26.10.2023

Investing in health, sustainability and quality

New laser hardening system for series production

MAPAL has commissioned a new, unique laser hardening system in manufacturing, which will gradually take over all the tasks that were previously carried out in a salt bath in the hardening workshop. This not only has advantages in terms of quality, but also protects the health of the employees as well as the environment.

The picture shows a close-up of a clamped HSK being processed with the laser.
  • The picture shows a close-up of a clamped HSK being processed with the laser.
  • A basket can be seen above the furnace with the exposed molten salt glowing red.
  • The EMAG machine can be seen as a whole.
  • The basket with the components is immersed in an open tub of oil. This creates a flame.
Different hardening processes can make different workpiece materials harder, therefore making them more resistant. At MAPAL, among other things, different tool connections are hardened. These safety-related parts are exposed to high forces. Hardening ensures that the tool connection has a long tool life despite these forces and despite multiple insertions and replacements, and that it is reliable in performing its service.
A basket can be seen above the furnace with the exposed molten salt glowing red.
Furnaces with exposed molten salt – the method of choice for hardening tool connections up to now – represent a source of risk and danger to the health of the employees.   ©MAPAL
Up to now, the tool connections made of tempered steel at MAPAL have primarily been hardened in a salt bath – the usual process. That being said, it is not possible to determine down to the µm how much of the workpiece material is hardened. This can result in quality problems or difficulties in the further processing of the connections. For this reason, comprehensive quality controls were mandatory after hardening.

Health risk and high gas consumption

The basket with the components is immersed in an open tub of oil. This creates a flame.
After the molten salt bath, the parts to be hardened are quenched in oil in the hardening workshop.   ©MAPAL
Other disadvantages of hardening in molten salt are obvious. Furnaces with the exposed molten salt are a source of risk and danger to the health of the employees. Maximum concentration under difficult conditions is a must in the hardening workshop so as not to put oneself or others in danger. The salts have to be disposed of at great expense, and a huge amount of energy in the form of gas is consumed to maintain the temperature.

Research collaboration on laser hardening of connections

One alternative to the salt bath is laser hardening. The experts at MAPAL converted an existing machine for the purpose of hardening connections using a laser. The machine was originally designed for laser deposit welding. However, it was not clear at the time whether the process would be robust enough for the connections. To gauge this, MAPAL carried out research together with the Machine Tool Laboratory, abbreviated to WZL, at RWTH Aachen University. Together, they investigated torsion resistance, which is how resistant a laser-hardened connection is to torsion. This yielded positive results. Laser hardening is able to replace the salt bath when it comes to connections.

For about two years now, MAPAL has been using the converted machine to harden all the connections with MAPAL’s own module system. The machine’s laser heats the tempered steel to such a degree that when it cools down, the same structural changes occur as in the salt bath and the connection is hardened accordingly. This process is possible because tempered steel is a so-called self-quenching steel. This means that the tempered steel draws the heat generated by the laser inwards very quickly and thus cools down again very quickly – in other words, it quenches itself. Only then do the crucial structural changes take place. However, this process is very complicated and requires too much for hardening workpieces in series production. MAPAL went in search of a solution and found the ideal partner in the machine manufacturer EMAG.
 

A world’s first

Das Bild zeigt in Nahaufnahme einen eingespannten HSK, der mit dem Laser bearbeitet wird.
Mit 1.100° C härtet der Laser die erforderlichen Aufnahmezonen – und das ohne großen Einstell- und Einspannaufwand.   ©MAPAL

Gemeinsam haben die Experten beider Unternehmen eine Maschine entwickeln, die den HSK innen und außen per Laser härtet – und das ohne großen Einstell- und Einspannaufwand. Viel Arbeit und zwei Jahre später war sie fertig – die bisher einzige Maschine weltweit, die Werkzeugaufnahmen mit dem Laser härtet. Sie steht in der Aalener Fertigung von MAPAL. 

Aktuell werden Schritt für Schritt alle gängigen Varianten auf das neue Verfahren umgestellt. Bis Ende des Jahres sollen alle Aufnahmegrößen auf der Maschine gehärtet werden. Dann ist das Salzbad in der Härterei Geschichte und mit ihm die widrige Arbeitsumgebung und alle Gefahren, die davon ausgehen. 
 

Vorteile, Vorteile, Vorteile

Die EMAG Maschine ist im Gesamten zu sehen.
Gemeinsam mit dem Maschinenhersteller EMAG hat MAPAL eine Lösung entwickelt, um Werkzeugaufnahmen in Serie mit dem Laser zu härten.   ©MAPAL

Die neue Anlage ist damit nicht nur ein Gewinn für die Gesundheit der Mitarbeiter, sondern auch in Sachen Qualität der Aufnahmen. Denn: Der Laser härtet deutlich präziser als das Salzbad. Davon profitieren alle vor- und nachgelagerten Prozesse. In der Folge entstehen deutlich weniger Verzüge im Material. Zu welchem Zeitpunkt der Härtevorgang in den Prozess eingebaut wird, ist nicht mehr entscheidend. Zudem kann automatisiert gearbeitet werden – schließlich wird es immer schwieriger Mitarbeiter zu finden, die in der Härterei oder in der Spät- oder Nachtschicht arbeiten möchten. Zwar werden die Werkstücke im Moment noch von Hand in die Maschine eingelegt, allerdings soll das in Kürze ein Roboter übernehmen. Dann kann der Prozess weitestgehend automatisiert und vor allem während der Spät- und Nachtschicht ablaufen.

Neben den bereits genannten Vorteilen hat die Maschine auch einen messbar nachhaltigen Vorteil. Den 420.000 Kilowattstunden Gas der Salzschmelze stellt die EMAG-Maschine 60.000 Kilowattstunden Strom im Jahr gegenüber. Insgesamt leistet die Maschine so einen enormen Beitrag für ein mehr an Gesundheit, Nachhaltigkeit und Qualität.
 


Kathrin Rehor, PR Project Manager bei MAPAL

Kontakt

Kathrin Rehor Public Relations Kathrin.Rehor@mapal.com Tel.: +49 7361 585 3342


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