Energie- 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 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; de- taillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht aus- drücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein- speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be- rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-vieweg.de 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