Optimierte Gusskomponenten für Blasformmaschinen

Noch mehr aufgeblasene Flaschen

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Durch parallele Optimierung von Funktion und Herstellung der Gusskomponenten konnte ein Blasformmaschinenhersteller das Gewicht bewegter Bauteile reduzieren, „einwandfreie“ Endprodukte erzielen, die Dauerfestigkeit hochbelasteter Bauteile sicherstellen und Genauigkeitsprobleme bei hohen Außentemperaturen vermeiden.

Die Autoren: Ernst du Maire ist Vorstandsvorsitzender, Dr. Thorsten Schmidt Leiter der Entwicklung und Holger Siemers Projektleiter der Heidenreich & Harbeck AG, Mölln

Als bei der Berliner Bekum Maschinenfabriken GmbH, einem Hersteller von Blasformmaschinen, die Erweiterung des Portfolios um einen kompakten Typ mit 15 t Schließkraft anstand, suchte man einen Partner, dem Entwicklung und Fertigung aller Gussteile anvertraut werden konnte. Besondere Herausforderungen waren der begrenzte Bauraum sowie die Gewichts- und Qualitätsanforderungen.
Wie sich bei der Präsentation des Leistungsspektrums von Heidenreich & Harbeck herausstellte, deckten die Möllner die Anforderungen weitestgehend ab durch:
  • 3D-Modellierung
  • FEM-Berechnung
  • Gießtechnische Simulation
  • Produktion.
Vor dem Hintergrund der angestrebten Gewichtsreduktion fand die Topologie-Optimierung besonderen Anklang. Bei bekannten Lastangaben erlaubt sie das schnelle Auffinden kraftflussgerechter Strukturen innerhalb eines vorgebenen Bauraums. Da die Resultate eine gewisse Ähnlichkeit mit organisch gewachsenen Strukturen aufweisen, lassen sie sich meist nur per Gießen wirtschaftlich umsetzen.
Topologie optimierter Schließhebel
In der sich anbahnenden Zusammenarbeit zwischen Bekum und Heidenreich & Harbeck wurde die Optimierung bereits im frühen Stadium der Angebotsphase eingesetzt, um die realisierbare Materialeinsparung bei einem Schließhebel abzuschätzen. Die Komponente wurde ausgewählt, weil ihr Vorgänger sowohl das größte Gewicht als auch die maximalen Belastungen aufwies. Hier würde sich eine beträchtliche Gewichtseinsparung bei unveränderter Antriebsleistung direkt in erhöhter Produktivität niederschlagen.
Die massive Geometrie des Vorgängermodells wurde als maximal verfügbarer Bauraum betrachtet. Um die späteren Kosten für Modelleinrichtung und Fertigung durch Verzicht auf zusätzliche Kerne gering zu halten, wurden Fertigungsrestriktionen bei der Optimierung berücksichtigt. Die auf Basis eines Lastfalls (symmetrische Blasform, maximale Schließkraft) optimierten Konturen weisen folglich keine Hinterschneidungen auf. Das mit dem Auftrag übergebene Lastenheft enthielt weitere Lastfälle, die in Verbindung mit dem Festigkeitsnachweis moderate geometrische Veränderungen gegenüber dem per Topologie-Optimierung erzeugten Gestaltungsvorschlag nach sich zogen.
Neben dem Schließhebel wurden weitere Kugelgrafitguss-Komponenten sowie die aus Alu gegossenen Formträger in die Entwicklung einbezogen. Durch die geringeren Belastungen lag der Fokus hier mehr bei der aus den Verformungen definierten Genauigkeit. Es galt, sichtbaren Grat an den Endprodukten zu vermeiden. Neben Lastfällen mit Schließdruck und unterschiedlichen Blasformgeometrien wurde die Querbeschleunigung der Schließeinheit berücksichtigt. Durch Berücksichtigung aller Komponenten der Schließeinheit bei der Verformungsberechnung konnten die im Lastenheft definierten Vorgaben sicher erfüllt werden.
Dank der konstruktionsbegleitenden Berechnung konnten im Rahmen von wertanalytischen Überlegungen mögliche Alternativen schnell und ohne Fertigungs- oder Funktionsrisiko diskutiert werden. Beispielsweise stand kurz zur Debatte, in ein tragendes Gussteil Bohrungen zur Durchleitung der Kühlflüssigkeit zu den Formträgern einzubringen. Nach Analyse der daraus resultierenden temperaturbedingten Verformungen bei hohen Außentemperaturen musste dies zugunsten der Produktionsqualität wieder verworfen werden.
Aufgrund der positiven Ergebnisse und der reibungslosen Zusammenarbeit wurde Heidenreich & Harbeck auch mit dem Re-Design der Gusskomponenten einer größeren Schließeinheit beauftragt.
Weitere Informationen
Topologie-Optimierung
KEM 597

Messe Newcast 2007
7. Konstruktions-Workshop bei Heidenreich & Harbeck
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