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Virtuelle Gießerei-Prozesse

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.


Durch die Simulation endformnaher Gussteile lassen sich beispielsweise vorgegossene Bohrungen ohne mechanische Bearbeitung erzeugen. Bildquelle: Magma GmbH

Weniger Schmelzmaterial im optimalen Gießsystem

Entscheidender als eliminierte Probegüsse ist jedoch die Entwicklung von optimal ausgelegten Gießprozessen für die Serienproduktion. Auf Basis der Simulationsergebnisse kann mit zusätzlichen Optimierungsalgorithmen unter zahlreichen Systemvarianten diejenige gefunden werden, die das Gussteil mit dem geringsten Materialeinsatz in der geforderten Qualität produziert. Die Gießerei der Heidelberger Druck AG in Amstetten etwa hat die Gießprozesse von 38 Teilen mit einem Produktionsvolumen von 32.000 Stück pro Jahr via Simulation überprüft und entsprechend modifiziert. Dadurch konnte sie 295 Tonnen Kreislaufmaterial bei einem Materialeinsatz von 1.300 Tonnen einsparen. Das Kreislaufmaterial besteht aus dem Teil der Schmelze, der nach dem Guss im Gießsystem oder in den ‚Speisern‘ verbleibt. Es kann zwar entfernt und wiederverwendet werden, muss aber zunächst mit Energieverbrauch erschmolzen werden, und auch die Wiedergewinnung kostet Energie.

Heidelberger konnte in den ersten 18 Monaten der Nutzung der Gießprozess-Simulation 100.000 Euro pro Jahr an Material- und Energiekosten einsparen. Konkret können mit der Simulation beispielsweise die Speiser reduziert werden. Wenn die Schmelze sich beim Abkühlen zusammenzieht, fließt Material aus den Speisern in die Form und verhindert so das Entstehen von Löchern – den ‚Lunkern‘ – im Gussteil. Je weniger Speiser benötigt werden, desto weniger Material muss zusätzlich eingegossen werden. Auch das Volumen des Gießsystems lässt sich mit Simulation verringern, so dass weniger Kreislaufmaterial in den Zuläufen erstarrt. Ford Köln konnte durch Optimierung die Gießtechnik für ein Druckgussteil von einer Einfachform auf eine Zweifachform umsetzen. Insgesamt sparte dies zwischen 25 und 40 Prozent, das größte Potenzial liegt in den reduzierten Energiekosten.

Wärmebehandlung und Teilequalität unter der Lupe

Viele Gussteile erhalten ihre Bauteileigenschaften durch eine Wärmebehandlung nach dem Gießprozess. Die optimale Prozessauslegung hängt dabei von der genauen Kenntnis des Gefüges im Bauteil ab, das durch Simulation vorhergesagt werden kann. Sicherheitszuschläge in den Behandlungszeiten können so drastisch reduziert werden. Die Reduzierung von Wärmebehandlungszeiten eines Windkraftteils von sechs auf vier Stunden resultiert bei 500 Teilen pro Jahr in einer Einsparung von 100.000 Kilowattstunden. Weitere Material- und Energieeinsparungen verspricht eine verbesserte Qualität der Gussteile, die sich durch Simulation erreichen lässt. So kann Ausschuss um bis zu zweistellige Prozentwerte gesenkt werden, energieintensive Nachbearbeitungen werden reduziert oder überflüssig.

John Deere konnte das Ausbringen eines Graugussteils auf diese Weise von 58 Prozent auf 64 Prozent erhöhen. Dies entspricht Kosteneinsparungen von 66.600 Dollar pro Jahr, der jährliche Ausschuss wurde um 66.936 Tonnen reduziert. Insgesamt ließ sich der Eisenbedarf um 195 Tonnen senken, die Energieeinsparung betrug 160.000 Kilowattstunden pro Jahr. Grundsätzlich lassen sich Metallteile auch mit spanenden Verfahren und Verbindungstechniken wie Schweißen oder Schrauben produzieren. Beim Gießen werden jedoch pro Tonne Material zwei Drittel weniger Primärenergie benötigt als für spanende Verfahren. Simulation macht es nun möglich, endformnahe Gussteile zu realisieren, die bislang nur Fräs- oder Schleifmaschinen produzieren konnten. So gießt Metabo Werkzeugteile mit vorgegossenen Bohrungen, die zuvor durch mechanische Bearbeitung eingefügt wurden. Die wenigen Cent Ersparnis pro Bauteil addieren sich dabei auf mehrere hunderttausend Euro pro Jahr.

Umwelttechnologie als Wettbewerbsvorteil

Die Gießprozess-Simulation gehört in vielen Gießereien zu den Standardtechniken. Vor allem Abnehmer in Automobilindustrie, Maschinenbau und Windkraftbranche verlangen von Zulieferern simulationsgetestete Produktionsprozesse und Gussteile. Die von der EU verfolgten Energie- und Klimaschutzziele sehen bis 2020 unter anderem eine Verbesserung der Energieeffizienz um 20 Prozent vor. Die Beispiele dokumentieren, dass bei konsequenter Nutzung von Simulation eine zehnprozentige Effizienzsteigerung möglich ist. Dies entspricht einem Einsparvolumen allein für die deutsche Gießerei-Industrie von bis zu 1 Milliarde Kilowattstunden oder 560.000 Tonnen CO2 pro Jahr. Vor dem Hintergrund der aktuellen Energiediskussion und der Möglichkeiten, mit Gießprozess-Simulation Energie und Material zu sparen, entwickelt sich der konsequente Einsatz von Software in möglichst vielen Gießereien auch zu einer klimapolitischen Forderung.