ACONAs Unterstützung auf der Suche nach innovativen Lösungen zeigt sich auch in der engen Zusammenarbeit mit Studierenden und den Hochschulen in der Umgebung.
Neben der Vielzahl an Werkstudenten in unserem Betrieb kooperieren wir auch gerne mit Studierenden bei ihren Abschlussarbeiten.
Ein herausragendes Beispiel ist die Masterarbeit von Urs Henke, die unter Beteiligung von ACONA systematisch prüft, ob mechanisches Vibrationsentspannen eine geeignete Alternative zum herkömmlichen Spannungsarmglühen ist.
Eigenspannungen in der Metallbearbeitung
Beim Schweißen von Zylinderrohren entstehen durch lokale Temperaturgradienten, Phasenumwandlungen und ungleichmäßige Abkühlraten erhebliche Eigenspannungen.
Diese können einerseits bei nachfolgenden Bearbeitungsschritten durch ihre Freisetzung zu unerwünschten Verformungen führen und dadurch die Maßhaltigkeit beeinträchtigen. Andererseits überlagern sich die Eigenspannungen mit den im Betrieb wirkenden Spannungen, wodurch die Lebensdauer geschweißter Bauteile verkürzt wird.
Spannungsarmglühen - die bewährte Methode der Metallindustrie
Spannungsarmglühen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, das Eigenspannungen aus dem Schweißprozess schonend abbaut. Durch kontrolliertes Erwärmen, Halten und Abkühlen erhöht es Maßstabilität und Lebensdauer.
So funktioniert der Prozess:
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1.Aufheizen:
Langsames Erwärmen auf 450–650 °C.
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2.Halten:
Eine definierte Zeit bei dieser Temperatur halten.
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3.Abkühlen:
Kontrolliertes, langsames Abkühlen, idealerweise im Ofen.
Welche Vorteile verspricht Vibrationsentspannen gegenüber Spannungsarmglühen?
Als thermischer Prozess verbraucht Spannungsarmglühen große Mengen Energie für das Erhitzen, Halten und kontrollierte Abkühlen großer Zylinderrohre. Dies führt zu hohen Kosten und erheblichen CO₂-Emissionen. Der Zeitaufwand ist ebenfalls enorm: Stundenlanges Aufheizen auf 550–650 °C, dann mehrere Stunden Haltezeit und anschließend kontrolliertes Abkühlen im Ofen.
Die Vorteile des Vibrationsentspannens? Genau diese Punkte sollen vermieden werden!
Vibrationsentspannen - eine wirtschaftlichere Alternative für ACONA?
Ein metallphysikalisches Verfahren ohne Wärme
Vibrationsentspannen soll gezielt mechanische Schwingungen nutzen, um Eigenspannungen die beispielsweise infolge des Schweißprozesses entstehen, abzubauen. Das zu behandelnde Bauteil und der Vibrationsmotor werden steif miteinander verbunden und im Anschluss nahe der Eigenresonanzfrequenz des Bauteils zum Schwingen gebracht.
Ablauf des Vibrationsentspannens
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1.Modalanalyse:
Resonanzfrequenzen ermitteln (Modalhammer + Beschleunigungssensor). Dies geschieht durch die Erzeugung von Impulsen durch kontrollierte Schlagkraft.
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2.Automatische Behandlung:
Etwa einstündige kontrollierte Vibration in mehreren Frequenzschritten
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3.Protokollierung:
Frequenzverlauf digital dokumentieren
Wesentliche Vorteile, die sich also aus dieser Methode gegenüber des bewährten Spannungsarmglühens ableiten lassen, sind etwa der geringe Energieaufwand, kürzere Behandlungszeiten und Wegfall von Logistikaufwendungen, da der Prozess in house dargestellt werden kann.
Wie hoch ist das Potenzial des Vibrationsentspannens?
Der Versuch
Um die Wirksamkeit der Eigenspannungsreduktion im Vergleich zum thermischen Prozess des Spannungsarmglühens an geschweißten Zylinderrohren experimentell zu überprüfen, wurden zwei identische Prüflinge unter denselben Schweißbedingungen hergestellt und jeweils vor und nach den Entlastungsmethoden mithilfe der Röntgendiffraktionsmethode gemessen.
Durch die zerstörungsfreie Röntgenmethode konnten, im Gegensatz zu destruktiven Verfahren wie der Bohrlochmethode, Eigenspannungen an exakt denselben Positionen vor/nach verglichen werden, wodurch Messfehler minimiert werden.
Spannungsarmglühen reduzierte die Eigenspannungen an den Messpunkten um mindestens 80 %, während Vibrationsentspannen eine deutlich geringere Reduktion der Eigenspannungen aufwies. Dadurch lässt sich auf eine deutliche höhere Effektivität des thermischen Verfahrens schließen. Die Vibrationsentspannung liefert reproduzierbare, jedoch begrenzte Relaxationseffekte.
In einem weiteren Kapitel ist in der Arbeit eine Lebensdauersteigerung für geschweißte, schwellend belastete Zylinderrohre ermittelt worden. Nach FKM-Richtlinie erhöht sich die theoretische Lebensdauer durch das Spannungsarmglühen und vergleichbare Verfahren um 23%.
Ergebnis: Vibrationsentspannen kann eine Alternative darstellen
Allgemein lässt sich festhalten, dass das Vibrationsentspannen je nach Anwendungsfall eine Alternative zum Spannungsarmglühen darstellen kann. Dies ist insbesondere auf die erheblichen Einsparungen hinsichtlich Emissionen, Platz und Kosten sowie auf die einfachere Integration in bestehende Produktionsprozesse zurückzuführen.
Der exakte und belastbare Nachweis über die Erhöhung der Lebensdauer geschweißter Bauteile muss mit experimentellen dynamischen Versuchen erfolgen. In Abhängigkeit von den konkreten Bedingungen und dem Anwendungsfall muss bewertet werden, inwieweit das Vibrationsentspannen eine mögliche Alternative zum Spannungsarmglühen darstellt.
Das Verfahren kann bei Anwendungen geeignet sein, bei denen bereits eine geringere Reduzierung der Eigenspannungen ausreichend ist.
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