Ein ganzheitlicher Blick auf automatisiertes Strahlen in der modernen Metallverarbeitung

Bei der Automatisierung eines Strahlvorgangs sollte der Schwerpunkt auf der Effizienz liegen, beispielsweise darauf, wie viele Teile innerhalb eines bestimmten Zeitraums gestrahlt werden können – aber das sollte nicht die einzige Überlegung sein.

Moderne Metallverarbeitungsbetriebe sind nicht wie die Fab-Shops von früher. Viele sind sauber, gut beleuchtet und die Mitarbeiter arbeiten in frischer, gefilterter Luft. Ja, einige Vorgänge in der Fertigung sind einfach nur schmutzig – und das manuelle Strahlen ist ein Paradebeispiel dafür. Die Arbeit ist nicht angenehm, erfordert Schutzausrüstung und wenn die Kabinen nicht ordnungsgemäß gewartet oder eingerichtet werden, können sie den Arbeitsablauf erheblich beeinträchtigen.

Es gibt viele Optionen für die Automatisierung von Sprengungen, aber bevor Sie sich in die ganze technische Zauberei stürzen, sollten Sie versuchen, eine Grundlage zu schaffen, indem Sie eine grundlegende Frage beantworten: Was muss der Sprengvorgang leisten?

Durch Kugelstrahlen (oder einfach nur „Strahlen“, wenn ein anderes Medium als Strahlmittel verwendet wird) wird eine Metalloberfläche vorbereitet, während Kugelstrahlen darauf abzielt, die Eigenschaften des Metalls zu verändern (siehe Abbildung 1). Bestimmte Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt erfordern ein präzises Spannungsabbauniveau (oder andere Änderungen der Materialeigenschaften) und verwenden dafür spezielle Kugelstrahltechnologien. Ein Paradebeispiel ist das Präzisions-Kugelstrahlen von Fahrwerken, bei dem die Oberflächenspannungen optimiert und Mikrorisse sowie die sie umgebenden Spannungserhöher beseitigt werden.

Die meisten Metallverarbeiter setzen für die überwiegende Mehrheit ihrer Anwendungen Strahlreinigung ein, um eine Metalloberfläche zu reinigen und für den nächsten Fertigungsschritt, in der Regel das Lackieren, vorzubereiten. Wenn ein Balken oder eine Platte nicht richtig gestrahlt wird, haftet die Farbe nicht richtig. Bei einigen Fertigungsvorgängen kommt jedoch eine Art Kugelstrahlen zum Einsatz – zwar nicht so präzise wie bei High-End-Strahlanwendungen, aber es handelt sich dennoch um Kugelstrahlen, bei dem die Medien auf die Oberfläche auftreffen und Druckspannungen erzeugen, die darauf abzielen, die Eigenschaften des Materials zu verändern.

Stellen Sie sich vor, Sie stellen eine Schüssel her, die in einer Umgebung mit starken Vibrationen verwendet wird. Die Schweißnähte in diesen Schalen benötigen eine gewisse Spannungsentlastung, und Kugelstrahlen hilft dabei, dies zu erreichen. Um eine ausreichende Spannungsentlastung der Schweißnähte zu gewährleisten, kann sich die Anwendung für die Verwendung großer Strahlmittel entscheiden, die einen Strahleffekt haben können, der tiefer in die Oberfläche eindringt. Alternativ könnte sich der Betrieb dafür entscheiden, das gleiche Strahlmittel wie für Strahlreinigungsanwendungen zu verwenden, jedoch die Zykluszeit zu verlängern, um den erforderlichen Strahleffekt innerhalb des Teils zu erzielen.

Auch hier müssen die meisten Hersteller eine Werkstückoberfläche für nachgelagerte Vorgänge wie das Lackieren vorbereiten – sie verwenden also Strahlen (nicht Kugelstrahlen). Je hochwertiger die Endbearbeitung ist, desto wichtiger wird die Oberflächenvorbereitung. Anders ausgedrückt: Eine hochwertige, hochbeständige Beschichtung erfordert eine hochwertige Oberflächenvorbereitung. Ein Autopaneel erfordert eine ganz andere Oberflächenvorbereitung als ein Strukturträger.

An welchen Stellen im Fertigungsablauf ist eine Sprengung am sinnvollsten? Werden geschnittene Bleche gestrahlt, um sie für nachfolgende Prozesse vorzubereiten, oder wird die fertige Fertigung nach dem Biegen und Schweißen gestrahlt? Die Anwendung des Strahlens auf eingehendes Material könnte kontraintuitiv erscheinen, insbesondere wenn Schweißnähte ohnehin gestrahlt werden müssen. Schließlich wird in den meisten Betrieben gestrahlt, kurz bevor es in den endgültigen Beschichtungsprozess übergeht.

Dennoch muss die Sprengung nicht immer am Ende der Wertschöpfungskette erfolgen. Manchmal kann saubereres Material, das in die Werkstatt gelangt, nachgelagerte Prozesse wie Schneiden und Schweißen unterstützen und dazu beitragen, den Endbearbeitungsvorgang erheblich zu rationalisieren. Einige Betriebe entscheiden sich möglicherweise dafür, das Strahlen des eingehenden Materials zu automatisieren, das abschließende Strahlen der Schweißnähte jedoch manuell durchzuführen, bevor die Arbeit in den endgültigen Beschichtungsprozess eintritt. Der Vorgang ist nicht vollständig automatisiert, aber da das eingehende Material sauber ist, erhöht sich der Gesamtdurchsatz erheblich und der Zeit- und Arbeitsaufwand für das manuelle Strahlen der gefertigten Teile wird erheblich reduziert.

Die Beschichtung muss auch nicht unbedingt erst am Ende der Produktion erfolgen. Beispielsweise strahlen einige Werften eingehende Bleche ab, grundieren sie mit einer schweißbaren Grundierung und schweißen dann. Anschließend wird das Werk noch einmal gestrahlt – allerdings nur die Schweißnähte. Insbesondere bei großen Werkstücken trägt eine solche Fertigungssequenz dazu bei, den Gesamtvorgang deutlich zu rationalisieren.

Die Branche verfügt über verschiedene Standards (z. B. SSPC und NACE), die Herstellern bei der Beurteilung des Oberflächenzustands von Materialien helfen. Je sauberer das Material ist, desto weniger aggressiv müssen Sie es strahlen und desto weniger aggressive Strahlmittel müssen Sie verwenden, um das gewünschte Finish zu erzielen. Wenn Sie mit stark verrostetem Blech arbeiten, muss die Körnung möglicherweise größer sein, oder die Anwendung erfordert möglicherweise eine eckige Körnung. Rundkörner erzeugen in der Regel eine feinere Oberfläche als Körnungen, es kann jedoch erforderlich sein, Körnungen zu erzeugen, um ein raueres Oberflächenprofil für eine ausreichende Haftung einer dicken Farbschicht zu erzeugen.

ABBILDUNG 1. Für Hersteller, die Kugelstrahlen, zur Entspannung von Schweißnähten oder für andere Anwendungen, bei denen sich die Materialeigenschaften ändern, benötigen, ist die Aufrechterhaltung der richtigen Medienmischung von entscheidender Bedeutung. Gebrochene und zu kleine Medien müssen kontinuierlich und konsequent aus dem Strahlsystem entfernt werden.

Berücksichtigen Sie den Zustand des Rohmaterials und die erforderliche endgültige Endbearbeitung, d. Der Unterschied zwischen der ein- und ausgehenden Materialqualität bestimmt den Strahldurchsatz. Je größer der Qualitätsunterschied (also von sehr grob bis fein) ist, desto länger dauert das Strahlen. Einige Anwendungen erfordern möglicherweise auch mehrere Strahlstufen, die erste zum Reinigen und eine weitere zweite Stufe, bei der feinere Strahlmittel verwendet werden, um die Farbhaftungseigenschaften der Oberfläche einzustellen.

„Geschwindigkeit“ beim Sprengen kann auf verschiedene Arten definiert werden. Erstens: Wie viel Schrot muss zu einem bestimmten Zeitpunkt auf die Oberfläche treffen und wie oft muss das Schrot auftreffen, um Rost zu entfernen und die Oberfläche nach Bedarf vorzubereiten? Je mehr Rost ein Werkstück aufweist, desto mehr Schuss wird benötigt. Eine Turbine könnte 500 Pfund pro Minute werfen. Eine Menge Schuss auf ein sich langsam bewegendes Werkstück, um sicherzustellen, dass genügend Schuss oft genug auf die Oberfläche trifft, um die erforderliche Oberflächengüte zu erzeugen. Alternativ kann ein System über mehrere hintereinander angeordnete Schleuderräder verfügen, die (insgesamt) 1.500 lbs./min schleudern. an die Oberfläche, wodurch sich die Teile dreimal so schnell bewegen können.

Natürlich gibt es hier eine Grenze. Wenn man zu viel Schrot wirft, fängt das Schussmedium an, innerhalb des Systems abzuprallen, was wiederum zu allerlei Inkonsistenzen führt. Bei ausreichend hoher Lautstärke verliert das Strahlmittel selbst seine Wirksamkeit.

Mehrere Variablen steuern die Intensität der Explosion. Ein Betrieb kann die Zufuhrventile anpassen, um zu steuern, wie viel Medium zur Turbine fließt. Alternativ könnte ein Vorgang die Turbinengeschwindigkeit verlangsamen, sodass das Strahlmittel selbst mit einer geringeren Geschwindigkeit auf das Teil trifft. Eine Anwendung hat eine optimale Austrittsgeschwindigkeit; zu niedrig und das Mittel ist nicht wirksam (z. B. kann es Oberflächenrost nicht entfernen); Ein zu hoher Wert kann zu anderen Problemen wie Verzug führen, insbesondere bei sehr dünnen Werkstücken.

Eine weitere Variable betrifft die Größenverteilung des Strahlmittels. Automatisierte Systeme verfügen über Recyclingsysteme, die das Strahlmittel vom entfernten Rost und Schmutz trennen. Das Recyclingsystem selbst ist äußerst kritisch; Wenn es nicht ordnungsgemäß funktioniert, ist das Strahlmittel nicht gleichmäßig, was zu Lackanhaftungen und anderen Problemen führen kann.

Die Schrote werden beim Recycling immer kleiner. Das Strahlmittel-Recyclingsystem muss überwacht werden, um sicherzustellen, dass der Mischung ausreichend frisches Strahlmittel oder andere Medien hinzugefügt werden und dass das Siebsystem (das feine Partikel absaugt) ordnungsgemäß funktioniert. Das Verfahren ist nicht kompliziert. Bediener nehmen im Wesentlichen eine Strahlmittelprobe und schicken sie durch mehrere speziell entwickelte Siebe, damit sie die Grobheitsverteilung und eventuell vorhandene Rückstände oder Verunreinigungen sehen können.

Strahlmaschinen transportieren die Teile durch den Strahlstrahl und sammeln so wenig Medien wie möglich auf dem Teil, während sie gleichzeitig jede Oberfläche freilegen, die gestrahlt werden muss.

Der von der Turbine ausgestoßene Strahlstrahl weist in der Nähe der Mitte einen „Hot Spot“ auf, einen Bereich, in dem das Strahlmedium die meiste Energie transportiert. Dies wiederum bestimmt die optimale Position der Turbinen (siehe Abbildung 2). Beispielsweise erfordert eine Strahlmaschine, die Blech bearbeitet, eine gleichmäßige Strahlverteilung über die Oberfläche. Wenn sich diese heißen Stellen in jedem Strahlstrahl nicht überlappen, kann es sein, dass das Blech in Bereichen, die weniger Strahlmittel ausgesetzt sind, „Streifen“ aufweist.

Diese Grundlagen bilden die Grundlage jeder Strahlmaschinenkonstruktion. Ein beliebtes Design für die Metallverarbeitung sind Rollenmaschinen, bei denen weit auseinander liegende Rollen (siehe Abbildung 3) Bleche oder Balken in eine Maschine befördern, wo sie aus mehreren Richtungen gestrahlt werden.

Entscheidend ist die Platzierung der Turbine (siehe Abbildung 4). Einige Maschinen platzieren die Strahlturbinen möglicherweise in einem bestimmten Abstand, um beispielsweise verschiedene Strahlgeometrien zu ermöglichen. Die Anordnung ist für Blech vielleicht nicht so effizient wie eine Maschine mit näher am Werkstück platzierten Turbinen, aber die Anordnung bietet Flexibilität – das heißt, das System kann sowohl flache Bleche als auch Träger verschiedener Formen und Größen verarbeiten.

ABBILDUNG 2. Turbinen geben überlappende Strahlströme ab, um sicherzustellen, dass alle Werkstücke ausreichend abgedeckt werden.

Auch hier spielt es eine Rolle, wann die Arbeit gestrahlt wird. Diese flexible Maschine könnte Rohblech strahlen, um es zu reinigen und für die Weiterverarbeitung vorzubereiten, und dann die Baugruppe nach dem Schweißen strahlen. Eine Werkstatt könnte diese Strategie anwenden, weil es Probleme mit dem Strahlmittelzugang gibt (das heißt, das Strahlmittel einer Maschine kann nicht alle Oberflächen des zusammengebauten Produkts erreichen) oder weil beim Schweißen saubere Oberflächen erforderlich sind, die durch den Strahlprozess entstehen. Alternativ könnte sich das Unternehmen dafür entscheiden, „zweimal zu strahlen“ – sowohl eingehende Lagerbestände als auch geschweißte Produkte –, da dies immer noch die schnellste und effizienteste Art ist, die Arbeit zu bearbeiten. Durch die Reinigung des Rohmaterials, sobald es ankommt, werden nachgelagerte Abläufe rationalisiert. Und da die Teile bereits gereinigt wurden, dauert das Strahlen der Schweißbaugruppe weniger Zeit.

Welche Maschine ein Hersteller wählt, hängt von den Anwendungsanforderungen ab, einschließlich der Teilegeometrie. Flache Teile oder Balken können auf einer Maschine vom Rollentyp ausreichend gestrahlt werden, während Ausleger, Eimer oder andere komplexe Formen eine Maschine vom Hänger- oder Spinner-Hänger-Typ erfordern könnten. Ein Eimer, der durch eine Walzenmaschine geschickt wird, kann anfangen, Schrot auf seiner Oberfläche anzusammeln, wodurch verhindert wird, dass der Schrot mit ausreichender Energie auf die Oberfläche trifft. In diesem Fall könnte eine Spinner-Hänge-Strahlmaschine, bei der ein Ring aus Strahlturbinen um ein hängendes, sich drehendes Teil herum angeordnet ist, möglicherweise alle Oberflächen erreichen und gleichzeitig das verbrauchte Strahlmittel dennoch vom Teil fallen lassen.

Der Hauptvorteil des manuellen Strahlraums ist der Zugang für den Bediener. Der Bediener kann bei Bedarf alle Oberflächen abstrahlen und angesammeltes Strahlgut abbürsten. Ein automatisiertes System verfügt möglicherweise nicht über diese Flexibilität. Gleichzeitig hat das Strahlmittel einer Turbine in einer automatisierten Maschine viel mehr Energie als das Strahlmittel einer Handpistole. Diese Energie kann die Medienansammlung deutlich reduzieren. Während also ein manueller Bediener möglicherweise in der Lage ist, komplexe, anspruchsvolle Geometrien zu strahlen, muss er möglicherweise auch häufiger angesammeltes Medienmaterial abbürsten. (Hinweis: Manuelles Ausbesserungsstrahlen kann in eine automatische Strahlmaschine integriert werden, beispielsweise in eine Hängestrahlmaschine. In diesem Fall zieht sich der Bediener einen Anzug an und strahlt das Teil mit einem manuellen Strahlrohr in der deaktivierten Strahlmaschine ab.)

Am anderen Ende des Spektrums bieten einige Strahltechnologien eine vollständige Automatisierung – und zwar nicht nur des gesamten Strahlprozesses. Einige Platten- und Strahlstrahlsysteme sind direkt an ein Lackiersystem angeschlossen (siehe Abbildung 5). Auch diese tragen dazu bei, die erforderliche Oberflächenvorbereitung später im Wertstrom zu minimieren. Beim Stahllieferanten oder beim Hersteller selbst werden Träger und Bleche gestrahlt und anschließend sofort mit einer schweißbaren Grundierung beschichtet.

Solche Systeme können vor dem Strahlen auch mit einer Reinigungsstation ausgestattet sein – besonders nützlich für Bauunternehmen, die ihr Material im Freien lagern. Diese Station entfernt den losen Schmutz (wie Schmutz, Schnee und Blätter), bevor die Strahlen in die Strahlstation gelangen. Nach dem Strahlen durchläuft das Werkstück eine Reinigungsstation mit Bürsten und Luftgebläsen, die alle verbliebenen Strahlmittel oder anderen Rückstände entfernt, bevor die Teile zum Lackieren und Trocknen weitergeleitet werden.

Der Durchsatz dieser Systeme hängt vom Materialzustand ab, der in die Maschine gelangt, sowie von den Lackieranforderungen wie Dicke, Konsistenz und Aushärtezeit. Entwickler solcher Systeme haben den optimalen Durchsatz im Blick. Wenn die Aushärtungszeit länger dauert, könnte das Strahlsystem so geändert werden, dass es langsamer läuft (langsamere Turbinen, weniger Medien oder eine Kombination aus beidem).

Gleichzeitig muss nicht jedes Werkstück durch die Lackieranlage geschickt werden. Beispielsweise möchte ein Hersteller, der Balken wölbt oder Platten stromabwärts formt, diese Teile nicht stromaufwärts lackieren, sodass die Werkstücke, die diese Prozesse durchlaufen, einfach gestrahlt und dann schnell durch das Leerlauf-Lackiersystem geschickt werden können, um dann zur Krümmung oder Formgebung überzugehen.

Auch hier geht es um den Gesamtdurchsatz und nicht um die „lokale Effizienz“ eines bestimmten Strahl- oder Lackierprozesses. Ja, das Strahlen kann in Verbindung mit dem Lackieren etwas länger dauern und das Lackiersystem wird möglicherweise nicht für jeden Strahl verwendet. Aber die direkte Verknüpfung des Lackierens mit dem Strahlen steigert den Gesamtfluss und minimiert den Work-in-Process – beides bedeutet eine enorme Zeitersparnis. Das Ergebnis: Die Werkstatt strahlt und lackiert mehr Material in kürzerer Zeit und verbraucht weniger Ressourcen.

Bei Anwendungen mit stark variierenden oder komplexen Teilegeometrien könnte sich ein Hersteller dafür entscheiden, das Strahlen teilweise zu automatisieren, indem eine Maschine 80 % oder mehr der Materialoberfläche abstrahlt und ein manueller Bediener die restlichen 20 % abstrahlt. Die Automatisierung des gesamten Prozesses ist natürlich für viele Anwendungen ideal – aber nicht für alle. Die Idee besteht darin, automatisierte Sprengungen dort einzusetzen, wo sie am effektivsten sind.

In anderen Situationen muss der Bediener möglicherweise nur das Strahlmittel abblasen. Bestimmte Hängesysteme verfügen beispielsweise über eine spezielle Reinigungsstation, an der Bediener bei Teilen, die dies erfordern, eine Endreinigung durchführen können, bevor das Teil zur nächsten Stufe übergeht (siehe Abbildung 6).

ABBILDUNG 3. Weit auseinander liegende Rollen befördern Bleche, Balken oder ähnliche Werkstücke in die Maschine.

Ziel ist die Rationalisierung des gesamten Wertstroms bis hin zum Materialeinkauf. Ein Hersteller könnte teureres Material kaufen, das weniger oder gar kein Strahlen erfordert, oder er könnte weniger teures Material kaufen, das umfangreiches Strahlen und Oberflächenvorbereitung erfordert. Was aber, wenn die Schweißnähte unabhängig von der Materialqualität gestrahlt werden müssen? Solange die Anwendungsanforderungen erfüllt werden können, ist es möglicherweise sinnvoller, das günstigere Rohmaterial zu kaufen, mehr Zeit für das Strahlen aufzuwenden und dennoch (dank des günstigeren Materials) insgesamt Geld zu sparen.

Ein Großserienhersteller könnte sich sogar dafür entscheiden, eine automatisierte Strahl- und Lackierlinie ins Haus zu integrieren, nicht nur, weil dadurch der Durchsatz erhöht wird, sondern auch, weil der Betrieb so weniger teures Material kaufen und eine bessere Kontrolle über die Materialoberflächenqualität erlangen kann – je nachdem, natürlich auf die finalen Bewerbungsvoraussetzungen.

Einige Betriebe zur Bearbeitung von Tragwerksbalken haben ihren gesamten Ablauf effektiv automatisiert, vom Strahlen über das Schneiden und Lackieren bis hin zur direkten Verladung auf LKWs. In mindestens einem europäischen Stahlbauunternehmen sitzt ein Bediener in einem klimatisierten Raum und kontrolliert den gesamten Betrieb. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Ausrüstung zu überwachen und das Wartungspersonal zu warnen, falls ein Problem auftritt – sei es eine zusätzliche Vibration an einer Strahlturbine (durch Sensoren erkannt), ein Problem mit der Blattvibration an den Bandsägen oder irgendetwas anderes.

Die Entwicklung solcher Systeme erfolgte nicht über Nacht und auch nicht durch die isolierte Analyse spezifischer Prozesse. Die Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette ist von entscheidender Bedeutung, einschließlich der Verknüpfung mit der Unternehmensressourcenplanung sowie dem Potenzial der KI-gesteuerten vorausschauenden Wartung. Wenn dies geschieht, stellen Hersteller oft fest, dass sie die Automatisierung auf ein neues Niveau bringen können.