Table Of ContentEnergie- und ressourceneffiziente Produktion
von Aluminiumdruckguss
Christoph Herrmann
Helge Pries
Götz Hartmann
(Hrsg.)
Energie- und
ressourceneffiziente
Produktion von
Aluminiumdruckguss
Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann Dr.-Ing. Götz Hartmann
Institut für Werkzeugmaschinen und Ferti- MAGMA Gießereitechnologie GmbH
gungstechnik Aachen
Technische Universität Braunschweig Deutschland
Braunschweig
Deutschland
Dr.-Ing. Helge Pries
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Technische Universität Braunschweig
Braunschweig
Deutschland
Weitere Informationen zum Verbundprojekt ProGRess und zum Schwerpunkt Ressourceneffizienz
in der Produktion sind im Internet unter www.effizienzfabrik.de verfügbar.
ISBN 978-3-642-39852-0 ISBN 978-3-642-39853-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-39853-7
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Gestaltung ressourceneffizienter Prozessketten am
Beispiel Aluminiumdruckguss
Vorwort
Die Produktion hochwertiger technischer Güter war und ist der Treiber für die Entwick-
lung von Wohlstand in einem Land. Dies gilt insbesondere für Deutschland als ein Land
mit nur wenigen Rohstoffen. Produzierende Unternehmen stehen durch Aufnahme und
Abgabe von Stoff- und Energieströmen in Wechselwirkung mit der Umwelt. Die Aufnah-
mefähigkeit der natürlichen Umwelt für anthropogene Stoffströme ist jedoch begrenzt.
Wird die Aufnahmefähigkeit überschritten, kommt es zu negativen Umweltwirkungen.
Viele der eingesetzten Rohstoff- und Energiequellen sind zudem nicht erneuerbaren Ur-
sprungs und damit endlich. Wirtschaftswachstum in Schwellen- und Entwicklungsländern,
steigende Lebensstandards und eine steigende Weltbevölkerung resultieren in steigenden
Rohstoffbedarfen und damit auch Rohstoffpreisen. Neben einer langfristigen Wende hin
zu erneuerbaren Energien sind daher der effiziente Energie- und Rohstoffeinsatz und das
Schließen von Materialkreisläufen wichtige Bausteine einer nachhaltigeren Produktion.
Vor diesem Hintergrund förderte das Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) zwischen 2009 und 2013 insgesamt 31 Innovationen für eine energie- und res-
sourceneffiziente Produktion. Im Fokus standen kooperative vorwettbewerbliche For-
schungsvorhaben zur Stärkung der technologischen Spitzenposition der deutschen Indus-
trie. Diese wurden mit über 50 Mio. € durch das BMBF unterstützt und vom Projektträger
Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Effizienzfabrik, eine gemeinsame Initiative von BMBF und
VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V.), kommuniziert die ak-
tuellen Forschungsergebnisse aller 31 Verbundprojekte, an denen 200 Unternehmen und
Forschungsinstitute beteiligt waren.
Das vorliegende Buch präsentiert die Ergebnisse des Verbundprojektes „ProGRess –
Gestaltung ressourceneffizienter Prozessketten am Beispiel Aluminiumdruckguss“. Die
Aluminiumdruckguss-Industrie steht stellvertretend für die metallerzeugende und -ver-
arbeitende Industrie, welche etwa 10 % am Gesamtenergieverbrauch aller deutschen Pro-
duktionsbereiche ausmacht. Die Aluminiumdruckguss-Industrie gehört damit zu den
energieintensiven Industrien in Deutschland. Gleichzeitig spiegeln viele Aluminium-
druckguss-Produkte die Leistungsfähigkeit der produzierenden Industrie in Deutschland
wider. Viele Produkte sind komplexe Strukturbauteile und kommen u. a. in der Automo-
bilindustrie zum Einsatz. Die Maßnahmen zur Steigerung der Ressourceneffizienz sind
vielfältig und zumeist führt nur ein Maßnahmenbündel zu deutlichen Effizienzsteigerun-
VII
VIII Vorwort
gen. Da die Produktion in der Regel in Prozessketten unter Beteiligung mehrerer Unter-
nehmen erfolgt, sind zudem Ansätze erforderlich, die die einzelnen Maßnahmen unter-
nehmensübergreifend analysieren und bewerten.
In enger Kooperation zwischen sieben Unternehmen und zwei Forschungsinstituten
wurden ausgehend von einem Gesamtkonzept der Prozesskette Aluminiumdruckguss so-
wohl technische Maßnahmen auf Ebene der Einzelprozesse entwickelt als auch auf der
Ebene der Prozesskette analysiert und bewertet. Die Ergebnisse zeigen die vielfältigen
Chancen zur Erhöhung der Ressourceneffizienz in der Aluminiumdruckguss-Industrie
auf. Die in dem Verbundprojekt entwickelte Kombination verschiedener Modellierungs-
und Simulationswerkzeuge hilft Unternehmen, diese Chancen zu bewerten und für eine
Umsetzung im Unternehmen zugänglich zu machen.
Unser Dank gilt den ProGRess-Partnern für ihre erfolgreiche Arbeit, ihr Engagement
und die kooperative Zusammenarbeit. Ganz besonders bedanken möchten wir uns bei den
Koordinatoren des Verbundprojekts Herrn Prof. Christoph Herrmann (TU Braunschweig,
IWF), Frau Dr. Helge Pries (TU Braunschweig, ifs) und Herrn Dr. Götz Hartmann (MAG-
MA Gießereitechnologie GmbH) sowie bei Herrn Tim Heinemann (TU Braunschweig,
IWF) für das professionelle Projektmanagement.
Wir hoffen, dass das vorliegende Buch zum einen die erprobten Ergebnisse bekannt
macht und zum anderen viele Unternehmen anregt, Maßnahmen zur Erhöhung der Ener-
gie- und Ressourceneffizienz zu entwickeln und umzusetzen.
Karlsruhe, im Juli 2013
Rüdiger Sehorz
Projektträger Karlsruhe (PTKA)
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Inhaltsverzeichnis
1 Industrielle Produktion und Aluminiumdruckguss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Tim Heinemann und Christoph Herrmann
1.1 Bedeutung und Herausforderungen des produzierenden Gewerbes am
Beispiel des Aluminiumdruckgusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Buchstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Vorstellung der beteiligten Unternehmen und Forschungspartner . . . . . . . . 11
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Aluminiumdruckguss – Potenziale und Handlungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Götz Hartmann, Christoph Herrmann, Tim Heinemann,
Frank Hoffmann, Ueli Jordi, Ansgar Pithan und Helge Pries
2.1 Die Aluminiumdruckgussbranche im Spannungsfeld zwischen
Wirtschaftlichkeit und Energie- und Rohstoffkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Historie und Herausforderungen der Aluminiumdruckguss-Technologie . . . 25
2.3 Die Prozesskette Aluminiumdruckguss und ihre Handlungsfelder zur
Steigerung der Ressourceneffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4 Potenzial der Kernprozessoptimierung zur Reduzierung der
Energie- und Ressourcenverbräuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Zielstellung und Arbeitsplan des Verbundforschungsprojekts ProGRess . . . 37
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 Handlungsfeld virtuelle Produkt-, Werkzeug- und Prozessgestaltung . . . . . . . . 45
Götz Hartmann
3.1 Potenzialerschließung mit Gießprozesssimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 Fertigungsgerechte Bauteilauslegung – bauteilgerechte
Fertigungsauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Heben von Potenzialen: Optimierte Formfüllung
und Werkzeugtemperierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
IX
X Inhaltsverzeichnis
3.4 Schnittstellen zur Prozesskettensimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4 Handlungsfeld Metallbereitstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Andreas Kleine, Tim Heinemann, Hubert Koch, Helge Pries
und Christian Garthoff
4.1 Anforderungen an Druckgusslegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2 Potenziale der Metallanlieferung: Vergleich der
Block- und Flüssigmetallverwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Legierungsentwicklung auf Basis von Reinaluminium
und Recyclingaluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4 Eigenschaftscharakterisierung der Legierung EN AC-AlSi9Cu3(Fe)
und Kriterien zur Reduzierung der Variantenvielfalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5 Handlungsfeld Ofenkonzepte – Technologie und Organisation . . . . . . . . . . . . . 107
Ansgar Pithan, Olgierd Lemański, Stefan Geisler und Gerd Röders
5.1 Reduzierung von Ofentemperaturen und Wärmeverlusten in der
Schmelzerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2 Rüstzeitoptimierung und Steigerung der Energieeffizienz durch
innovative Warmhalteöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3 Ofenregulierung bei Stillständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4 Anpassungen an Abgasfilteranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6 Handlungsfeld Druckgießprozess – Gießzelle und Prozessparameter . . . . . . . . 127
Helge Pries, Christian Garthoff, Frank Hoffmann,
Ueli Jordi und Andreas Kleine
6.1 Maßnahmen zur Maschinenoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2 Einfluss von Prozessparametern auf den Energieverbrauch
der Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3 Einfluss von Prozessgrößen auf die Bauteilqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7 Handlungsfeld Trenn- und Hilfsstoffe im Druckgießprozess . . . . . . . . . . . . . . . 157
Darko Tomazic, Lisa Herrmann, Norbert Ehlers,
Christian Garthoff, Helge Pries und Uwe Hartmann
7.1 Grundlagen und Stand der Technik zu Trenn- und Hilfsstoffen im
Druckgießprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2 Trennstoffentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.3 Optimierter Trennstoffauftrag/Anfahrprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.4 Kolbenschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Inhaltsverzeichnis XI
7.5 Einfluss der Trennstoffe auf die Weiterverarbeitbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8 Handlungsfeld Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Andreas Kleine, Rudolf Seefeldt und Tim Heinemann
8.1 Parametervariation des T7-Wärmebehandlungsprozesses . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.2 Simulationsergebnisse im Kontext von Wärmebehandlung
und Gestaltungsempfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9 Handlungsfeld mechanische Bearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Marius Winter, Christoph Herrmann und André Zein
9.1 Einsatz eines Polymer-basierten Kühlschmierstoffs in der
Aluminiumzerspanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
9.2 Energieeffizienz beim Planen und Betreiben von Maschinen
und Prozessen in der Metallbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.3 Öko-Effizienz von Fertigungsprozessen am Beispiel der
Aluminiumbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
10 Handlungsfeld Planung, Organisation und Versorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Olgierd Lemański, Stefan Geisler, Gerd Röders und Tim Heinemann
10.1 Methode zur Unterstützung der Fabriksystemgestaltung für
mittelständische Gießereien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.2 Medienversorgung und -optimierung (Druckluftsystemoptimierung) . . . . 255
10.3 Gestaltung effizienter Rüstprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.4 Optimiertes Rüsten zur Reduzierung von Anfahrausschuss . . . . . . . . . . . . . 268
10.5 Mitarbeitereinbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
10.6 Shopfloormanagement in einer Kleinseriengießerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11 Handlungsfeld Bewertung von Energie- und Ressourceneffizienz in
industriellen Prozessketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Tim Heinemann, Sebastian Thiede und Christoph Herrmann
11.1 Hierarchisches Bewertungsmodell für Energie- und
Ressourceneffizienz in industriellen Prozessketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.2 Bewertung dynamischer Abhängigkeiten durch energieorientierte
Prozesskettensimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
11.3 Synergien durch kombinierte Anwendung von Prozess- und Prozess-
kettensimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
11.4 Energie- und Stoffstrommodell der Prozesskette Aluminiumdruckguss . . . 299
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
