KROHNE ist ein weltweit führender Hersteller und Anbieter von Lösungen für die industrielle Prozessinstrumentierung. Im Vereinigten Königreich ist KROHNE Ltd. das globale Kompetenzzentrum der Gruppe für Coriolis-Massedurchflussmessgeräte. In der Produktionsstätte in Wellingborough werden die preisgekrönten OPTIMASS-Massedurchflussmessgeräte hergestellt.
Bei der Herstellung der Produkte von Krohne Ltd. wird häufig mit speziellen Materialien wie Duplex 31803 und Super Duplex 32750 gearbeitet. Insbesondere bei Werkstoffen wie Super Duplex ist es äußerst wichtig, dass der Lötprozess korrekt ausgeführt wird.
Die größten von Krohne zu lötenden Produkte sind jedoch bis zu zwei Meter lang, und im Vereinigten Königreich gibt es keinen geeigneten Ofen, der über die Fähigkeit verfügt, ein so großes Produkt in der heißen Zone zu verarbeiten.
Dies bedeutete, dass das Löten dieses Produkts an einen Zulieferer in Frankreich vergeben wurde, was zu Problemen mit Vorlaufzeiten, Transport und damit verbundenen Kosten führte.
Das Ziel: die Verlagerung des Lötprozesses ins eigene Haus.
Das Management-Team von Krohne Ltd. entschied sich, den Prozess des Hartlötens ihrer größeren Produkte ins Haus zu holen, um so die vollständige Kontrolle über Qualität und Lieferzeiten zu gewährleisten.
Nach einer bedeutenden Investition in den größten horizontalen Vakuumofen Großbritanniens benötigte das Unternehmen Unterstützung bei der Konstruktion und Herstellung einer Vorrichtung, die über die spezifischen Heißzonenfähigkeiten verfügt, eine angemessene Größe hat und gleichzeitig mit den Gewichts-, Kosten- und Verformungsbeschränkungen bei der Verarbeitung der größeren Produkte von Krohne Ltd. zurechtkommt.
Hierfür wandte sich das Krohne-Team an Erodex UK.
Entwicklung des Vorrichtungsdesigns
Die Gespräche begannen etwa sechs bis neun Monate vor der geplanten Lieferung des Ofens. Das ursprüngliche Konzept des Teams von Erodex UK sah die Verwendung von Graphitplatten und Abstandshaltern vor.
Nach eingehender Beratung mit den Kollegen von Krohne wurde dieses Konzept überarbeitet und es wurde festgestellt, dass eine flache Gittermethode aufgrund der Festigkeitsanforderungen der Vorrichtung und der erforderlichen Gewichtsreduzierung der Vorrichtung besser geeignet wäre.
Das Ergebnis war eine 2,4 m x 1,2 m große CFC-Vorrichtung (Carbon Fibre Composite), die aus zwei Schichten und einer Abdeckplatte besteht, um sicherzustellen, dass keine direkte Strahlungswärme auf die auf der obersten Schicht verarbeiteten Komponenten einwirkt und die Wärme gleichmäßig im Ofen verteilt wird.
Production Engineering Manager Darren Hawes kommentiert: "Das Erodex-Team war in der Lage, unsere spezifischen Anforderungen zu verstehen und eine Vorrichtung zu entwerfen, die auf einem CFC-Gitter basiert. Bei einem weiteren Treffen fügten wir dann Kanäle und eine Abdeckplatte hinzu, die auf der CFC-Gitterstruktur sitzt, um die Ebenheit von 0,1 mm beizubehalten.
"Es wurden perforierte Löcher hinzugefügt, damit die 360-Grad-Gaskühlung unter der Vorrichtung zu den Teilen fließen kann, da die Kühlung eines der kritischen Merkmale des Prozesses ist. Die Vorrichtung wurde mit Seitenschienen versehen, um zu verhindern, dass Teile herunterfallen, und wir haben Hebepunkte an der Vorrichtung angebracht, so dass die Vorrichtung, sobald sie aus dem Ofen entfernt wurde, mit Hilfe von Brückenkränen vom Lader entfernt werden konnte, falls der Lader an irgendeiner Stelle ausfallen sollte.
Andrew McFarlane, technischer Vertriebsingenieur bei Erodex UK und Projektleiter, fügt hinzu: "Als sich herausstellte, dass eine kompliziertere und technischere Konstruktion erforderlich war, haben wir unser gesamtes Hochtemperaturteam einbezogen und weitere Besprechungen abgehalten, um die optimale Konstruktion zu finden, die die von unserem Kunden identifizierten Änderungen einbezieht und die zusätzlich erforderlichen Projektmerkmale wie Ersatzteile und Änderungen an den Abstandshaltern liefert.
"Wir haben uns flexibel gezeigt, um das zu erreichen, was der Kunde wollte, und haben die Konstruktionen geändert, bis er zufrieden war".
Warum wurde Graphit aus Kohlefaserverbundwerkstoff (CFC) als Material für die Herstellung von Vorrichtungen gewählt?
Durability properties such as their high strength, stiffness, high thermal shock resistance and high fracture toughness, combined with being lightweight and having low rates of thermal expansion, CFC is the optimum material solution for charging systems in vacuum furnaces
Erodex CFC is available in a range of grades starting with Standard, for heating elements and furnace linings, Premium which is utilised for heating elements and structural components, Performance, for charging frames and systems, Filwound for cylinder components and Mechanical for connection elements.
Krohne Ltd Manufacturing Engineer Tom Harrison explains why, guided by the Erodex UK team, they opted to manufacture the fixture from Carbon Fibre Composite (CFC) graphite: “We had to find the right material for the fixture when considering weight, cost and distortion limitations and we could not find another material that was comparable to CFC for achieving this.
“The CFC fixture is lightweight yet as the temperature increases within the furnace the material gets stronger. Our main requirement of the fixture and the plate itself was to have a 0.1mm flatness tolerance, so when we manufacture and process our parts, any distortion of the fixture does not impact on the assembly that is being processed.
“The straight tube assemblies being processed within the furnace also have a 1/600mm straightness tolerance. Up to two metres we can have 3mm distortion end to end in the bow of the tube. To get that right, we required the fixture base to be as true as possible, so that we are not adding any additional distortion into the processing of the parts. The CFC fixture was therefore designed and manufactured by Erodex to deliver on that 0.1mm flatness constraint.
“In addition, the more mass within the furnace, the greater the effect on heating and cooling rates. A metallic fixture can act as a heat sink, using CFC reduces the mass greatly so our process is optimised and the energy we do use is used efficiently”.
Zusätzliche Vorteile der Verwendung einer CFC-Gitterstruktur.
Ein zusätzlicher Vorteil einer CFC-Gitterstruktur ist, dass bei einem Bruch einzelner Teile der Vorrichtung nur diese ersetzt werden müssen. Dies steht im Gegensatz zu einem Metallgitter, bei dem das gesamte Gitter ausgetauscht oder überholt werden müsste, was zu einer erheblichen Verringerung der Wartungskosten führt.
Außerdem werden rostfreier Duplex-Stahl und rostfreier Super-Duplex-Stahl hauptsächlich wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit verwendet, was bedeutet, dass jeglicher Kohlenstoff oder andere Verunreinigungen, die von der Vorrichtung selbst aufgenommen werden, die Metallurgie des Materials beeinträchtigen könnten, was wiederum zu weiteren Komplikationen bei den zu verarbeitenden Produkten führen kann.
Um dies zu vermeiden, wurde die CFC-Graphit-Vorrichtung mit einer Yttrium-Zirkoniumoxid-Beschichtung versehen, um jegliches Eindringen von Kohlenstoff in das Material zu verhindern.
Hawes fährt fort: "Das Wissen über die Anwendung und die Eigenschaften von CFC im Team von Erodex UK war entscheidend, um zu verstehen, was sowohl mit dem Material als auch mit dem Design der Vorrichtung selbst erreicht werden kann. Im Laufe des Prozesses wurde das Design immer komplexer, so dass es für uns sehr vorteilhaft war, ihr Fachwissen zur Verfügung zu haben, um bei der Entwicklung zu helfen.
Sie haben sich bei diesem Projekt wie ein Partner verhalten, und es war von Anfang an klar, dass sie bereit waren, zuzuhören, Änderungen zu berücksichtigen und neue Ideen einzubringen".
Montage und Betrieb von Vorrichtungen.
Erodex montierte die Vorrichtung vor der Beschichtung und stellte ein Video zur Verfügung, in dem gezeigt wurde, wie dies zu wiederholen ist. Nach der Beschichtung der Vorrichtung war das Team wieder vor Ort, um allen Endverbrauchern von Krohne Ltd. die einfache Montage zu demonstrieren.
Das Team von Hawes muss sicherstellen, dass die Vorrichtung bei jeder Beladung genau in der Mitte des Ofens steht. Um dies zu erreichen, wird ein spezieller Gabelstapler eingesetzt, und Erodex hat die Vorrichtung so konstruiert, dass sie vom Gabelstapler gehalten wird, so dass dies möglich ist. Der Gabelstapler wird beim Einfahren in den Ofen durch zwei Führungen, die unter ihm sitzen, zentralisiert.
Harrison fügt hinzu: "Die Vorrichtung selbst ist jetzt seit Oktober im Einsatz, wir haben zahlreiche Zyklen absolviert und sie erfüllt die konstruktiven Anforderungen an die Ebenheit, die Beschichtung funktioniert gut und letztendlich erfüllt die Vorrichtung ihre Aufgabe.
"Wir reinigen die Vorrichtung und den Ofen nach jedem Zyklus mit einem Staubsauger, um alle Rückstände aus der Bearbeitung zu entfernen. Die Vorrichtung wird außerdem zweiwöchentlich einem Wartungscheck bzw. einem Burnout unterzogen, um Verunreinigungen zu entfernen, die durch die Verarbeitung der Produkte im Ofen auf die Vorrichtung gelangt sein könnten.
"Wir haben die CFC-Graphitvorrichtung auch für die Verarbeitung eines Produkts im Rahmen unserer Ofenvalidierung verwendet, das zuvor von einem Unterauftragnehmer verarbeitet wurde. Wir konnten feststellen, dass das von dem Zulieferer gelieferte Teil von einem Ende zum anderen 7 mm Verzug aufwies. Nachdem wir es auf der Vorrichtung bearbeitet hatten, waren alle Kontaktpunkte wieder eben. Das hätten wir in einem Ofen eines Zulieferers nicht erreichen können.
"Letztendlich haben wir damit die volle Kontrolle über die Bearbeitung. Es hat uns die Möglichkeit gegeben, unsere Prozesse weiterzuentwickeln und die Produktivität zu steigern, und es ermöglicht auch eine kontinuierliche Entwicklung und Verbesserung des Prozesses.
"Wir hatten zum Beispiel einige Probleme mit der Art und Weise, wie ein Zyklus ablief, identifiziert, bei dem wir die Überwachungs-Thermoelemente positionierten, um sicherzustellen, dass die Teile vollständig auf Temperatur sind, bevor wir den Lötteil des Prozesses begannen.
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