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

Der Korb mit den Bauteilen wird in eine offene Wanne mit Öl getaucht. Dabei entsteht eine Flamme.
Nach dem Bad in der Salzschmelze werden die zu härtenden Bauteile in der Härterei in Öl abgeschreckt.   ©MAPAL
Weitere Nachteile des Härtens in der Salzschmelze sind offensichtlich. Die Öfen mit der offenen Salzschmelze stellen eine Risiko- und Gefahrenquelle für die Gesundheit der Mitarbeiter dar. Höchste Konzentration unter erschwerten Bedingungen ist in der Härterei ein Muss, um sich selbst und andere nicht zu gefährden. Die Salze müssen aufwendig entsorgt werden, und für die Aufrechterhaltung der Temperatur wird zudem sehr viel Energie in Form von Gas verbraucht.

Forschungszusammenarbeit zum Laserhärten von Aufnahmen

Eine Alternative zum Salzbad ist das Laserhärten. Die MAPAL Experten bauten dazu eine vorhandene Maschine um, um Aufnahmen mit dem Laser zu härten. Die Maschine war eigentlich zum Laserauftragsschweißen gedacht. Ob sich das Verfahren allerdings belastbar für die Aufnahmen eignen würde, war zu diesem Zeitpunkt nicht klar. Dazu hat MAPAL gemeinsam mit dem Werkzeugmaschinenlabor, kurz WZL, der RWTH Aachen geforscht und die Torsionsbeständigkeit, also wie beständig eine lasergehärtete Aufnahme bei Verdrehung ist, untersucht. Mit positivem Ergebnis. Das Laserhärten kann das Salzbad bei Aufnahmen ersetzen.  

Seit rund zwei Jahren härtet MAPAL nun mit der umgebauten Maschine alle Aufnahmen mit der MAPAL eigenen Modul-Schnittstelle. Der Laser der Maschine erhitzt den Vergütungsstahl so stark, dass beim Abkühlen dieselben Strukturveränderungen wie beim Salzbad erfolgen und die Aufnahme entsprechend gehärtet wird. Möglich ist dieses Verfahren, da es sich bei Vergütungsstahl um sogenannten selbstabschreckenden Stahl handelt. Das heißt, dass der Vergütungsstahl die Wärme, die durch den Laser entsteht, sehr schnell nach innen zieht und sich so sehr schnell wieder abkühlt - sich also selbst abschreckt. Erst dadurch stellen sich die entscheidenden Strukturveränderungen ein. Allerdings ist dieses Verfahren sehr umständlich und zu aufwendig, um serientauglich Werkstücke zu härten. MAPAL begab sich auf Lösungssuche und fand mit dem Maschinenhersteller EMAG dafür den optimalen Partner.
 

Weltweit einzigartig

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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