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Hochgeschwindigkeitstrennen von Massivstäben und

Rohren mittels einer adiabatischen Trennanlage

von Dr. Ing. Eberhard Rauschnabel, IFUTEC GmbH, Karlsbad

Co-Autoren: Reinhard Heel,

Dipl.-Ing. Farboud Bejnoud

1. Einführung

Das spanlose Hochgeschwindigkeitstrennen von Stäben und Rohren, auch High-Speed-

Impact-Cutting (HSIC) oder „adiabatisches Trennen“ genannt, hat gegenüber spanabhe-

benden Trennverfahren einige gravierende Vorteile.

Adiabatisches Trennen wird u.a. definiert als „hochgeschwindigkeitsplastische Verfor-

mung in der Trennzone, welche zu einer starken Erwärmung und somit Auflösung oder

Erweichung des Gefüges führt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit findet kein Wärme-

übergang in der Werkstoffrandzone statt“ (nach /1/). Einige Vorteile dieses Verfahrens

sind im Bild 1 zusammengefasst.

Bild 1: Vorteile des Verfahrens

Im Unterschied zum Scheren, das ebenfalls in sehr kurzer Taktzeit ausgeführt werden

kann, aber ein in der Regel kontinuierlicher Schneidprozess ist, erfolgt beim adiabati-

schen Trennen eine impulsartige Beschleunigung des Werkzeugs. In Fachkreisen

spricht man von einer Geschwindigkeit des Trennvorgangs von möglichst nahe 10 m/s.

Das Verfahren wird sowohl zum Trennen von Rohren als auch von Massivmaterial oder

Profilen eingesetzt. Wie man in Bild 2 erkennt, beträgt der eigentliche Schnitt je nach

Maschine und Werkzeug nur wenige Zehntel mm; der Rest stellt eine vergleichsweise

plane Bruchfläche dar.

Vorteile des Hochgeschwindigkeitstrennens

für Massivstäbe, Rohre und Profile

wirtschaftlich für mittlere und große Stückzahlen

durch extrem kurze Zykluszeit

fast plane Schnittfläche

quasi gratfrei (allenfalls Bürsten erforderlich,

wenn Kanten verrundet sein sollen)

kein Verschnitt, keine Späne

Trockenbearbeitung

für fast alle Metalle geeignet


Bild 2: Trennergebnisse

Je höher die Stückzahl bzw. je kürzer die zu trennenden Teile, desto höher ist die Wirt-

schaftlichkeit, nicht zuletzt auch durch das je Trennschnitt eingesparte Material. Die so

getrennten Werkstücke werden sowohl als Fertigteile verwendet (evtl. ist noch eine ein-

fache Endenbearbeitung, z.B. Bürsten zum Verrunden der Trennkanten, nachgeschal-

tet). Oft werden die getrennten Werkstücke dann jedoch noch anspruchsvoll umgeformt,

z.B. mittels Fließpressen, was eine möglichst gewichtsgenaue Trennung mit senkrechter,

ebener Trennfläche erfordern. Weitere interessante Folgebearbeitungen sind beispiels-

weise inkrementelle Umformverfahren wie das Kaltgesenkwalzen von Flanschen (Bild 3)

oder vergleichbare Prozesse, /2/ und /3/.

Bild 3: Kaltgesenkwalzen


Motivation für die Neuentwicklung einer Hochgeschwindigkeitstrennanlage war die Er-

kenntnis, dass die auf dem Markt befindlichen Trennanlagen teilweise sehr komplex und

somit kostenintensiv sind und meist auch störanfällig. Eine technisch besonders faszinie-

rende Lösung ist in /4/ beschrieben, die dem Erfinder jedoch keinen nachhaltigen wirt-

schaftlichen Erfolg zu teil werden ließ.

Auf der Basis von bereits seit 20 Jahren im Serienbetrieb bewährten Anlagen /5/ erfolgte

zunächst eine genaue Analyse der Vor- und Nachteile unterschiedlicher Trennkonzepte

und anschließend eine Neukonstruktion unter Verwendung moderner NC-Technik, zeit-

gemäßer Automation etc.

2. Trennkonzepte

Die Werkzeugtechnik ist bei den meisten bekannten Hochgeschwindigkeitstrennanlagen

vergleichbar. Es werden in der Regel zwei Matrizen verwendet, die nur minimal größer

sein sollten als das zu trennende Werkstück. Eine Matrize ist dabei fest installiert, die

zweite Matrize, in der das abzutrennende Werkstückende geführt wird, ist beweglich

(Bild 4).

Bild 4: Typische Werkzeuganordnung


Ein Ausführungsbeispiel solcher Matrizen ist in Bild 5 dargestellt.

Bild 5: Ausführungsbeispiel eines Matrizenpaars

Bei rohrförmigen Werkstücken sind in der Regel noch Dorne erforderlich, die sich dann

ebenfalls mit möglichst wenig Spiel und perfekt justiert zu den Matrizen links und rechts

der Trennstelle im Rohr befinden.

Wesentlich für die Trennqualität ist neben der bereits erwähnten Schnittgeschwindigkeit

der Schnittspalt, der von der Geometrie, dem Werkstoff usw. abhängig ist. Die Matrizen

und ggf. Dorne sollten möglichst scharfkantig ausgeführt sein; im Verschleißfall können

sie in der Regel relativ einfach neu plangeschliffen werden.

Die großen Unterschiede zwischen den auf dem Markt angebotenen Anlagen bestehen

insbesondere im Antriebskonzept. Meist wirkt der Antrieb nicht unmittelbar auf die be-

wegliche Matrize, sondern es handelt sich vielmehr um ein durch einen Luftspalt von der

Matrize getrenntes Schlagwerk, mit dem eine Masse impulsartig beschleunigt wird und

dann ähnlich dem Newtonischen Gesetz („actio gleich reactio“) gegen die Matrize stößt

und diese beschleunigt.

Die Antriebe können beispielsweise

hydraulisch,

pneumatisch,

elektromagnetisch oder auch

kombiniert

...

ausgeführt werden.


Die Störanfälligkeit der auf dem Markt befindlicher Anlagen resultiert weniger aus dem

Antrieb selbst als vielmehr aus der Problematik, wie man die Matrize nach dem Trenn-

vorgang schlagartig abbremst und in die Ausgangsposition zurückführt. Eine Vielzahl von

Patentanmeldungen konzentriert sich exakt auf diese Fragestellung. Hintergrund ist,

dass die Trennenergie nie ganz exakt auf das Werkstück abgestimmt werden kann, da

die Werkstücke in ihren geometrischen Toleranzen sowie in der chargenabhängigen

Festigkeit usw. schwanken. Aus diesem Grunde muss immer ein Überschuss an Energie

vorhanden sein, um auch im ungünstigsten Fall ein Trennen der Werkstücke prozesssi-

cher zu gewährleisten.

Dieser Problematik trägt ein von der Fraunhofer Gesellschaft (FhG) angemeldetes und

von der IPG übernommenes Patent /6/ Rechnung. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in

Bild 6 zu sehen.

Bild 6: mechanische Trennvorrichtung

(Die Aufkleber dienten zur Durchführung von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen)

Unten rechts im Bild befindet sich der Werkzeugblock, der die feste und die bewegliche

Matrize aufnimmt. Die bewegliche Matrize wird durch einen Stößel (Amboss) beschleu-

nigt; die Abfederung/Rückstellung erfolgt durch Federn. Die Masse, die auf den Stößel

aufschlägt, wird hier durch eine Blattfeder vorgespannt und ist an einem Hebel befestigt,

der an einem Gelenk drehbar gelagert ist. Die Masse kann sich somit wie ein vorge-

spannter Hammer bewegen.

Das Besondere an diesem Trennprinzip ist der einstellbare Anschlag, der sich horizontal

und vertikal verstellbar zwischen Gelenk und Werkzeugblock befindet. Der Anschlag

muss so justiert werden, dass im Ruhezustand der Hebel am Anschlag aufliegt und zwi-

schen der Masse und dem Stößel ein Luftspalt von beispielsweise mehreren Millimetern

verbleibt. Erst bei der federbeaufschlagten Auslösung des vorgespannten Hammers be-

rührt die Masse den Amboss, indem sich der Hebel elastisch durchbiegt. Hier liegt der

große Vorzug dieser Lösung:


Zunächst gibt es über die Hebelübersetzung noch eine zusätzliche Beschleunigung; an-

schließend erfolgt an der Elastizitätsgrenze des Hebels jedoch ein automatisches Stop-

pen der Masse, bevor der Werkzeugblock Schaden nimmt. Durch diese Lösung kann

beispielsweise ein schlagartiges „Antippen“ des Ambosses realisiert werden mit dem

leichten Anschnitt, wie in Bild 2 zu sehen; der gleichmäßige Bruch wird dann durch die

beschleunigte Matrize ausgeführt.

In Bild 7 und Bild 8 sind verschiedene Antriebsbeispiele für das vorgenannte Trennprin-

zip dargestellt; Bild 9 zeigt einen Bewegungsablauf des Hammers

Bild 7: Mechanische Versuchseinrichtung

Bild 8: zeigt die Nachfolgeentwicklung mit pneumatischem Antrieb.

Mechanischer Aufbau Pneumatikzylinder


Bild 9: verschieden Positionen des „Hammers“ während des Trennvorgangs

Die bei IPG in Serie befindlichen vier Trennanlagen arbeiten nach einem ähnlichen Prin-

zip, das in den letzten 20 Jahren entwickelt und laufend optimiert wurde (zuletzt Nach-

rüstung UVV-gerechter Schallschutzkabinen und Steuerungen). Diese Anlagen haben

nun weitgehend ausgedient. Insbesondere die Werkstückzuführung ist störanfällig, wäh-

rend es mit der Trenneinrichtung selber kaum Probleme gab. Sehr aufwändig ist jedoch

das Umrüsten, das mangels exakt geschliffener Werkzeugführungen usw. ein mühsa-

mes, manuelles Justieren erfordert. Dies war letztlich der Auslöser für die Neuentwick-

lung.

Bild 10: Bewährte Serienanlagen zum Trennen von Rohren

Die in Bild 10 dargestellten Anlagen sind fast ausschließlich zum Trennen von Rohren

eingesetzt; die bislang gefertigten Rohrabmessungen sind Tabelle 1 zu entnehmen. Es

handelt sich dabei kundenbedingt vorwiegend um dünnwandiges, geschweißtes Stahl-

rohr.


Tabelle 1: bislang gefertigte Rohrabmessungen

3. Neuentwicklung

Das Lastenheft für die neu zu entwickelnde Anlage „IMPUSCUT II.1“ ist Tabelle 2 zu

entnehmen.

Max. Bauteillänge 80 mm (größere Länge optional)

Min. Bauteillänge 0,75 x d (Rohr) bzw 1 x d (Vollmaterial, werkstoffabhängig)

Max. Querschnittsfläche 500 mm²

Max. Rohdurchmesser 50 mm

Toleranz + / - 0,05 mm bei Bauteillänge bis 80 mm

Tabelle 2: Lastenheft für Impulscut II.1

Außen-Ø (Matrizenabmessung in mm) Innen-Ø (Dornabmessung in mm)

12 9

14,03 11,8

15 10

16,18 14,65

19,18 17,65

22,03 19,65

26,03 23,65

30,03 26,65

35,03 31,45

36,57 32,75

42,03 37,95

47,03 43,15


Voraussetzung war, dass alle auf den bisherigen Serienmaschinen gefertigten Werkstü-

cke auch auf der neuen Anlage realisierbar sind, jedoch mit wesentlich höherem Komfort

und insbesondere der Forderung, dass keine permanente Beaufsichtigung erforderlich

ist. Gleichzeitig sollte jedoch auch vermieden werden, eine „eierlegende Wollmichsau“ zu

kreieren mit einem zu großen Werkstückspektrum und Anforderungskatalog. Stattdes-

sen soll nach Bewährung der Anlage IMPULSCUT II.1 eine leistungsstärkere Anlage

„IMPULSCUT II.2“ nach demselben Vorbild aufgelegt werden, siehe Tabelle 3.

Tabelle 3: geplante Einsatzbereiche Impulscut II.1 und II.2

Bild 11: Neue Serienmaschine Impulscut II.2

Dem in Bild 11 gezeigten Layout der neuen Anlage ist zu entnehmen, dass der Platzbe-

darf im Wesentlichen aus der automatischen Rohr- bzw. Stangenzuführung resultiert,

während die Trennanlage selber vergleichsweise kompakt gebaut ist. Die getrennten

Werkstücke werden entweder in einen Behälter ausgeworfen oder in eine verkettete

Bürst- oder Drehanlage geleitet, sofern ein Kantenbruch oder definierte Stirnseiten-

Geometrien erforderlich sind.

Kennwerte (geometrisch) Impulscut Maschine II.1 Impulscut Maschine II.2 Einheit

max. Scherfläche 500, abhängig vom Werkstoff 1500, abhängig vom Werkstoff mm²

max. Stabdurchmesser 25, abhängig vom Werkstoff 45, abhängig vom Werkstoff mm

min. Stabdurchmesser > 0 10 mm

max. Außendurchmesser Rohr 50 75 mm

min. Innendurchmesser Rohr 6 10 mm

max. Wandstärke Rohr ergibt sich aus der Scherfläche ergibt sich aus der Scherfläche

min. Wandstärke Rohr > 0, abhängig vom Werkstoff > 0, abhängig vom Werkstoff


4. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

In Tabelle 4 ist eine qualitative Abschätzung der Faktoren vorgenommen worden, die die

Wirtschaftlichkeit im Wesentlichen beeinflussen. Während die Investition zwischen einer

Hochgeschwindigkeitssäge und einer Impulscut-Maschine nur unwesentlich

auseinanderliegen und auch viele andere Positionen direkt vergleichbar sind, liegt ein

Hauptunterschied in der Häufigkeit des Werkzeugwechsels. Die Matrizen der Impulscut-

Anlage sind zwar teurer, da sie speziell auf die Anlage angepasst und nicht wie ein Sä-

geblatt „Standardware“ sind; die Standzeit beträgt jedoch ein Vielfaches, sodass die Ma-

schinen nur selten für Werkzeugwechsel oder Werkzeugnacharbeiten gestoppt werden

müssen. Außerdem kann die Nacharbeit der Trennwerkzeuge auf einer einfachen

Schleifmaschine aus dem eigenen Werkzeugbau durchgeführt werden, während Säge-

blätter zur Nacharbeit in der Regel außer Haus gehen. Ein weiteres, wichtiges Merkmal

ist die Trockenbearbeitung beim Hochgeschwindigkeitstrennen, sodass die beim Einsatz

von Kühlschmierstoff üblichen Pflege- und Reinigungsarbeiten entfallen und auch die

Folgebearbeitung davon profitiert.

Tabelle 4: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Kriterium

(Beispiel: Rohr Ø 35x3, 30mm lang

aus Vormaterial 6000mm lang)

High Speed

Säge

Impulscut

II.1

Investition < >

anteilige Personalkosten = =

Werkzeugkosten p.a. inkl. Nacharbeit >> <<

Häufigkeit des Werkzeugwech-

sels/Nacharbeit >> <<

Hilfs- und Betriebsstoffe > < (trocken)

Energiekosten ≧ ≦

Verfügbarkeit > 95% > 95%

Instandhaltungskosten = =

Raumkosten, Platzbedarf = =

Ausbringung (3-schichtig) <<

(ca. 4 Mio. p.a.)

>>

(ca. 14 Mio. p.a.)

Gesamtkosten je Schnitt ohne Material ca. 300 % ca. 100 %

Verschnitt (im obigen Beispiel bei

2,5mm Sägeblatt) 9,5 % 1 %

Legende: = gleich < etwas geringer > etwas größer << viel geringer >> viel größer


Ausschlaggebend in der Wirtschaftlichkeit sind jedoch insbesondere zwei Faktoren:

Zum Einen die wesentlich höhere Ausbringung, das Hochgeschwindigkeitstrennen er-

folgt je nach Anlage im Sekundentakt (der Prozess würde noch deutlich kürzere Taktzei-

ten ermöglichen; bei dem Konzeption der neuen Maschine wurde jedoch insbesondere

auf einen von Anfang an sehr störungsarmen Dauerbetrieb Wert gelegt und zunächst

nicht auf ein „Austesten“ der Prozessgrenzen).

Der zweite noch wesentlichere Faktor ist der Verschnitt, der beim Hochgeschwindigkeits-

trennen lediglich aus einem kurzen Anschnitt besteht (dieser könnte auch entfallen; da

die langen Rohre bzw. Stangen jedoch in der Regel eine andere Schnittqualität aufwei-

sen, ist dieser „Anschnitt“ empfehlenswert). Aus den gleichen Gründen sollte es auch ein

kurzes Reststück geben, zumal die Länge des Rohmaterials nie „exakt“ aufgehen wird.

Der Verschnitt beim spanabhebenden Trennen ist natürlich insbesondere eine Frage der

Werkstücklänge und macht sich umso deutlicher bemerkbar, je kürzer die Abschnitte

sind. Aus diesem Grunde wurde die max. Trennlänge für die neu entwickelte Anlage auf

80 mm festgelegt, optional erweiterbar auf 200 mm. Eine Werkstücklänge von z.B. 200

mm ergibt bis zum Wechsel einer G-Meter-Stange 30 Schnitte, bzw. eine Gesamttaktzeit

von nur gut einer halben Minute. Bei noch deutlich längeren Werkstücken würde sich der

Stangenwechsel somit auf die Maschinenbelegung deutlich höher auswirken als das ei-

gentliche Trennen!

5. Zusammenfassung

Das spanlose, adiabatische Trennen von Rohren und Stäben ist insbesondere zum

Trennen kurzer Rohr- und Stangenabschnitte mit hoher Jahresstückzahl wirtschaftlich.

Die meisten auf dem Markt befindlichen, teilweise aber auch nicht mehr hergestellten

Hochgeschwindigkeits- Trennanlagen sind technisch sehr komplex und somit meist kos-

tenintensiv und störanfällig. Aufbauend auf einer 20-jährigen Serienerfahrung mit dem

Hochgeschwindigkeitstrennen wurde nun eine Nachfolgegeneration entwickelt, die über

moderne NC Technik insbesondere im Bereich der Werkstückzuführung verfügt, aber

auch kurze Umrüstzeiten und modernsten Bedienerkomfort verspricht. Dabei wurden

bewusst Kompromisse hinsichtlich Taktzeit/ Trenngeschwindigkeit und geometrischer

Anwendungsbreite hingenommen zugunsten einer raschen Markteinführung und best-

möglicher Anlagenverfügbarkeit. Bei entsprechender Resonanz werden in Kürze ein bis

zwei weitere Baugrößen folgen.


6. Literaturhinweise

/1/ Carstens, J.: Adiabates Trennen als Bearbeitungsverfahren für die

Turbinenschaufelfertigung, The IP.com Jonnel, Feb. 2005

/2/ Rauschnabel, E.: „Spezialitäten für die Rohrbearbeitung“.

Blech, Rohre, Profile Dezember 2010. /3/ Groche, P. / Fritsche, D.: Inkrementelle Massivumformung eine Technologie

vor dem Comeback? Wt Werkstattstechnik online 95 (2005) Nr. 10,

S. 798-802. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag

/4/ Schuster, H.: Schlagschneidvorrichtung mit einer Rückstelleinrich-

tung Offenlegungsschrift vom 04.06.2009 zur Patentan-meldung DE 10 2007 57 638 vom 30.11.2007

/5/ IFUTEC Produktions GmbH, Karlsbad (IPG): Firmenprospekt /6/ Boning, M.: Getriebemittel für eine Schneideinrichtung, Europäische Patentschrift EP1 497 066 B1, Anmeldetag 26.03.2003.

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