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2013 | Buch

Energie- und ressourceneffiziente Produktion von Aluminiumdruckguss

herausgegeben von: Christoph Herrmann, Helge Pries, Götz Hartmann

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Die Aluminiumdruckgussbranche sieht sich einem sehr hohen Kostendruck durch hohe Energieintensität der Produktion sowie steigende Energie- und Rohstoffpreise ausgesetzt. In dem Verbundforschungsprojekt ProGRess wurden gezielt Lösungen erarbeitet, um unternehmensübergreifend den Energie- und Ressourcenverbrauch signifikant zu senken. Die in der Praxis erprobten Lösungen werden anhand von Fallbeispielen in der Wertschöpfungskette vorgestellt. Die Auswirkungen der vorgeschlagenen Maßnahmen in der Praxis können in einem ganzheitlichen Bewertungsansatz für Produktionsprozessketten verglichen werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Industrielle Produktion und Aluminiumdruckguss

Zusammenfassung

Die industrielle Produktion am Standort Deutschland ist aus historischer Sicht einer der wesentlichen Treiber des gesellschaftlichen Wohlstands. Dennoch sieht sich ihre Wettbewerbsfähigkeit großem Druck aufgrund steigender Energie- und Rohstoffpreise ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für die Aluminiumdruckgussbranche, welche einen bedeutenden Industriezweig am Standort Deutschland darstellt. Im Verbundforschungsprojekt ProGRess haben sich daher namhafte Partner aus dieser Industrie und der Wissenschaft zusammengetan, um den aktuellen Herausforderungen zu begegnen.

Tim Heinemann, Christoph Herrmann

2. Aluminiumdruckguss – Potenziale und Handlungsfelder

Zusammenfassung

Der Druckgussprozess und die gießereiinterne Prozesskette sind von einer hohen Dynamik gekennzeichnet und komplexen Energie- und Ressourcenverbräuchen gekennzeichnet. Um diese Optimieren zu können, werden sowohl die Produktionsprozesskette Aluminiumdruckguss und ihre Historie sowie die Handlungsfelder entlang der Prozesskette und im Kernprozess selbst im Kontext Energie- und Ressourceneffizienz vorgestellt.

Götz Hartmann, Christoph Herrmann, Tim Heinemann, Frank Hoffmann, Ueli Jordi, Ansgar Pithan, Helge Pries

3. Handlungsfeld virtuelle Produkt-, Werkzeug- und Prozessgestaltung

Zusammenfassung

In der Regel steht vor dem Beginn eines physischen Aluminiumdruckgießprojektes inklusive des Aufbaus von Anlagentechnik und Druckgießformen sowie der Einstellung der notwendigen Prozessparameter die Modellierung, Simulation und Optimierung des Kernprozesses Gießen. Auf diesem Wege können mit Hilfe von Parameterstudien und Optimierungsrechnungen stabile Prozesse und effiziente Prozessparameter bereits virtuell gefunden werden und die Hochlaufphase des Gießprojektes kann reduziert werden. Überdies können durch Einsatz der Simulation Maßnahmen auf Ebene der Produkt-, Werkzeug- und Prozessgestaltung identifiziert und bewertet werden, die der Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz dienlich sind. Schwerpunkt in diesem Kapitel ist daher die Vorstellung des Gießprozesssimulation als Werkzeug für die virtuelle Produkt-, Werkzeug- und Prozessgestaltung.

Götz Hartmann

4. Handlungsfeld Metallbereitstellung

Zusammenfassung

Im Sinne einer ganzheitlichen Analyse und Verbesserung der Prozesskette Aluminiumdruckguss sind insbesondere auch die relevanten Eingangsstoffe zu betrachten. Hier sticht die Metallbereitstellung naturgemäß hervor und verfügt über eine Reihe von Stellschrauben zur Beeinflussung der Energie- und Ressourceneffizienz der gesamten Prozesskette. Dieses Kapitel soll daher einen Überblick über die Klassifizierung und Eigenschaften der Aluminiumdruckgusslegierungen sowie über die Potenziale der Legierungsentwicklung und Anlieferung zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz bieten.

Andreas Kleine, Tim Heinemann, Hubert Koch, Helge Pries, Christian Garthoff

5. Handlungsfeld Ofenkonzepte – Technologie und Organisation

Zusammenfassung

Wesentliche Treiber des Energieverbrauchs in industriellen Prozessketten sind Wärmeprozesse. Dies gilt analog für die Prozesskette Aluminiumdruckguss, die aufgrund der Verarbeitung von geschmolzenem Metall mit diversen Wärmeprozessen arbeiten muss. Daher bieten optimierte Ofenkonzepte und ihre Peripherie ein großes Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Aluminiumdruckgussherstellung. Dieses Kapitel stellt ausgesuchte Ansätze vor, mit denen der Energieeinsatz durch neue Ofentechnologien oder aber auch durch neue Betriebsweisen reduziert werden kann.

Ansgar Pithan, Olgierd Lemański, Stefan Geisler, Gerd Röders

6. Handlungsfeld Druckgießprozess – Gießzelle und Prozessparameter

Zusammenfassung

Der Druckgießprozess ist im Hinblick auf eine Ressourceneffizienz ein sehr relevantes Handlungsfeld in der gesamten Prozesskette. In der Gießzelle werden über die Parameter der Gießmaschine und des Sprühprozesses sowie über die eingesetzte Schmelzequalität und die Auslegung der Form sowie ihren Verschleißzustand die Qualitätseigenschaften des gegossenen Bauteils eingestellt. Fehler, die in diesem Prozessschritt gemacht werden, führen unweigerlich zu einem Ausschuss der Bauteile. Schwerpunkt in diesem Kapitel ist daher eine detaillierte Betrachtung der Maßnahmen zur energieorientierten Maschinenoptimierung und des Einflusses der Prozessparameter auf die Bauteilqualität.

Helge Pries, Christian Garthoff, Frank Hoffmann, Ueli Jordi, Andreas Kleine

7. Handlungsfeld Trenn- und Hilfsstoffe im Druckgießprozess

Zusammenfassung

Der Druckgießprozess ist ohne Trenn- und Hilfsstoffe technisch nicht durchführbar. Insbesondere die Trennstoffe und ihre Applikation über den Sprühprozess beeinflussen nicht nur den Prozessablauf, sondern auch die Bauteilqualität im Hinblick auf ihre Weiterverarbeitung. Ein Schwerpunkt im Verbundprojekt war daher der Themenkomplex der Trennstoffe, deren Wechselwirkungen mit der Gießform und der Einfluss auf die Bauteilqualität. In den folgenden Kapiteln werden, ausgehend von den Grundlagen der Trennstoffanwendung, die Trennstoffentwicklungen sowie ein im Hinblick auf die Formenstandzeit und Ausschussreduzierung optimierter Sprühprozess vorgestellt. Außerdem wird das Potenzial einer Minimalmengenschmierung des Kolbens betrachtet und eine Bewertung der Entwicklungsarbeiten im Hinblick auf die Weiterverarbeitung der Bauteile vorgenommen.

Darko Tomazic, Lisa Herrmann, Norbert Ehlers, Christian Garthoff, Helge Pries, Uwe Hartmann

8. Handlungsfeld Wärmebehandlung

Zusammenfassung

Oft ist es zur Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften des Endprodukts notwendig, dieses einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Aufgrund der großen Materialmassen, die in diesem Zusammenhang teils mehrfach durchwärmt werden müssen, entsteht hier ein großer Energiebedarf. Darüber hinaus kann die Wärmebehandlung durch eventuell entstehenden, ungewollten Verzug des Bauteils zu Ausschussteilen führen, welche die Energiebilanz der Prozesskette negativ beeinflussen. Daher stellt dieses Kapitel Ansätze vor, mit denen durch angepasste Prozessparameter und vorausschauende, simulative Beurteilung möglicher Einflussgrößen auf den Bauteilverzug die Energieintensität der Prozesskette Aluminiumdruckguss gesenkt werden kann.

Andreas Kleine, Rudolf Seefeldt, Tim Heinemann

9. Handlungsfeld mechanische Bearbeitung

Zusammenfassung

Produktionsmaschinen benötigen zur Erfüllung wertschöpfender Tätigkeiten neben Rohmaterialien auch Energie und Hilfsstoffe. Ausgangsgrößen des Produktionsprozesses sind neben dem eigentlichen Produkt auch Abluft/Abwärme oder Abfälle bzw. Nebenprodukte (z.B. Späne). Ausgehend von einer ganzheitlichen Fabrikperspektive ist für die Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz eine Berücksichtigung aller relevanten Energie- und Stoffflüsse der verwendeten Betriebsmittel notwendig. Die Analyse der Energie- und Stoffflüsse ermöglicht das Aufzeigen von Handlungsfeldern und die Ableitung und Bewertung von Verbesserungsmaßnahmen. Im Handlungsfeld der mechanischen Bearbeitung sind neben der Entwicklung von innovativen, neuen Hilfs- und Betriebsstoffen insbesondere auch Methoden für die allgemeine Berücksichtigung der Energie- und Ressourceneffizienz beim Planen und Betreiben von Maschinen und für die generelle Bewertung der Öko-Effizienz von Fertigungsprozessen zu entwickeln.

Marius Winter, Christoph Herrmann, André Zein

10. Handlungsfeld Planung, Organisation und Versorgung

Zusammenfassung

Neben den spezifischen Technologien für die Prozesskette Aluminiumdruckguss, die in den vorangegangenen Kapiteln vorgestellt wurden, bieten auch allgemeine Planungsgrundsätze, -verfahren und -werkzeuge sowie die Ausgestaltung der Medienversorgung Ansatzpunkte für Maßnahmen zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz. Dieses Kapitel stellt daher ausgewählte Aspekte zu den Themen Planungsunterstützung, Medienversorgung, Rüstoptimierung und Mitarbeitereinbindung vor, die geeignet sind, die Energieintensität von Gießereien zu reduzieren.

Olgierd Lemański, Stefan Geisler, Gerd Röders, Tim Heinemann

11. Handlungsfeld Bewertung von Energie- und Ressourceneffizienz in industriellen Prozessketten

Zusammenfassung

Nach der erfolgten Vorstellung vielfältiger technologischer wie auch organisatorischer Maßnahmen zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz in der Prozesskette Aluminiumdruckguss wird in diesem Kapitel ein integrierender Rahmen aufgespannt, welcher die verschiedenen entwickelten Maßnahmen und auch Methoden bzw. Werkzeuge in einen gemeinsamen Kontext setzt und auch eine vergleichende Bewertung der Maßnahmen zulässt. Hierfür wird zunächst ein Bezugsrahmen für ein hierarchisches Bewertungsmodell industrieller Prozessketten entwickelt. Bestandteil dieses Bewertungsmodells ist die Anwendung einer energieorientierten Materialflusssimulation und ihre Interaktion mit spezialisierten Prozess-Simulationswerkzeugen. Die Ergebnisse der vorgestellten Simulationswerkzeuge gehen in ein Energie- und Stoffstrommodell ein, welches auf Ebene der unternehmensübergreifenden Prozesskette Aluminiumdruckguss eingesetzt und zum Vergleich ausgewählter Maßnahmen herangezogen wird.

Tim Heinemann, Sebastian Thiede, Christoph Herrmann

12. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Ziel dieses Buches war vor diesem Hintergrund die Vorstellung der Ergebnisse des Verbundprojekts „ProGRess – Gestaltung ressourceneffizienter Prozessketten am Beispiel Aluminiumdruckguss“, in dem ein umfassendes Konzept zur Analyse, Bewertung und Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz von Aluminiumdruckgießereien und ihren vorgelagerten Legierungslieferanten erarbeitet wurde. Auf Basis umfangreicher Datenaufnahmen in realen Prozessketten wurden technologische wie auch organisatorische Maßnahmen zur Senkung des spezifischen Energie- und Ressourceneinsatzes in Druckgießereien entwickelt und erfolgreich in drei Gießereien erprobt. Ausgehend von den erzielten Ergebnissen und umgesetzten Entwicklungserfolgen wird in diesem abschließenden Kapitel ein kurzer Ausblick auf künftige Forschungsfragen gegeben.

Christoph Herrmann, Tim Heinemann

Titel: Energie- und ressourceneffiziente Produktion von Aluminiumdruckguss
herausgegeben von: Christoph Herrmann
Helge Pries
Götz Hartmann
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-39853-7
Print ISBN: 978-3-642-39852-0
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-39853-7

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