Spannen mit Vakuum bei der Bearbeitung von Aluminiumplatten

Willich, Deutschland Die Herstellung von spannungsarmen Aluminium-Gussplatten mit homogenem Gefüge ist die Kernkompetenz der Firma Alimex GmbH in Willich. Diese Halbzeuge werden überall dort eingesetzt, wo höchste Ansprüche an das Material gestellt werden. Zum Planfräsen der Oberflächen werden die Platten auf CNC-Portalfräsmaschinen bearbeitet. Gehalten werden sie dabei auf Rastertischen durch Vakuum, das von Mink Klauen-Vakuumpumpen von Busch generiert wird. Mit dieser Art der Vakuumerzeugung hat sich Alimex für eine höchst zuverlässige, saubere und energieeffiziente Lösung entschieden.

Die Alimex wurde im Jahr 1968 gegründet. In den Anfangsjahren beschränkte man sich auf das Sägen von Zuschnitten aus Walzplatten. 

Bereits Anfang der 1970-er Jahre spezialisierte sich Alimex auf das Zusägen von Platten aus Aluminium-Walzbarren.  Im Gegensatz zu gewalzten Platten und Blechen können beim Sägen Aluminiumplatten hergestellt werden, die homogenes Gefüge aufweisen und die spannungsfrei sind.  Forderungen, die viele Kunden aus dem Bereich der Luftfahrttechnik, der optischen Industrie sowie der Solar- und Halbleiterindustrie an das Material stellen, wenn es zu hochwertigen Bauteilen weiterverarbeitet wird. Alimex liefert heute Aluminium-Gussplatten in verschiedenen Aluminiumlegierungen, in den Oberflächengüten: gesägt, gefräst und spiegelgefräst an Kunden in der ganzen Welt.

Als Standardgrößen haben sich die Abmessungen 3 x 1,5 Meter etabliert aber auch Sonderformate von bis zu 5 x 2, 9 Metern Größe sind möglich. Am häufigsten wird die Legierung EN AW-5083 (AlMg4,5Mn0,7) verwendet, aus der spannungsarme Präzisionsgussplatten mit sehr ausgewogenen mechanischen Eigenschaften entstehen. Das feine und porenarme Gussgefüge wird durch eine ausgedehnte Wärmebehandlung zusätzlich homogenisiert und thermisch entspannt. Die Oberflächen dieser Platten werden auf Kundenwunsch meist beidseitig mit einer Oberflächengüte von unter 0,4 Mikrometer (µm) gefräst, durch eine spezielle Frästechnik sind hierbei auch Werte unter 0,2 Mikrometern (µm) möglich.


Fig. 1: Portalfräsmaschine mit bearbeiteter Aluminiumgussplatte auf dem Rastertisch

Die Standard Plattenstärken liegen zwischen 5 und 50 Millimeter aber auch wesentlich stärkere Platten werden hergestellt.

Als Rohstoff verwendet Alimex Walzbarren, die von verschiedenen Gießereien bezogen werden und die vor der Bearbeitung spannungsgeglüht werden, um die Spannungen, die beim Gieß- und Abkühlprozess entstanden sind zu eliminieren. 

In einem ersten mechanischen Arbeitsschritt werden die Barren auf einer Vertikalbandsäge ringsum auf Maß gesägt. Danach erfolgt auf einer horizontalen Bandsäge das Sägen der Platten. Ein Teil der Aluminiumplatten werden mit dem Sägeschnitt ausgeliefert, ein Großteil wird allerdings auf einer der drei CNC-Portalfräsen weiterverarbeitet. Die Fräsköpfe an zwei Fräsen sind mit einem Durchmesser von 1,7 Metern so dimensioniert, dass Platten im Standardformat mit einem Vorschub auf einer Seite gefräst werden können. Die dritte Fräse hat einen Fräskopfdurchmesser, der mit einem Vorschub die Breite von maximal 2,5 Metern fräst. 


Fig. 2: Mink Klauen-Vakuumpumpe zum Erzeugen des Haltevakuums an einer der drei CNC-Portalfräsmaschinen

Alle drei Portalfräsen waren ursprünglich mit ölgeschmierten Drehschieber-Vakuumpumpen eines osteuropäischen Herstellers ausgerüstet, die den Unterdruck zum Halten der Aluminiumplatten auf dem Rastertisch generierten. Produktionsleiter Najib El Byad war mit dieser Lösung allerdings nicht zufrieden. Der Wartungsaufwand dieser Vakuumpumpen wurde im Laufe der Jahre immer beträchtlicher. Neben dem vierteljährlichen Wechsel der Filter musste das Öl einmal jährlich komplett gewechselt werden. Ein feiner Ölnebel, der aus den veralteten Vakuumpumpen austrat, schlug sich teilweise auf den spiegelgefrästen Oberflächen der Aluminiumplatten nieder. Eine Verschmutzung, die nicht toleriert werden konnte. Außerdem betrachtete man den Energieverbrauch kritisch, denn jede der drei Vakuumpumpen war mit einem 7,5 kW-Motor ausgestattet, so dass sich der Energieverbrauch zur Erzeugung des Unterdrucks bei einem 24-Stunden-Betrieb an fünf Wochentagen im Jahr auf 121.500 Kilowattstunden summierte.  

Die Firma Busch empfahl daraufhin Najib El Byad, Mink Klauen-Vakuumpumpen zum Halten der Aluminiumplatten beim Fräsen einzusetzen. Diese Vakuumpumpen generieren das Haltevakuum öl- und berührungsfrei. Das heißt, die Verdichtung der abgesaugten Luft erfolgt ohne Betriebsmittel. Die berührungsfreie Technik wiederum verhindert Verschleiß in der Vakuumpumpe und macht diese dadurch weitestgehend wartungsfrei. Außerdem ermöglicht der berührungsfreie Betrieb einen hohen Wirkungsgrad, der sich wiederum positiv auf den Energieverbrauch auswirkt. Nach der Installation der neuen Vakuumtechnik zeigten sich deren Vorteile gleich in den ersten Betriebsmonaten.


Fig. 3: Schnitt durch eine Mink Klauen-Vakuumpumpe

Durch den ölfreien Betrieb kommt es zu keinerlei Verschmutzungen durch die Abluft der Mink Klauen-Vakuumpumpen. Die Wartung beschränkt sich auf einen vorsorglichen jährlichen Wechsel des Getriebeöls. Die Getriebeölmenge ist mit 0,85 beziehungsweise einem Liter wesentlich geringer als bei den ausgetauschten Drehschieber-Vakuumpumpen, bei denen, zusätzlich zum vierteljährlichen Nachfüllen, einmal jährlich mit 5 bis 6,5 Litern ein Ölwechsel durchgeführt werden musste. Über die aufzubringende Haltekraft wurden die neuen Mink Klauen-Vakuumpumpen von ihrer Leistung her genau ausgelegt. So dass an den beiden Fräsmaschinen für Standardplattengrößen jeweils eine kleinere Baugröße als bei der Fräse für die Sonderformate installiert wurde. Die beiden kleineren Mink Klauen-Vakuumpumpen werden jeweils mit einem 3-Kilowatt-IE3-Motor angetrieben, die größere hat einen 6 Kilowatt- IE3-Motor. So dass sich der jährliche Energieverbrauch zur Vakuumerzeugung an allen drei Fräsmaschinen auf 64.800 Kilowattstunden beläuft. Was fast einer Halbierung der Energiekosten gegenüber der vorherigen Lösung entspricht. Nach über zweijähriger Betriebszeit zeigt sich Produktionsleiter Najib El Byad mit der Investition in die neue Mink Vakuumtechnologie äußerst zufrieden. Alle Erwartungen sind erfüllt worden, außerdem hat sich erwiesen, dass die Vakuumerzeugung sehr zuverlässig arbeitet. Störungen oder gar Ausfälle gab es in dieser Zeit nie.


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