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Nachhaltiges Gießen durch Simulation

Virtuelle Gießerei-Prozesse

Die Herstellung einer Tonne Gusseisen benötigt im Durchschnitt etwa 1.000 Kilowattsunden Strom und 100 Kilogramm Koks, deren Energieleistungen mit Emissionen von bis zu 2.000 Kilogramm CO2 verbunden sind. Betrachtet man diese Zahlen, wird klar, wie viel energiesparende 'grüne' Gießereien zum Klimaschutz beitragen können.

Bildquelle: Magma GmbH

In Deutschland werden 5,9 Millionen Tonnen Metall erschmolzen und vergossen, darunter nach Angaben des Jahresberichts 2008 des Bundesverbands der deutschen Gießerei-Industrie 4,8 Millionen Tonnen Stahl und Eisen sowie 1,1 Millionen Tonnen Nicht-Eisen-Werkstoffe. Allein aus betriebswirtschaftlicher Motivation beschäftigt sich die Gießereibranche schon lange damit, energieschonende Gießprozesse zu entwickeln. Denn der Energieverbrauch bildet einen massiven Kostenblock, seine Größe ist für Gewinn und Wettbewerb entscheidend. Der Hauptfokus der Energiesparentwicklung liegt in der Optimierung der energetischen Vorgänge um den Schmelzvorgang und Maschinenpark herum: Effizientere Öfen mit höheren Wirkungsgraden, Auskleidungsmaterialien mit höheren Isolierleistungen oder die Nutzung von Abwärme gehören zu den aktuellen Forschungsfeldern.

Weniger Energieverbrauch durch Gießprozess-Simulation

Einen wichtigen und nachhaltigen Beitrag zur ‚grünen‘ Gießerei kann die erst 20 Jahre alte Technologie der Gießprozess-Simulation leisten. Der Ansatz kann auf verschiedene Art und Weise helfen, Materialeinsatz und notwendige Energie beim Gießen zu reduzieren. Denn ein großer Teil des erschmolzenen Materials fließt nicht in das Gussteil ein, sondern geht an unterschiedlichen Stellen im Gießprozess verloren. Lässt sich dieser Anteil reduzieren, die Ausbringung oder der ‚gute Guss‘ erhöhen, spart das erhebliche Mengen an Energie. Das Institut für Gießereitechnik hat in seinem Fachbericht ‚Der energieeffiziente Gießereibetrieb‘ errechnet, dass die Steigerung der Ausbringung von 60 auf 70 Prozent bei einer Monatsproduktion von 2.000 Tonnen gutem Guss beim Schmelzen im Induktionsofen rund 300.000 Kilowattstunden Strom pro Jahr einspart.

Weitere wichtige Beiträge der Simulation zur Energieeffizienz und damit zur CO2-Minderung liegen in den Verkürzungen der Prozess- und Zykluszeiten bei Seriengussteilen, in der energieeffizienten Optimierung der Temperierung von Dauerformen und in der Verbesserung von Plattenbelegungen und der Auslegung von Mehrfachwerkzeugen. In der Produktion kann durch den Einsatz von Simulation zudem der Energiebedarf durch Verminderung von Formstoffverbrauch, durch Optimierung von Auspackbedingungen sowie durch verminderte Putzaufwände, Rohteilbearbeitung oder Reparaturschweißen reduziert werden. Substanzielle indirekte Energieeinsparungen lassen sich auch durch weniger Versuchsabgüsse bis zur Serie erreicht.

Der analytische Blick in die Gussform

Bei der Gießprozess-Simulation werden alle Vorgänge vom Eingießen der Schmelze in das Gießsystem bis zum Erstarren und Abkühlen des Teils in der Gussform durch eine Software berechnet und visualisiert. Die Simulationstechnologie wurde Ende der achtziger Jahre von einem Team um Dr. Erwin Flender, Firmengründer der Magma GmbH, praxistauglich gemacht und gilt seitdem als eine der zentralen Innovationen in der Gießereiindustrie der letzten 50 Jahre. Denn es wurde erstmals möglich, in die ‚Blackbox‘ Gussform virtuell hineinzuschauen und Gießtechnik, Verfahrensbedingungen sowie Formen auf der Basis ‚handfester‘ Daten vor dem Abguss zu optimieren. Zuvor mussten Betriebe sich auf Erfahrungswissen und das Know-how des Gießers verlassen. Die primären Ziele der Gießprozess-Simulation liegen in der Entwicklung wirtschaftlicher, kostensparender Prozesse, die Gussteile mit hoher Qualität produzieren. Damit einher geht die Verbesserung des Materialeinsatzes, die aus der Nutzung von Simulationstechniken während der Gussteil- und Prozessentwicklung, in der Prototypenphase sowie durch die Reduzierung von Ausschuss durch verbesserte Gussteilqualität resultieren. Darüber hinaus können Energieeinsparungen aus optimierter Produktivität, verbesserten Formtemperierungen sowie in nachgelagerten Fertigungsschritten, speziell in der Wärmebehandlung, realisiert werden.

Energieeinsparungen in der Entwicklungsphase

Der Konstrukteur legt sein Bauteil zunächst belastungsgerecht aus. Gießtechnisches Know-how kommt oft erst bei der Entscheidung für einen Zulieferer ins Spiel. Zu diesem Zeitpunkt ist das Gussteil häufig schon auskonstruiert – und jede gießtechnisch notwendige Änderung erfordert kostenintensive Schleifen. In der Regel werden bei 20 Prozent der Bauteilentwicklung bereits 80 Prozent der später anfallenden Kosten festgelegt. Hier kommt dem frühzeitigen Einsatz der Gießprozess-Simulation zunehmende Bedeutung zu: In das Bauteil konstruierte, gießtechnische und qualitative Probleme lassen sich durch Überprüfen der Gießbarkeit in der Simulation frühzeitig erkennen und beheben. So konnte die Firma John Deere während der Neukonstruktion eines Bauteils 13 Kilogramm oder 5,8 Prozent des Bauteilgewichts sparen, was einer jährlichen Energieeinsparung von 53.000 Kilowattstunden durch geringere Schmelzkosten entspricht. Ohne Simulation muss der Gießprozess nach der Konstruktion eines Gussteils mit vielen aufwändigen Probegüssen entwickelt werden. Die Gießprozess-Simulation macht dieses ‚Herangießen‘ an den optimalen Prozessablauf überflüssig, die Software gestattet dem Fachmann, den besten Prozess vor dem ersten Abguss zu prüfen und zu optimieren. Eine amerikanische Gießerei konnte nach der Einführung der Gießprozess-Simulation die Kosten für Prototypen um 580.000 US-Dollar und die für Fehlabgüsse um 208.000 US-Dollar reduzieren.


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