29. JUNI 2016

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Revolutionärer Schiffbau


BLECHKANTENVORBEREITUNG TWP - EIN VERFAHREN STEHT FÜR DIE WIRTSCHAFTLICHE FERTIGUNG VON DECKSEKTIONEN.

Mit Licht revolutionieren die Meyer Werft und die Projektpartner Gräbener Maschinentechnik und Schuler Held Lasertechnik den Schiffbau. Herzstück der neuen Vorfertigung auf der Werft sind Laseranlagen von Schuler Held und Plattenfräsen von Gräbener Maschinentechnik. Mit Hilfe des Laser-Hybrid-Verfahrens werden vollautomatisch Bodenpaneele und Wände erst quer und dann längs zusammengeschweißt.

Der wesentliche Vorteil der Anlagen liegt darin, daß der Prozeß trotz der unterschiedlichen Konfiguration jedes Paneels vollautomatisch ablaufen kann, und die Größe der Anlagen sowie die Qualität des Schweißverfahrens durch eine hochgenaue Kantenvorbereitung eine Vorfertigung von 20 mal 20 Meter großen TWP´s ermöglicht, ohne das Paneel beim Schweißen wenden zu müssen. Für den Schiffbau kommen Bauteilgröße, Genauigkeit und Automatisierungsgrad einer Revolution gleich - dort wo bisher in der Vorfertigung die Handarbeit dominierte.

DAS VERFAHREN
Wie in der Automobilindustrie müssen auch im Schiffbau Material und Gewicht gespart werden, um die nachgelagerten Betriebskosten so klein wie möglich zu halten. Hier wird sich der Technik der »Tailor Welded Plates« bedient, also das Zusammensetzen der Paneele aus Blechen unterschiedlicher Materialien und gegebenenfalls aus unterschiedlichen Dicken, je nach Anforderungen - zum Beispiel aus der Statik des Schiffsrumpfes - mit Abmessungen bis zu 20 mal 20 Meter. Die Werft in Papenburg wendet dabei das von ihr selbst zur Produktionsreife gebrachte Laser-Hybrid-Verfahren an. Mit Hilfe eines MIG-Brenners werden Zusatzwerkstoff und Nahtkante aufgeschmolzen, während der unmittelbar nachlaufende Brennfleck des Lasers durch den Tiefschweißeffekt für das Durchschmelzen bis zur Nahtwurzel sorgt. Der Laser stellt so unter Bearbeitung von nur einer Seite und mit geringen Nahtöffnungswinkeln eine Schweißverbindung her, die so gut ist, wie eine durchgeschweißte konventionelle Naht mit Wurzelverschweißung.

Die Kantenvorbereitung spielt hierbei eine bedeutende Rolle. Anstelle einer Plasma-Kante setzt die Werft eine gefräste Kante ein.

DIE VORTEILE
Vorteile des Verfahrens sind, daß die Paneele nicht mehr für eine Wurzelverschweißung gewendet werden müssen, was mit größer werdenden Vorfertigungseinheiten (Blöcken) und größer werdenden Paneelen immer schwieriger wird. Zudem ist die Schweißgeschwindigkeit wesentlich höher gegenüber einem reinen MIG-, aber auch gegenüber einem reinen Laserschweißprozeß.

Bedingt durch den Tiefschweißeffekt kann der Flankenwinkel auf 6° reduziert werden, womit die Zusatzdrahtmenge gegenüber konventioneller Schweißtechnik dramatisch reduziert werden kann. Die Verringerung des Flankenwinkels führt weiterhin zu verringertem Spanvolumen bei der Nahtvorbereitung. Durch die Verkleinerung der wärmebeeinfl ußten Zone wird die eingetragene Streckenergie geringer, womit der Verzug der Paneele entscheidend verringert wird. Damit wird die Automatisierbarkeit des Schweißvorgangs sichergestellt. Weiterhin werden dadurch aufwendige und teure Nacharbeiten reduziert und die Montage der Blöcke im Baudock vereinfacht. Und schließlich stellt der Laser die Verwendung einer MIG-Schweißstromquelle für den Energieeintrag in oberflächennahe Bereiche ausschließlich für die Tiefschweißung zur Verfügung, das heißt für den Prozeß, der zwingend auf die Eigenschaften des Lasers angewiesen ist. Gegenüber einer reinen Laserschweißung werden so die Energiekosten fast halbiert.

DIE ANLAGE
Kern der Anlage sind die Schweißmaschinen von Schuler Held Lasertechnik, sowie zwei Stumpfnahtschweißmaschinen zur Herstellung der Paneele in Verbindung mit zwei Plattenfräsen von Gräbener Maschinentechnik. Die erste Stumpfnahtschweißmaschine schweißt aus Einzelplatten Streifen, die dann in der zweiten Stumpfnahtschweißmaschine zu Paneelen zusammengeschweißt werden. Erstmalig weltweit werden hier Lasernähte mit einer Länge von 20 Metern gezogen. Die hier eingesetzte Anlagentechnik gehört zu den aufwendigsten Systemen, die Schuler Held Lasertechnik und Gräbener Maschinentechnik je gebaut haben. Die Kantenvorbereitung wird von einer Plattenfräsmaschine (geliefert von Gräbener Maschinentechnik), in die eine hydraulische Spannvorrichtung integriert ist, vorgenommen. In der gleichen Aufspannung erfolgt auch der eigentliche Schweißprozeß. Für den Schweißprozeß werden ein HFangeregter CO2-Laser mit einer Spitzenleistung von 12 kW und eine MIG-Schweißstromquelle von 450 A eingesetzt.

Die Qualität der Schweißnaht wird wesentlich davon beeinflußt, wie genau der Abstand vom Laserfokus und der Stromdüse zur Nahtwurzel eingehalten werden kann und wie gut die Parameter des Laser- und des MIG-Prozesses aufeinander abgestimmt sind. Die Schweißparameter werden durch umfangreiche Versuchsreihen ermittelt und in Form einer Technologiedatenbank in der Maschinensteuerung hinterlegt. Bei den I-Naht-Schweißmaschinen wird die Nahtlinie mit einem Lichtschnittsensor verfolgt. Dieser Sensor erfaßt sowohl die horizontale Nahtabweichung wie auch den Höhenschlag. Nachlaufend werden Achsen des MIG- und Laserkopfes entsprechend dem Sensorsignal ausgeregelt. Je nach Größe der Abweichungen werden die ausgewählten Technologieparametersätze entsprechend der programmierten Funktionen dieser Abweichungen modifiziert.

Gesamtsteuerung und Überwachung der Fertigungslinie erfolgen von einer zentralen Warte aus, auf der alle Zustandsmeldungen der Einzelmaschinen angezeigt werden können.

GEFRÄSTE KANTEN
In der Blechkantenvorbereitung setzt sich die Frästechnik gegenüber dem Schleifen oder auch dem Plasmaschneiden immer mehr durch. Die wichtigsten Vorteile sind die hohe Fräsgeschwindigkeit (bis zu 8 m/min); paralleles Bearbeiten von Platten läßt engste Spaltmaße erreichen (so daß modernste Schweißverfahren, wie etwa Laser-, Laserhybrid- MIG/ MAG-Schweißverfahren eingesetzt werden können); die Erzeugung unterschiedlichster Nahtformen (I,Y,V,U und anderer) ist problemlos durchführbar; durch den Fräsvorgang wird keine Wärme in das Werkstück übertragen (und somit werden keine Spannungen im Werkstück generiert) und die Werkstücke haben nach dem Fräsen eine saubere und metallische Oberfläche. Die Kantenvorbereitung mittels Fräsen ist auch für dickere Platten geeignet, und im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren können die durch das Fräsen erzeugten Späne problemlos recycelt werden. Zudem ist das Fräsen ist ein umweltfreundliches Verfahren. Die Entstehung toxischer Gase oder auch die Bildung von gesundheitsgefährdendem Staub sind ausgeschlossen. Absauganlagen wie bei den übrigen Verfahren sind nicht erforderlich. Die Blechvorbereitung durch Fräsen wird den Forderungen gerecht, die direkt mit dem Laser- Hybrid-Schweißen verbunden sind. Hierzu gehören primär die hochgenaue und reproduzierbare Blechkantenvorbereitung entsprechend der vorgegebenen Kantenform sowie eine nahezu gratfreie Bearbeitung.

FÜR BESONDERE ANFORDERUNGEN
Das Fräsen wird auch den besonderen Anforderungen, die sich aus dem TWP-Fertigungsprozeß ergeben, gerecht. Dabei sind sowohl die unterschiedlichen Abmessungen der Einzelbleche als auch die individuellen Variations- und Kombinationsmöglichkeiten beim Zusammenfügen zum Paneel oder Plattenfeld zu beachten. Gerade für das Fügen von Blechen unterschiedlicher Dicke müssen entsprechende Übergänge zwischen den Einzelblechen vorgesehen werden. Darüber hinaus sind die Reduzierung der Fertigungs- und Durchlaufzeiten sowie ein wirtschaftlicher Fertigungsbetrieb Ziele, die von der für die Blechvorbereitung eingesetzten Fertigungstechnologie zu erfüllen sind. Das Kantenfräsen wird vor allem wegen der hochgenauen Kantenvorbereitung und der hohen erreichbaren Vorschubgeschwindigkeiten ausgewählt. Zur Kantenvorbereitung werden entsprechend konturierte Formfräser eingesetzt. Zum Fräsen werden die Bleche hydraulisch über die gesamte Fräslänge auf die Maschinentische gespannt. Somit können eventuell vorhandene Welligkeiten in den Blechen kompensiert werden. Ferner wirkt sich die Spannung positiv auf das Fräsergebnis und die Standzeit der Fräswerkzeuge aus.

Hochgenaue Führungssysteme in den Plattenfräsen sowie die Möglichkeit, die zu verschweißenden Blechkanten gleichzeitig zu bearbeiten, sichern die Einhaltung der engen Form- und Spalttoleranzen für das Laser-Hybrid-Schweißen. Die Anordnung der Schneidplatten im Fräswerkzeug garantiert eine nahezu gratfreie Bearbeitung. Zur Reduzierung der Fertigungszeiten und Einhaltung der engen Toleranzen, werden Bleche in der gleichen Aufspannung zunächst gefräst, dann auf den erforderlichen Spaltabstand zusammengefahren und anschließend Laser-Hybrid verschweißt. Dazu werden die Maschinenbetten der Plattenfräsen verfahrbar gestaltet und die Schweißausrüstungen räumlich in die Plattenfräsen integriert. Mit dem »Tailor Welded Plates«-Verfahren ist die Forderung verbunden unterschiedliche Einzelbleche in vielfältigen Variationen und Kombinationen zusammenschweißen zu können. Das Maschinenkonzept der Plattenfräsen trägt dem Rechnung, daß die Blechaufl agetische in Segmenten höhenverstellbar sind und die Bleche über einzelne hydraulische Spannelemente gespannt werden können. In der Fertigungsfolge werden zunächst Einzelbleche an den Querkanten zu Blechstreifen zusammengefügt. Anschließend werden die Blechstreifen zu Plattenplänen beziehungsweise zu Paneelen verschweißt.

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