ModulTherm - ALD Vacuum Technologies
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FACHBERICHTEverschlossen ist. An dieser Kammer istauch die Gasverteilung für das Aufkohlungsgassowie der speziell ausgelegtePumpsatz für die Vakuumaufkohlung angeordnet.An dieses Modul schließt sichdie Diffusionszone an, die aus zwei thermischgetrennten Plätzen besteht. Dieletzte Kammer des Durchlaufsystems istdie Gasabschreckkammer, die für Abschreckdrückebis 20 bar ausgelegt istund mit unterschiedlichen Abschreckgasenbetrieben werden kann. Im Innerenbefinden sich Rippenrohr-Wärmetauscheraus Kupfer, welche die Wärme ausder Charge ins Kühlwasser ableiten.Vorteil der getakteten Vakuum-Wärmebehandlungsanlageist, dass alle Chargenden gleichen Weg durch die Anlage nehmenund dadurch die höchste Reproduzierbarkeitgegeben ist. Nachteil dieserBauart ist allerdings, ähnlich wie bei Gasaufkohlungs-Durchstoßanlagen,dass imFalle einer Störung mehrere Chargen inder Anlage betroffen sein können. Außerdemist der Wartungsaufwand der Aufkohlungszonerelativ hoch, da in dieserKammer kontinuierlich Kohlungsgas eingespeistwird. Im Gegensatz zu den konventionellenAnlagen ist eine Wartung allerdingsdeutlich schneller durchführbar,da keine Zeiten für Inertisierung und Formierungerforderlich sind. Die <strong>ALD</strong> hat13 dieser Durchlaufanlagen geliefert, diealle in der Serienproduktion im Einsatzsind.Entwicklung der<strong>ModulTherm</strong> ® -AnlageBild 2: Transportschema einer verketteten Mehrkammeranlage <strong>ModulTherm</strong> ®Fig. 2: Transport scheme of linked multi-chamber furnace system modulthermBild 1:Getaktete Vakuum-Härteanlage, Durchsatz800 kg/hFig. 1:Sequential vacuumhardening plant,throughput 800 kg/hAufgrund der Erfahrungen mit den getaktetenAnlagen wurde bei <strong>ALD</strong> im Jahre2000 mit der Entwicklung einer neuenAnlagengeneration begonnen. Einer derwesentlichen Gründe war die geringeFlexibilität der getakteten Durchlaufanlageim Bezug auf Erweiterbarkeit. Bei dieserAnlage handelt es sich um ein relativstarres System, das bei einer bestimmtenAufkohlungstiefe einen optimalen Durchsatzbringt. Der Anwender ist praktischgezwungen, die Anlage von Anfang anauf den maximalen Durchsatz hin auszulegen.Dies bedeutet eine relativ hohe Investitiongleich zu Beginn eines Projektes.Ein Hochlauf der Stückzahlen, wie ermeist geplant wird und daran angepassteInvestitionen ist mit der beschriebenenAnlagentechnik praktisch nicht möglich.Das Neue System musste also im Bezugauf einfache Erweiterbarkeit hin konstruiertwerden. In der Konstruktionsphasewurden dazu mehrere Lösungsansätzedurchdacht und als optimale Lösung dasPrinzip „verkettet Einzelanlage“ ausgewählt.Das festgelegte Design erlaubte eineeinfache Nachrüstung von zusätzlichenBehandlungskammern ohne Stillstandder Basisanlage. Das Modul-Therm‚- Prinzip stellt einen wesentlichenVorteil gegenüber Systemen mit einemVerbindungstunnel zwischen den einzelnenKammern dar. Ein Tunnelsystemmuss zur Wartung komplett stillgelegtwerden und kann auch nur unter mehrwöchigerAbschaltung des Gesamtsystemserweitert werden.Besonderen Wert legte man bei <strong>ALD</strong> aufdie Auswahl des Transportsystems, dasdie Charge vom Übergabeplatz in dieBehandlungskammer, bzw. von der BKin die Abschreckkammer transportiert(Bild 2). Man entschied sich für ein amMarkt verfügbares Gabelhubsystem, dasbeispielsweise in Regalsystemen zumEinsatz kommt. Aufgrund der relativ hohenChargentemperatur wählte man, bezogenauf das Chargengewicht, einemehrfach überdimensionierte Ausführungder Transportgabel. In diesem Zusammenhangwurde eine Basisversionfür Chargengewichte bis 500 kg und eineOption bis 1000 kg Chargengewicht festgelegt.Ein besonderer Vorteil der gewähltenKonstruktion ist, dass wederKühlwasserschläuche noch Endschalteroder sonstige Antriebe innerhalb derKammern angeordnet sind. Die Antriebewurden mit entsprechenden Gelenkwellennach außen verlegt und innerhalb derKammern sind nur Zahnrad/Zahnstangenantriebepositioniert.Bei der Konstruktion der Behandlungskammernstand die Wartungsfreundlichkeitim Vordergrund. So wurde z. B. an2elektrowärme international · Heft 1/2006 · März
FACHBERICHTEder Rückseite der BK eine Servicetür angebracht,die es erlaubt, einzelne Kammernwährend des Betriebes der restlichenAnlage zu warten. Die Behandlungskammernkönnen wahlweise mitoder ohne Einrichtung zum konvektivenErwärmen ausgestattet werden. Durchdiese Einrichtung ist eine Kammer auchbestens für Anlassbehandlungen bis 750°C geeignet und kann so flexibel für dasVergüten von Werkzeug- oder Formenstählenverwendet werden.Generation derGasabschreckkammerNeben der Vakuumaufkohlung, die in deneinzelnen Behandlungskammern durchgeführtwird, ist die Hochdruck-Gasabschreckung,die das Härten der Bauteilebewirkt, ein weiterer wesentlicher Prozessschritt.Die dazu erforderliche Kammerwurde ebenfalls, basierend auf denErfahrungen mit den Durchlaufanlagen,neu entwickelt. Der Druckbehälter wurdeals liegender Zylinder ausgeführt und alsTürkonstruktion wurden seitlich verfahrbareSchieber gewählt, die mit pneumatischenDichtungen versehen sind. Linksund rechts an diesem Zylinder sind dieUmwälzmotoren angeordnet, die überStrömungsleitsysteme das Abschreckgasin der Kammer beschleunigen (Bild 3).Die Abschreckkammer ist modular aufgebautund kann je nach Anforderungausgestattet werden. Beispielsweise kannzwischen einem oder zwei Wärmetauschern(oberhalb bzw. unterhalb derCharge) gewählt werden. Ist die FunktionGasreversierung vorgesehen, sind automatischzwei Wärmetauscher in der Abschreckkammerinstalliert. Die Strömungsreversierungwird über ein Klappensystembewirkt, das die Strömungsumkehrinnerhalb zwei Sekunden realisiert.Im Rahmen der Konstruktion der Gasabschreckkammerder 2. Generation wurdeunter anderem das <strong>ALD</strong>-Dynamic-Quenching® entwickelt. Bei diesem Verfahrenwerden die Einflussfaktoren der Abschreckung,wie Gasdruck und Strömungsgeschwindigkeit,temperatur- bzw.zeitabhängig gesteuert. Diese Art der Abschreckunghat maßgeblichen Einflussauf das Verzugsverhalten der Bauteile.Eine weitere Möglichkeit während derAbschreckung verzugsmindernd einzuwirkenist die Reversierung der Strömungsrichtungdes Abschreckgases. Besondersbei massiven Bauteilen aus höherlegierten Einsatzstählen kann durchdiese Reversierung eine geringere Streuungder Härte innerhalb einer Charge erreichtwerden, was direkten Einfluss aufdas Verzugsverhalten der Bauteile habenkann.Die Abschreckkammer ist gemeinsammit der Transportkammer, in der sich dasBild 4:Basisversion einer<strong>ModulTherm</strong> ® -AnlageFig. 4:Basic version of amodultherm-systemBild 3:Modulare Abschreckkammerfürdie Hochdruckgasabschreckung(20bar)Fig. 3:Modular quenchingchamber for highpressure quenching(20 bar)Gabel-Transportsystem befindet, auf einemFahrwerk montiert. Zur Abschreckungwird das Shuttle, wie die Kombinationaus Transport- und Abschreckkammerbezeichnet wird, an die jeweiligeBehandlungskammer angedockt. Diesgeschieht über einen Hub der Transportkammer,die anschließend mit einer Vakuumpumpevom Luftsauerstoff befreitwird. Die Abschreckkammer steht unterdessenimmer unter Vakuum. Durch dieseAnordnung ist ein äußerst schnellerChargentransport von der BK in die AKmöglich. Dies geschieht in einem Zug,ohne zwischenzeitliches Absetzen derCharge. Da der Transport unter Vakuumstattfindet, ist nur ein sehr geringer Temperaturabfallder Charge während desUmsetzens zu beobachten. Während derAbkühlung der Charge in der Abschreckkammerkann bereits die nächste zu behandelndeCharge in die BK eingeschleustwerden, was einen hohen Nutzungsgradder Anlage gewährleistet.Wartungsfreundliches SystemBei der Konstruktion der <strong>ModulTherm</strong> ® -Anlage (Bild 4) wurden Erkenntnisse ausder getakteten Vakuum-Durchlaufanlageebenso verarbeitet, wie aus anderen amMark befindlichen Systemen. GegenüberTunnelsystemen sind bei der Modul-Therm ® -Anlage deutliche Vorteile gegeben:• Vakuumdichter Verschluss aller Behandlungskammern,dadurch keineProzessbeeinflussung in anderen BK• Direkte Absaugung der Prozessgaseaus der BK, dadurch keine unerwünschteKondensation von Aufbauproduktenin Teilen der Anlage (z. B.Tunnel)elektrowärme international · Heft 1/2006 · März 3
FACHBERICHTE• Keine Kabel, Schläuche, Motoren oderEndschalter im Bereich des Vakuumsoder der Prozessatmosphäre• Einfache Erweiterbarkeit der Anlageum weitere BKs während die restlichenBKs weiterarbeiten• Wartung einzelner BK ohne Abschaltungder Gesamtanlage• Servicetür an der Rückseite jeder Behandlungskammer,dadurch gute ZugänglichkeitNach der Installation der ersten Anlagedes Typs <strong>ModulTherm</strong> ® wurden gleichdie Vorteile bzgl. Wartung und vorbeugenderInstandhaltung deutlich. Es zeigtesich, dass entgegen den Erfahrungen mitgetakteten Anlagen die Wartungsintervalleder Aufkohlungskammern entscheidendverlängert werden konnten. DieAnlagen konnten von Anfang an rund umdie Uhr betrieben werden und die erforderlichenWartungen wurden, wie geplant,bei laufendem Betrieb durchgeführt.Verfahrensentwicklungen imBereich „Neue Technik“Die Flexibilität der Ausstattung der <strong>ModulTherm</strong>-Anlageist gleichbedeutendmit der Flexibilität bzgl. der möglichenProzessvarianten. Da die Ausgangsatmosphärein den Behandlungskammern immerVakuum ist, können die unterschiedlichstenProzesse im direkten Wechsel gefahrenwerden. Dies prädestiniert dieAnlage eigentlich für den flexiblen Einsatzmit wechselnden Chargen und Prozessen.In den meisten Fällen wird die<strong>ModulTherm</strong>-Anlage z. Zt. in der Serienproduktionfür das Einsatzhärten vonBauteilen für Getriebe oder Einspritztechnologieeingesetzt.Die <strong>ModulTherm</strong> ® -Anlage ist für folgendeVerfahren bereits im Einsatz:• Härten im Temperaturbereich bis1250 °C• Vergüten (mehrmaliges Anlassen inden BK mit Zwischenabkühlung)• Aufkohlen von Bauteilen ohne Härten• Einsatzhärten im Temperaturbereichvon 800 °C bis 1050 °C• Carbonitrieren von niedrig legiertenEinsatzstählen• Entölen von Werkstücken aus Sintereisen• Löten im Temperaturbereich bis1200 °CDurch umfangreiche periphere Anlagensind weitere Prozessschritte in die <strong>ModulTherm</strong>® -Anlage zu integrieren:• Vorwaschmaschine• Voroxidationsofen• Kammeranlassofen• Durchlaufanlassofen• TiefkühleinrichtungBild 5:Einfache Erweiterungeiner Modul-Therm ® -Anlage biszu 10 BehandlungskammernFig. 5:Easy expanding ofthe modulthermsystemup to 10treatment chambersMit einem außen liegenden Transportsystemkann die Anlage zum vollautomatischenWärmebehandlungssystem ausgebautwerden. Der Bediener setzt lediglichdie Charge auf einem Chargiergestell aufund ordnet der Charge einen Behandlungsablaufmit den Rezepten für die einzelnenProzessschritte zu. Die Abarbeitungder Chargen erfolgt dann vollautomatisch.Meist werden die Anlagen mitRegalsystemen ausgestattet, um mehrereSchichten mannlos mit der Anlage zuproduzieren.AnlagensteuerungDie Gesamtanlage <strong>ModulTherm</strong> ® mit denBehandlungskammern zum Härten oderEinsatzhärten und den entsprechendenperipheren Modulen, die oben beschriebenwurden, verfügen über ein gemeinsamesLeitsystem. In diesem Leitsystemwerden die einzelnen Abläufe mit den dazugehörigenRezepten verwaltet. D. h. dieeinzelnen Fahrbefehle werden vom Leitsysteman die entsprechenden Steuerungender einzelnen Komponenten weitergeleitetund dort abgearbeitet. Weiterhinerfolgt die Speicherung der Behandlungsdatenmit den eingegebenen Chargendatenbezogen auf den genauen Behandlungszeitpunkt.Diese Daten könnendann beispielsweise als Wärmebehandlungsprotokollchargenspezifisch ausgegebenwerden. Es ist selbstverständlichmöglich diese Daten über bestehendeNetzwerke zu versenden um sie auf einemvorhandenen Server zusätzlich zuspeichern.FazitMit dem flexiblen Wärmebehandlungssystem<strong>ModulTherm</strong> ® (Bild 5) ist der<strong>ALD</strong> ein hervorragendes Werkzeug fürdie moderne Wärmebehandlung gelungen.Die hohe Flexibilität bei gleichzeitighohem Chargendurchsatz macht das Systemgleichermaßen interessant für dieAnwendung in der Serienfertigung alsauch in der Lohnhärterei. Durch die sauberenund trockenen Prozesse ist die Anlagentechnikprädestiniert für die Integrationin die Fertigung. Die Potenzialefür verzugsarmes Härten eröffnen Möglichkeitender Kosteneinsparung durchUmstellung der Fertigungskette. Da bereitsdie Marktführer im Bereich der Automobilindustrie,wie z. B. General Motorsoder BMW, die Vorteile der Modul-Therm ® -Anlagen erkannt haben unddiese für die Fertigung nutzen, kann mandavon ausgehen, dass die Anlagentechnologiesich weiterhin erfolgreich imMarkt durchsetzen wird.Autor:Karl Ritter<strong>ALD</strong> <strong>Vacuum</strong> <strong>Technologies</strong> AGTel.: 06181 / 3073279karl.ritter@ald-vt.de4elektrowärme international · Heft 1/2006 · März