigkeit entweichen kann, wenn dies nicht gewollt ist. Alle Schaltungen werden mit Druckluft ausgelöst. Sowohl SMS Mitarbeiter als auch die Betreiber waren bei den Einsätzen sehr zufrieden mit dem 3D-Sprühkopf. Das Sprühbild der außenmischenden Düsen ist hervorragend homogen. Die Gesenke sind sauberer und der Sprühmittelverbrauch ist dementsprechend geringer. Das Handling war den konventionell gefertigten Teilen überlegen. Ablagerungen im Inneren, die bei konventionellen Sprühköpfen oft anfallen, konnten nicht festgestellt werden. Der Grund dafür liegt in einer strömungsoptimierten Leitungsführung zu den Düsen.

Designpreis als i-Tüpfelchen

2019 gewann der 3D-Sprühkopf des German Design Award. Wir freuen uns sehr über diese Auszeichnung, weil sie ein besonderes Produkt ehrt, das die Optik ausschließlich durch seine Funktion erhält.

Nicht nur das Bauteil alleine war für die Jury wichtig. Dahinter steht das gesamte Thema der additiven Fertigung, welches ganz neue Möglichkeiten für Design und Funktion bietet.

SMS group GmbH

Tätigkeitsschwerpunkte

• neue technologische Entwicklungen in der Umformtechnik
• Ideenfindung und Problemlösungen
• Beratung zu Technologie, Vertriebsunterstützung in der Schmiedetechnik
• Forschungsprojekte

Branchen- und Technologiefelder

• Maschinen-/ Anlagenbau
• Massivumformung Automotive und Luftfahrt
• Entwicklung additiv gefertigter Teile

Wichtigste Regionen für die eigene Wertschöpfung (Entwicklung/Produktion/Märkte)

• Europa
• USA
• China

www.sms-group.com

Abbildung 1: Reduzierung auf die Funktion
Abbildung 2: Entwicklungsweg der Form 3D-Sprühkopf
Abbildung 3: Herkömmlicher Sprühkopf in Aktion
Abbildung 4: Neuer Sprühkopf (Metall)
Abbildung 5: Bild des gedruckten Sprühkopfes im realen Einsatz