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1 Intelligenter Produzieren VDMA Verlag 2007/5 Umwelttechnik als Schlüssel für Nachhaltigkeit

2 Die starke Seite in uns Die ersten Schritte sind mühsam und vom Wort zur Tat ist der Weg oft weit. Doch das Streben nach neuen Dimensionen ist der Schlüssel zur eigenen Entwicklung. Das intelligentere Produzieren verleiht uns die Sprungkraft, die uns nach vorne bringt. W I T T E N S T E I N eins sein mit der Zukunft w w w. w i t t e n s t e i n. d e

3 Editorial Liebe Leserinnen und Leser, Dr. Markus Heering ist Sprecher des Forums Umwelttechnik im VDMA. wenn Umweltbelastungen, wie Luftverschmutzung, Wasserverunreinigung oder die globale Erwärmung verhindert werden sollen, dann kommt moderner und umweltfreundlicher Technik eine zentrale Bedeutung zu. Die Verknappung der primären Rohstoffe ist bereits heute auch ein wichtiger wirtschaftlicher Aspekt. Daher ist das Recycling von Abfällen ein bedeutender volkswirtschaftlicher Faktor. Sekundärrohstoffe bieten vielfach eine ökologisch und ökonomisch interessante Alternative zum Einsatz von primären Rohstoffen. Bekannte sekundäre Rohstoffe, wie Schrott, Altpapier und Kunststoffe, sind international stark gefragt. Das Institut der Deutschen Wirtschaft (IW) in Köln hat errechnet, dass durch Recycling und den Einsatz von sekundären Rohstoffen in Deutschland jährlich 3,7 Milliarden Euro an Rohstoff- und Energiekosten eingespart werden. Aufgrund der technischen Entwicklungen des Maschinen- und Anlagenbaus werden inzwischen 65 Prozent des deutschen Abfallaufkommens wiederverwendet oder als Ersatz für primäre Energierohstoffe genutzt. Die Recyclingquoten erreichen dabei weltweit die höchsten Werte und betragen beispielsweise für Glas und Papier 87,7 Prozent oder für Aluminium 72,3 Prozent. Der Einsatz moderner Anlagentechnik sowie die strengen Anforderungen an die zulässigen Umweltbelastungen zeigen Wirkung. So wurden durch moderne Abfall- und Recyclingtechnik im Zeitraum von 1990 bis 2005 insgesamt 46 Millionen Tonnen Kohlendioxid (CO 2 ) eingespart. Dies ist ein Viertel der gesamten Reduktion, die in diesem Zeitraum erzielt worden ist. Damit beträgt, laut einer Studie des Bundesumweltministeriums, der Beitrag der Abfallwirtschaft zum Reduktionsziel Deutschlands bis 2020 rund zehn Prozent. Dieses Ergebnis wurde erreicht durch verschiedene Recyclingmaßnahmen, wie die getrennte Erfassung von Bioabfall, und den konsequenten Einsatz moderner Abfallentsorgungstechnik, wie beispielsweise Abfallverbrennungsanlagen oder mechanisch-biologische Aufbereitungsanlagen. Ein Blick rund um den Globus zeigt, dass ein enormer Bedarf an moderner Umwelttechnik besteht. Aufgrund der Erfahrungen, die insbesondere in Deutschland in den vergangenen 20 Jahren gemacht worden sind, und auch aufgrund des technologischen Vorsprungs gegenüber den anderen Marktteilnehmern aus dem Ausland hat die deutsche Umwelttechnik eine hervorragende Ausgangsposition, um im internationalen Geschäft langfristig die dominierende Rolle zu spielen. Markus Heering Intelligenter Produzieren 2007/5

4 Seite 6 Beim Konstruieren schon an das Recycling denken Rohstoffe müssen nachhaltig verfügbar bleiben Seite 8 Für umweltfreundlichere Herstellung gesorgt Europäische Richtlinien regeln Umgang mit Elektronikschrott Seite 10 Verbesserung der Schmiermittelpflege Magnetisches Trennverfahren ohne Filterstoffe Seite 12 Druckfarbe muss sich leichter entfernen lassen Deinking optimiert Recycling von Papier Seite 14 Mit weniger mehr erreichen Antriebstechnik erhöht den Wirkungsgrad bei Komponenten und System Seite 16 Umwelttechnik trifft Mikrotechnik Strukturierte Siebe werden zum Kern neuer Filter Seite 18 Höhere Wirtschaftlichkeit durch Wassermanagement Komplette Systemlösung für Prozesswässer eines Aluminium-Oberflächenveredlers Seite 20 Bakterien holen Eisen aus dem Wasser Mikrobiologische Reinigung von Grubenwässern Seite 22 Nachhaltigkeit bei überkritischen Fluiden Herstellung von Leder unter dem Einfluss von verdichtetem Kohlendioxid Seite 24 Schlüsselthemen sind klar definiert Strategische Forschungsagenda Deutschland für Produktionstechnik fertiggestellt 4 Intelligenter Produzieren 2007/5

5 M I T I N T E L L I G E N T E N A N T R I E B S L Ö S U N G E N Ü B E R Z E U G E N DYNAMISCHEN ANTRITT GARANTIEREN Füße sind hochelastische Leistungsträger. Ihre geniale Konstruktion aus Gelenken, Sehnen, Muskeln und Nerven erlaubt nahezu unbegrenzte Beweglichkeit bei hoher Standfestigkeit. Wie bei Antriebssystemen von NORD DRIVESYSTEMS. Sie sichern dynamischen Antritt, permanente Leistungsbereitschaft und hohe Lagepräzision, zum Beispiel in der Automatisierungstechnik. Unsere Antriebselektronik ist in der Lage, selbst komplexe Steuerungsaufgaben zu übernehmen. Mit Antriebssystemen von NORD gewinnen SIE an Dynamik. Getriebe/Motoren Antriebselektronik Service global Systemlösungen Automatisierung KUNDENNUTZEN ist unser wichtigstes Unternehmensziel, darauf konzentrieren wir unsere Kompetenz als einer der führenden Antriebsspezialisten. Mit Produkten auf höchstem Technologie- und Qualitätsniveau, flexibler Beratung und Projektbegleitung, schneller Verfügbarkeit und zuverlässigem Service weltweit. So helfen wir unseren Kunden, in ihren Märkten erfolgreich zu sein. G E M E I N S A M V I E L B E W E G E N SPS/IPC/DRIVES/ Elektrische Automatisierung Nürnberg Nov NORD: Halle 4, Stand 261 Getriebebau NORD DRIVESYSTEMS Phone /401-0 Box 1262 D Bargteheide/Hamburg

6 Beim Konstruieren schon an das Recycling denken Rohstoffe müssen nachhaltig verfügbar bleiben Von Ulrich Kohaupt In Zukunft bedeutet intelligent produzieren noch mehr, die Konstruktion so zu gestalten, dass Rohstoffe nachhaltig verfügbar bleiben und auf möglichst hohem Anwendungsniveau mehrfach genutzt werden können. Die elektrische Magentrommel in einer Auto-Shredderanlage sorgt für die ersten Schritte bei der Materialtrennung. Fotos: STEINERT Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Kohaupt STEINERT ELEKTROMAGNET- BAU GmbH Tel.: / kohaupt@steinert.de Autos und insbesondere elektronische Produkte werden heutzutage mehr verbraucht als gebraucht. Die Produkte werden immer komplexer. Die Werkstoffvielfalt steigt, die Werkstoffe werden gleichzeitig in immer feineren Strukturen verarbeitet. Gerade am Ende ihrer Nutzung wirft dies eine wahrlich nicht einfache Aufgabe auf: das Recycling. Werkstoffe sind insbesondere bei den eher dauerhaft hohen Rohstoffpreisen möglichst umfassend und in höchster Reinheit zurückzugewinnen. Auch sind unvermeidbare Reststoffe mit einem geringen Gefährdungspotenzial und beseitigungsfreundlich zu erzeugen auch wenn der Begriff Reststoffe erzeugen für einen Produzenten eher schizophren klingt. Weiß man bei der Produktion genau, welches Produkt mit welchen Materialien hergestellt werden soll, so ist das beim Recycling völlig anders. Das Endprodukt, der Sekundärrohstoff, mag noch einigermaßen definierbar sein, beispielsweise Kupfer oder Aluschrott. Der Eingangsstoff ist es nicht. Alter, Herkunft, Zustand sind äußerst heterogen. Das Alter schwankt zwischen einem Tag und 20 Jahren, das Gerät kommt aus Asien, Europa oder Amerika. Es wurde liebevoll gepflegt und gesäubert oder war Wind und Wetter ausgesetzt und ist vollkommen verdreckt. Dieses Durcheinander bedingt nahezu zwangsweise, dass man derartige Altprodukte nicht länger als Stückgut, sondern vielmehr als Schüttgut im Massestrom behandelt. In der Aufbereitungstechnik ist dies seit Jahrhunderten der Weg, mineralische Rohstoffe zu gewinnen warum sollte das Verfahren nicht auch auf sekundäre Rohstoffe übertragbar sein? Die Grundprinzipien der Aufbereitung sind schnell genannt: Es kann nur sortiert werden, was auch getrennt vorliegt. Das heißt, verbundene Werkstoffe müssen zunächst einmal voneinander gelöst (aufgeschlossen) werden, um dann durch Prozesse in unterschiedliche Ströme aufgeteilt werden zu können. Entwicklung in der Aufbereitung von Produkten Einer der zentralen Schritte ist die Zerkleinerung beziehungsweise die Aufschlusszerkleinerung. Bei dieser Stufe wird das Gerät geknackt wie eine Nuss. Die Inhaltsstoffe werden freigelegt. Dabei sollte primär an der Verbundfläche gebrochen werden und weniger in der Werkstoffmitte. So werden einzelne Baugruppen aus ihrem Verbund gelöst. Danach können speziell abge- 6 Intelligenter Produzieren 2007/5

7 Beim Konstruieren schon an das Recycling denken stimmte Verfahren diese Baugruppen weiter aufbereiten. Im Bereich Elektronikschrott haben sich dafür spezielle Aggregate bewährt. Diese setzen eher auf wenige kurze, aber heftige Schläge als auf eine längere, häufigere Beanspruchung, wodurch auch der Werkstoff zerkleinert würde. Diese Maschinen erledigen damit eine mechanisierte Zerlegung, ohne selbst Baugruppen wie Kondensatoren zu zerstören. Werden solche Schritte beim Recycling berücksichtigt, hat man schon große Chancen, wieder nutzbare Rohstoffe zu gewinnen. Wie Werkstoffauswahl und Recyclingsituation sich entwickelt haben, lässt sich beim Autorecycling sehr schön erkennen. Zunächst entstand der Shredderprozess, um den Stahl als wirtschaftlichen Werkstoff zu gewinnen. Das alte Auto kommt dabei in eine große Hammermühle, den Shredder, und wird dort in weniger als einer Minute in faustgroße Stücke zerrissen. Der Energieeintrag ist gigantisch groß. So wird bis heute verfahren. Man erzielt mit großen elektromagnetischen Trommeln sehr reinen Stahlschrott. Solange das Auto überwiegend aus Eisen, Gummi, Textilien und Glas bestand, war diese Vorgehensweise ausreichend. Da die Autos aber immer komplexer wurden, kamen neue Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium, Kupfer oder Kunststoffe hinzu. Sie müssen ebenfalls wieder zurückgewonnen werden. Insbesondere die Materialgruppe Nichteisenmetalle (NE-Metalle) ist wirtschaftlich interessant. Daher wurde Ende der achtziger Jahre der Wirbelstromscheider in den Prozess des Autoshredders eingeführt. Er ist heute fester Bestandteil jeder Aufbereitungsanlage weltweit: Da NE-Schrott zehn Mal höher bewertet wird als Stahlschrott, muss dieser im Fokus stehen. Aufgrund des extrem hohen Preisniveaus des Werkstoffs ist heute der Wirbelstromscheider mit exzentrischem Polsystem marktbestimmend. Der Wirbelstromscheider stößt mittels induzierter Wirbelströme die gewünschten NE-Metalle aus dem Materialstrom aus. Das exzentrische System hat sich bei diesen Maschinen aufgrund größter Effizienz und geringster Lebenszykluskosten weltweit durchgesetzt. Dann Der NE-Metallscheider steht für die Elektronikschrottaufbereitung im Fokus. Zusammenfassung Für das recyclinggerechte Konstruieren benötigt die Aufbereitungstechnik: leicht zu lösende Werkstoffverbunde (Klemmen, Nieten, Schrauben sind dem Kleben und Schweißen vorzuziehen), Vereinheitlichung der Werkstoffgruppen, Einbeziehung von Sortierkriterien in die Werkstoffauswahl. Damit bestimmt die Aufbereitungstechnik in weiten Bereichen die Konstruktion. Die Zusammenarbeit zwischen Konstrukteur und Aufbereiter ist wichtig, insbesondere, um neue Aufbereitungsverfahren verfügbar zu machen. Dann können zukünftig noch mehr wertvolle Rohstoffe der Wirtschaft erneut zur Verfügung stehen. kamen so genannte nasse Schwimmsink- Sortier-Schritte hinzu, um das leichte Aluminium vom schweren Kupfer zu trennen oder Gummi und Kunststoff auszusortieren. Vor fünf Jahren wurden Induktionssortiersysteme eingeführt, die mittels induktiver Sensoren auch Edelstähle mechanisiert aus dem Förderstrom gewinnen. Die Handsortierung ist dennoch in diesem Bereich immer noch sehr weit verbreitet. Nicht umsonst haben China und Indien immer noch eine wichtige Rolle im Metallrecycling. Dennoch kommen weitere Innovationen wie das Röntgensortiersystem auf den Markt, um die Sortiertiefe zu erhöhen und die Handsortierung zurückzudrängen. Vor dem Hintergrund des recyclinggerechten Konstruierens haben sich die Hersteller insbesondere beim Automobilbau in den vergangenen Jahren vielfältig engagiert, was zu einer Eingrenzung der verwendeten Werkstoffe geführt hat. Eine Werkstoffgruppe, zum Beispiel Polypropylen, tritt allerdings sicherlich in 100 verschiedenen Varianten innerhalb eines Autos auf. Auf alle Altautos bezogen können wohl unterschiedliche Polypropylen-Typen gefunden werden. Die Zusammenarbeit zwischen Konstrukteur und Aufbereiter ist entscheidend, um neue Aufbereitungsverfahren verfügbar zu machen. Zukünftig müssen weit mehr wertvolle Rohstoffe den Kreisläufen wieder zur Verfügung gestellt werden. Dann ist recyclinggerechtes Konstruieren nicht nur die umweltfreundlichere, sondern auch die wirtschaftlichere Lösung. Intelligenter Produzieren 2007/5 7

8 Für umweltfreundlichere Herstellung gesorgt Europäische Richtlinien regeln Umgang mit Elektronikschrott Computer, Handys, Fernseher: Elektround Elektronikgeräte sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Da die Lebensdauer dieser Produkte jedoch begrenzt ist, fallen allein in Deutschland jährlich etwa zwei Millionen Tonnen Elektronikschrott an. Von Henry Seddon In der EU wird der Umgang mit Elektronikschrott durch die Richtlinien WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) und RoHS (Restriction of Use of Hazardous Substances) geregelt. Beide Richtlinien sind darauf ausgelegt, die korrekte Entsorgung elektronischer Geräte und die Beseitigung bestimmter Materialien aus den Produktionsprozessen zu gewährleisten, und zwar über die Produktverantwortung der Hersteller. Die Richtlinien sind wichtig, um Umweltschäden zu verringern und zu kontrollieren. Sie haben zur Folge, dass Hersteller elektrischer und elektronischer Geräte in Zukunft bei der Entwicklung ihrer Produkte den gesamten Lebenszyklus im Fokus haben müssen. Unternehmen sparen Zeit und Kosten Viele Produktionsunternehmen sind besorgt, dass die Umstellung auf die WEEE- Richtlinien hohe Kosten mit sich bringen wird. Sie zögern daher noch, ihre Fertigungsprozesse den Richtlinien anzupassen obwohl RoHS schon in Kraft getreten ist und WEEE zum Jahresende rechtskräftig sein wird. Betrachtet man die Richtlinienkonformität langfristig, kann sie zu Kosteneinsparungen im Unternehmen führen: Die Richtlinien machen Produzenten und Importeure für die Deckung der Kosten für Sammlung, Behandlung und Verwertung von Elektround Elektronik-Altgeräten haftbar. Wenn jedoch bereits bei der Produktentwicklung an diese Bedingungen gedacht wird, besteht die Chance, diese Kosten zu drücken. Jenen Unternehmen, die die Richtlinien ignorieren und Hersteller elektrischer und elektronischer Geräte müssen in Zukunft die korrekte Entsorgung ihrer Produkte gewährleisten. Foto: Siemens Kontakt: Henry Seddon VP EMEA Marketing Siemens PLM Software Tel.: / sie nicht umsetzen, drohen hohe Bußgelder. Neben Kostengesichtspunkten kann die Richtlinienkonformität sogar zu verbesserten Produktionsleistungen führen. So ist jedes Fertigungsunternehmen dazu angehalten, seine Produkte ganzheitlich zu prüfen heruntergebrochen vom Produktdesign über die Konstruktion bis hin zur Analyse ihres kompletten Lebenszyklus. Gleichzeitig ermöglicht diese Prüfung den Unternehmen, modulare Fertigungslinien zu errichten und eine vereinfachte Wiederverwendbarkeit von Komponenten zu ermöglichen. Damit können sie ihre Produktivität verbessern und schneller auf dem Markt sein. 8 Intelligenter Produzieren 2007/5

9 Für umweltfreundlichere Herstellung gesorgt Aus UGS wird Siemens PLM Software Nach der Übernahme des PLM-Experten UGS durch Siemens A&D lautet der Name des Anbieters von Software für das Product- Lifecycle-Management (PLM) jetzt Siemens PLM Software. Die korrekte Umsetzung der EU-Richtlinien entscheidet darüber, ob die Produkte auf den Markt kommen dürfen. Sogar der Hersteller als Unternehmen kann davon betroffen sein. Foto: Fotolia Bei der Einführung der Regulierungen fallen zwar Kosten an, aber mittelfristig entstehen effizientere Fertigungsprozesse. Außerdem lernt das Unternehmen, in Produktlebenszyklus-Abschnitten zu denken. Dies ist ein wichtiger Geschäftsansatz, der für jedes Unternehmen vorteilhaft ist, wenn er richtig in die Prozesse eingebunden ist. Henry Seddon die Umstellung auf die neuen Richtlinien die Verantwortung übernehmen. Die weiteren Schritte des Leitfadens reichen von der Koordination der Lieferkette, gesetzeskonformer Konstruktion und Ausrichtung am Lebenszyklus bis hin zur Planung des End-of-Life. Selbst wenn die Umsetzung der Gesetzesvorschriften vorbereitet wird und dabei Fehler gemacht werden, drohen Konsequenzen, deren sich nur wenige Unternehmen bewusst sind. Die korrekte Umsetzung der Richtlinien entscheidet darüber, ob Produkte vom Markt genommen werden. Im schlimmsten Fall kann es das ganze Unternehmen treffen denn WEEE und RoHS enthalten letztlich das Marktverbot, wenn die Vorgaben nicht eingehalten werden. Das Problem verschärft sich durch die RoHS-Richtlinien, die noch in einer großen Anzahl von Unternehmen umgesetzt werden müssen. Die RoHS-Vorschriften regeln die Beseitigung giftiger Materialien wie Blei, Quecksilber und Cadmium aus der Produktion, um die sichere und umweltfreundliche Entsorgung durch die Verbraucher zu ermöglichen, sobald die WEEE-Regelung in Kraft tritt. Hilfe bietet ein Fünf-Punkte-Plan Sowohl unternehmensintern als auch auf der Lieferanten- und Kundenseite sind eine ganze Reihe von Maßnahmen zu ergreifen. Ein Leitfaden hilft den Fertigungsunternehmen in ganz Europa, die Praktiken der WEEE-Richtlinien im Produktlebenszyklus- Management zentral zu integrieren. Der Leitfaden stellt in fünf Schritten die wichtigsten Punkte heraus, wie Hersteller ihre Prozesse so modifizieren können, dass sie ihren Weg zur Einhaltung der WEEE-Regeln verkürzen. Gleichzeitig stellen die Unternehmen sicher, dass ihre Prozesse für zukünftige Änderungen effizienter werden. Im ersten Schritt des Fünf-Punkte-Plans werden Informationen verschiedener Geschäftseinheiten erfasst, um die möglichen Einwirkungen der Richtlinien zunächst aus strategischer Sicht zu verstehen. Sobald ein umfassendes Bild über den Einsatz von WEEE und RoHS entlang der Geschäftsprozesse vorliegt, gilt es, eine Gruppe von Mitarbeitern zu bestimmen, die für Leitfaden Siemens PLM Software, ein Geschäftsgebiet von Siemens Automation and Drives und Anbieter von Software für das Product- Lifecycle-Management (PLM), hat einen Leitfaden veröffentlicht, der Fertigungsunternehmen in ganz Europa helfen soll, die Praktiken der WEEE-Richtlinien im Produktlebenszyklus-Management zentral zu integrieren. Der Fünf-Punkte-Plan von Siemens PLM Software zum Download: presse/07/2107.shtml siehe Fünf-Punkte-Plan PLM-Technologie bringt Vorteile Unternehmen, die bereits PLM-Technologie in ihren Produktionsprozessen anwenden, sind klar im Vorteil: Sind die Richtlinien zentral in den Prozess rund um den Produktlebenszyklus integriert, werden auch die verschiedenen Aspekte der Bestimmungen schneller und leichter verständlich. Viele Hersteller wenden bereits PLM- Software an, um Fertigungslinien zu rationalisieren, die Produktivität zu verbessern und Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Diese Firmen werden sich auf die neuen Richtlinien viel schneller umstellen können als Unternehmen, die PLM nicht einsetzen. Bei der Einführung der Regulierungen fallen zwar erst einmal Kosten an, aber mittelfristig entstehen effizientere Fertigungsprozesse. Außerdem lernt das Unternehmen, in Produktlebenszyklus-Abschnitten zu denken. Dies ist ein wichtiger Geschäftsansatz, der für jedes Unternehmen vorteilhaft ist, wenn er richtig in die Prozesse eingebunden ist. Unternehmen sollten in der Umstellung der Fertigungsprozesse auf die RoHS- und WEEE- Standards wie die Vermeidung schädlicher Chemikalien die Chance zur dynamischen und strategischen Entwicklung sehen. Intelligenter Produzieren 2007/5 9

10 Verbesserung der Schmiermittelpflege Magnetisches Trennverfahren ohne Filterstoffe Von Tilo Reichardt Der Einsatz eines innovativen Verfahrens zur Abtrennung des Fein- und Feinstkornanteils aus Schmiermittel- Kreisläufen führt zu einer beispielhaften Verbesserung der Ressourceneffizienz beim Einsatz von Ölen als Schmiermittel. Durch die erfolgreiche Einführung der neuen Technologie ohne Verwendung von Filterhilfsstoffen in die Schmiermittelkreisläufe von Kaltwalzwerken können Rohstoffe deutlich eingespart werden. Dadurch werden Umweltprobleme nachhaltig vermieden. Im Projekt Neuartige filterhilfsstofffreie Schmiermittelpflege zur Verbesserung der Nachhaltigkeit in der stahl- und metallverarbeitenden Industrie wird ein magnetisches Trennverfahren zur Schmiermittelpflege ohne den bei konventionellen Pflegeverfahren notwendigen Einsatz von Filterhilfsstoffen entwickelt. Eine Übertragung der Ergebnisse und Technik auf weitere Schmiermittel-Kreisläufe verschiedener Branchen ist bei dem Forschungsprojekt vorgesehen. In den ölbasierten Schmiermittel-Kreisläufen von stahl- und metallverarbeitenden Betrieben kommt es beim Fertigungsprozess zu einer unvermeidbaren Anreicherung fein- und feinstkörniger metallischer und nichtmetallischer Partikel. Durch den Einsatz eines neuartigen Pflegeverfahrens soll der Einsatz von Filterhilfsstoffen bei einer gleichzeitigen Verringerung des hohen Öl-Austrags erreicht werden. Daraus resultieren eine Senkung der Betriebskosten durch geringere Aufwendungen für den Filterhilfsstoffeinsatz, eine Verringerung der Entsorgungskosten und eine verbesserte Verwertbarkeit der abgetrennten Partikel. Dies steigert die Wettbewerbsfähigkeit der Betriebe. Weiterhin wird die Umwelt durch die Verbesserung der Schmiermittelkreisläufe und durch die mögliche Verwertung der Reststoffe entlastet. Kontinuierliche Probennahme am Ölkreislauf: Zur Erfassung der vorliegenden Verunreinigungen in den Schmiermittelkreisläufen der Walzgerüste werden intensive Sammelproben entnommen. Foto: CDW Kontakt: Betriebsforschungsinstitut VDEh-Institut für Angewandte Forschung GmbH Tilo Reichardt (Projektkoordinator) Düsseldorf Tel.: / tilo.reichardt@bfi.de Weitere Ansprechpartner: Burkhard Schmidt, Housein Deli (Betriebsforschungsinstitut VDEh-Institut für Angewandte Forschung GmbH), Stefan Eickenberg (Cymatec GmbH), Werner Kaiser (C.D. Wälzholz Brockaus GmbH), Guido Burgel (ThyssenKrupp Nirosta GmbH) Technologie Zentrales Element des innovativen Verfahrens ist die Zyklon-Starkfeldmagnetabscheidung, die auch ohne den Einsatz von Filterhilfsstoffen eine extrem hohe Separationswirkung magnetischer Partikel größer als ein Mikrometer erzielt. Mit Hilfe neuartiger magnetischer Werkstoffe ist eine Abscheidung auch schwach magnetischer und feinster magnetischer Partikel wirtschaftlich möglich. Der Einsatz von kostenintensiven Elektromagneten zur Erreichung der erforderlichen hohen Feldstärken ist dann nicht erforderlich. In Technikumsversuchen werden optimale Abscheidungsbedingungen in höher viskosen Medien bestimmt. Die magnetischen Partikel werden im Magnetfeld zurückgehalten und 10 Intelligenter Produzieren 2007/5

11 Verbesserung der Schmiermittelpflege diskontinuierlich ausgetragen. Durch die weitere Verminderung des Schmiermittelanteils in den abgeschiedenen magnetischen Feststoffen bei der Nachbehandlung kann der Austrag von Schmiermittel aus den Kreisläufen gegenüber konventionellen Pflegemaßnahmen deutlich gesenkt werden. Forschungsarbeiten Der Einsatz des innovativen Verfahrens zur Abtrennung des Fein- und Feinstkornanteils aus Schmiermittelkreisläufen führt zu einer beispielhaften Verbesserung der Ressourceneffizienz beim Einsatz von Ölen in Schmiermittelkreisläufen. Im laufenden Vorhaben soll die bei der C.D. Wälzholz-Brockhaus (CDW) GmbH, Hagen, und ThyssenKrupp Nirosta (TKN) GmbH, Düsseldorf, eingesetzte Anschwemmfiltration zur Reinigung der Schmiermittel substituiert werden. Zur Erfassung der vorliegenden Verunreinigungen in den Schmiermittelkreisläufen der Walzgerüste bei TKN und CDW werden intensive Sammelbeprobungen durchgeführt. Parallel werden beim Betriebsforschungsinstitut VDEh-Institut für Angewandte Forschung GmbH, Düsseldorf, Technikumsversuche zum Strömungs- und Abscheideverhalten der Partikel in Ölen untersucht. Die anschließende Korrelierung der vorliegenden Verunreinigungen mit dem Produktionsprogramm erlaubt eine Abschätzung der Kapazität und der Anforderungen an die zu installierende Starkfeld-Magnetabscheidung. In betrieblichen Versuchen wird das angepasste Verfahren untersucht. Vorbereitungen an den Schmiermittelkreisläufen der Betriebe werden zurzeit durchgeführt. Durch die Aufbereitung der Öle ohne die Zugabe von Fremdstoffen wird die unbelastete Weiterverwendung der Öle möglich. Durch Verfahren zur Rückgewinnung der Öle aus den abgeschiedenen Feststoffen kann eine weitere Entlastung der Umwelt realisiert werden. Die bislang verbleibenden Reststoffe der eingesetzten Anschwemmfiltration weisen trotz Nachbehandlung Restölgehalte von mehr 40 Prozent auf. Schmiermittelpflege ohne Filterhilfsstoffe Das Forschungsprojekt Neuartige filterhilfsstofffreie Schmiermittelpflege zur Verbesserung der Nachhaltigkeit in der stahl- und metallverarbeitenden Industrie wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme Innovationen als Schlüssel für Nachhaltigkeit in der Wirtschaft gefördert und vom Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (PT-DLR) betreut. Intelligenter Produzieren 2007/5

12 Druckfarbe muss sich leichter entfernen lassen Deinking optimiert Recycling von Papier Von Elisabeth Hanecker und Hans-Joachim Putz Altpapier ist in Deutschland die mit Abstand wichtigste Faserrohstoffkomponente für die Papierherstellung geworden, gefolgt von Zellstoff und Holzstoff. Zur Produktion von 22,6 Millionen Tonnen Papier in 2006 wurden in Deutschland 15,2 Millionen Tonnen Altpapier eingesetzt, davon 40 Prozent als grafische Altpapiersorten. Grafisches Altpapier wird überwiegend einem Deinkingprozess unterzogen und zur Herstellung von Druck- und Schreibpapieren sowie Hygienepapieren genutzt. Für die Wiederverwendung ist es erforderlich, dass der aufbereitete Altpapierstoff bestimmten optischen Eigenschaften genügt, die für die weißen Papiersorten besonders wichtig sind. Das Deinking ist ein Schritt innerhalb der Altpapieraufbereitung, der auf die vollständige Druckfarbenentfernung zielt. Die Effektivität wird von den Prozessschritten beim Ablösen der Druckfarben von den Fasern und dem Abtrennen der Druckfarbenpartikel durch Flotation beeinflusst. Die Ablösung erfolgt während der Suspendierung des Altpapiers. Die Ablösung der Druckfarbe ist von ihrer Zusammensetzung, der Trocknung und der Beschaffenheit des Papiers abhängig. Das Prinzip der Flotation beruht auf der selektiven Abtrennung von Druckfarbenpartikeln der Größenklasse 20 bis 100 Mikrometer mittels fein verteilter Luftblasen vom Faserstoff. Das Verfahren basiert darauf, dass Druckfarbenpartikel, Cellulosefasern, Feinstoff und mineralische Füllstoffe Unterschiede in der Oberflächenenergie aufweisen, und somit verschieden starke Affinitäten zwischen hydrophoben und hydrophilen Partikeln zu den hydrophoben Luftblasen im Wasser vorhanden sind. Von Natur aus hydrophobe oder hydrophobierte Partikel lagern sich an die Luftblasen an. Die gebildeten Aggregate weisen eine niedrigere spezifische Dichte als das umgebende Wasser auf und werden deshalb an die Oberfläche der Suspension befördert und abgetrennt. Die nicht hydrophobierten Partikel bleiben fein verteilt zurück. PMV, PTS Deinkbarkeitsprüfung Konstante Bedingungen Über die Zusammenarbeit in einem Wissensnetzwerk wird die Gestaltung recyclinggerechter Druckerzeugnisse angestrebt. Bild: PTS Kontakt: Projektkoordinator Dr.-Ing. Hans-Joachim Putz Fachgebiet Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik (PMV) TU Darmstadt Tel.: / putz@papier.tu-darmstadt.de Dr. Elisabeth Hanecker Papiertechnische Stiftung München Tel.: 0 89/ e.hanecker@ptspaper.de INGEDE Papierherstellung Zusammensetzung, Oberflächeneigenschaften, Flint Group, Siegwerk Druckfarbenherstellung Druckfarbenzusammensetzung Ständiger Austausch der Ergebnisse zur optimalen Gestaltung der Deinkbarkeit von Druckerzeugnissen bvdm, Fogra, IDD, SID Drucken Druck, Raster, Feuchtwasser, Legende: Projektpartner Prozessstufe Variable Steigender Altpapiereinsatz, zunehmende Bedeutung von grafischen Altpapiersorten bei der Papierherstellung, schwieriger zu deinkende Altpapiermischungen und steigende Qualitätsanforderungen an den Altpapierstoff stellen zunehmend eine Herausforderung an die Deinkingtechnologie dar. Hinzu kommt ein mittlerweile sehr stark geschlossener Recyclingkreislauf. Insgesamt sind die komplexen Zusammenhänge, wodurch eine gute Deinkbarkeit bei einem speziellen Druckerzeugnis beeinflusst werden kann, unzureichend erforscht. Daher sind immer wieder Druckerzeugnisse am Markt zu finden, deren Deinkbarkeit nicht zufriedenstellend ist. Die quantitative Zunahme schlecht deinkbarer konventioneller Druckerzeugnisse, neuartige Druckprozesse beziehungsweise Veränderungen von Komponenten bei der Herstellung von Druckerzeugnissen, die in der wichtigsten 12 Intelligenter Produzieren 2007/5

13 Druckfarbe muss sich leichter entfernen lassen Besseres Papierrecycling durch optimierte Grundlagen für den Druck Das Verbundvorhaben Verbesserung der Deinkbarkeit von Druckerzeugnissen durch Industriezweig übergreifende Strategien für ein nachhaltiges Altpapier- Recycling wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme Innovationen als Schlüssel für Nachhaltigkeit in der Wirtschaft über den Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt gefördert. Durch die Zusammenarbeit der Projektpartner PMV (Fachgebiet Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik) der TU Darmstadt (Koordination), bvdm (Bundesverband Druck und Medien), Wiesbaden, Flint Group Deutschland, Stuttgart, Fogra (Forschungsgemeinschaft Druck), München, IDD (Fachgebiet Druckmaschinen und Druckverfahren), Darmstadt, INGEDE (Internationale Forschungsgemeinschaft Deinking-Technik), Bietigheim-Bissingen, PTS (Papiertechnische Stiftung), München, SID (Sächsisches Institut für die Druckindustrie), Leipzig, und Siegwerk Druckfarben, Siegburg, soll ein Wissensnetzwerk zur Optimierung der Deinkbarkeit von Druckerzeugnissen aufgebaut werden. Über systematische Analysen soll der Druckprozess optimiert werden, dass Druckerzeugnisse mit besserer Deinkbarkeit produziert werden können. Eine einheitliche Druckform ermöglicht, die Druckmaschine richtig einzustellen und durch Wahl einzelner Farbfelder die Deinkbarkeit von Farben zu bewerten. Foto: SID aller grafischen Altpapiersorten, der Deinkingware, zu Änderungen der Zusammensetzung führen würden, können eine Gefährdung dieses Altpapiereinsatzes zur Folge haben. Das Verbundvorhaben Verbesserung der Deinkbarkeit von Druckerzeugnissen will das Altpapierrecycling durch ein optimiertes Deinkingverhalten von Offset- Druckerzeugnissen erreichen. Dadurch wird grundsätzlich eine Steigerung des Altpapiereinsatzes bei der Papierherstellung möglich. Es wird vermieden, dass durch unzureichende Deinkingergebnisse die Verwertung grafischen Altpapiers zukünftig in Frage gestellt wird. Aus den Ergebnissen wird ein Maßnahmenkatalog erstellt, der es Verlegern und Druckern erlaubt, Änderungen in den Herstellungsprozess einfließen zu lassen, um das Recycling von Druckerzeugnissen zu verbessern. Die systematischen Versuche erfolgen im Pilotmaßstab auf Bogendruckmaschinen und werden auf den industriellen Offset- Rollendruck für Coldset-Zeitungen auf Zeitungsdruckpapier und Heatset-Illustrierten auf gestrichenen und ungestrichenen Magazinpapieren übertragen. Dazu hat man sich auf eine einheitliche Druckform, ein gemeinsames Vorgehen für die Bewertung der Deinkbarkeit und eine Auswahl an Druckfarben und Papieren geeinigt. In den ersten Versuchsserien ist aufgezeigt worden, dass die Ergebnisse der Deinkbarkeit an Druckmustern, die an den Versuchsmaschinen bedruckt wurden, mit den Ergebnissen der industriellen Druckversuche übereinstimmen. Die Deinkingversuche wurden an Druckmustern durchgeführt, die per Rollenoffset sowohl im Coldset- als auch Heatsetdruck bedruckt waren. Im Coldsetdruck wurden ungestrichene Papiere eingesetzt, im Heatsetdruck überwiegend gestrichene Papiere. Variiert wurden die Papiere und die Druckbedingungen, wie Anpressdruck und Farbbelegung. Die vorliegenden Ergebnisse lassen im Heatsetdruck den Schluss zu, dass bei Druckmustern auf gestrichenen Papieren die Druckgeschwindigkeit und die Druckbedingungen hinsichtlich Anpressdruck und Farbschichtdicke sich nicht auf das Deinkingergebnis auswirken. Hinsichtlich des Einflusses von Papier und Druckfarbe zeigte sich, dass der Hellbezugswert des von Druckfarben befreiten Stoffs abhängig vom Ausgangsweißgrad des Papiers ist. Bei Einsatz des gleichen Papiers wurden nur geringe Unterschiede bei Variation der Druckfarben erzielt. Bei den Coldsetdrucken auf ungestrichenen Papieren liegt die Deinkbarkeit der Drucke auf vier der fünf getesteten Papiere auf ähnlichem Niveau. Das fünfte zeigt eine schlechtere Deinkbarkeit als die übrigen. Auffallend dabei ist eine deutlich andere Zusammensetzung des Papiers. Die optische Dichte der Druckfelder hat einen wesentlichen Einfluss auf das Deinkingergebnis. Der Effekt der bisher untersuchten Druckfarbensysteme war dagegen eher gering. Intelligenter Produzieren 2007/5 13

14 Mit weniger mehr erreichen Antriebstechnik erhöht den Wirkungsgrad bei Komponenten und System Erst eine Mischung aus innovativen Technologien, intelligenter Steuerung und aufgabengerechtem Einsatz senkt den Verbrauch von Energie und Ressourcen spürbar. Moderne Antriebstechnik erhöht die Effizienz und schont die Umwelt. Von Karl Tragl Kunden der Hersteller von Antriebstechnik erwarten einen niedrigen Verbrauch und damit geringe Betriebskosten. Fotos: Bosch Rexroth Kontakt: Susanne Herzlieb Bosch Rexroth AG Tel.: / susanne.herzlieb@ boschrexroth.de Die EU-Richtlinie Energy using Products (EuP) soll bis Ende dieses Jahres in nationales Recht umgesetzt sein. Sie ist Teil eines Maßnahmenbündels, das die Umweltbelastung in der Herstellung, dem Betrieb und der Entsorgung von Produkten reduzieren soll. Wie die europäischen Richtlinien Waste Electric and Electronic Equipment (WEEE) und Restriction of Hazardous Substances (RoHS) sollen die Aspekte Effizienz und Umweltverträglichkeit schon in der Produktplanung berücksichtigt werden. Gütesiegel und Verbrauchsklassen sollen Kunden auch im internationalen Handel helfen, vorbildliche Produkte zu erkennen. Grenzwerte sollen den Verkauf schädlicher Erzeugnisse verhindern. Die EuP-Richtlinie ist für Hersteller und Anwender wichtig. Die Erhöhung des Wirkungsgrads elektrischer Produkte ist eine der wichtigen Zukunftsaufgaben. Nicht nur, weil geringerer Verbrauch zu geringen Emissionen führt. Höhere Energieeffizienz senkt auch die Betriebskosten. Das ist die neue Herausforderung. Über den Lebenszyklus gerechnet erzeugt der Betrieb mehr als 90 Prozent der Gesamtkosten. Der Rest entfällt auf Anschaffung und Wartung. Investitionen rentieren sich deshalb in kurzer Zeit. Das Ziel ist es, den Wirkungsgrad aller Komponenten und vor allem des Gesamtsystems zu erhöhen. Ein Energiesparmotor alleine bewirkt leider wenig. Ein intelligentes Gesamtkonzept führt in der Regel auch mit einem Motor schlechterer Wirkungsgradklasse zu einer höheren Einsparung. Intelligente Antriebsregelung beeinflusst entscheidend den tatsächlichen Energieverbrauch. In vielen Anwendungen arbeiten Antriebe nicht lastabhängig und verbrauchen deshalb unnötig viel Strom. Eine individuelle Regelung jedes Motors erhöht die Gesamteffizienz, steigert jedoch gleichzeitig den Aufwand für die Regelungstechnik. Effizienz auf allen Ebenen Der durchgängige Einsatz energieeffizienter Antriebsregler bietet das größte Potenzial zur Verbrauchsreduzierung. Derzeit ist eine Vielzahl ungeregelt am Netz betriebener Normmotoren im Einsatz. Sie dienen zum Beispiel als Lüfter- oder Pumpenantriebe. Durch den Einsatz von vorgeschalteten Frequenzumrichtern lässt sich viel Energie ein- 14 Intelligenter Produzieren 2007/5

15 Mit weniger mehr erreichen sparen. Auch in Automationslösungen, die bereits mit geregelten Antrieben ausgerüstet sind, erschließt die moderne Antriebstechnik erhebliche Sparpotenziale. Zwei Aspekte tragen wesentlich zur Energieeffizienz bei. Zum einen können rückspeisefähige Versorgungsgeräte im Bremsbetrieb die generatorische Leistung der angeschlossenen Motoren zurückgewinnen und ins Netz einspeisen. Zum anderen ermöglicht ein konsequent modulares Design den Antriebsreglern, über einen gemeinsamen Zwischenkreis lastabhängig untereinander Energie auszutauschen. Damit werden Überschüsse nicht in Verlustwärme umgesetzt, sondern dort weiter genutzt, wo sie benötigt werden. Die Erhöhung des Wirkungsgrads elektrischer Produkte ist eine der wichtigen Zukunftsaufgaben. Nicht nur, weil geringerer Verbrauch zu geringen Emissionen führt. Höhere Energieeffizienz senkt auch die Betriebskosten. Karl Tragl Ergänzt werden energieeffiziente Antriebe durch Synchrontechnik mit einem breiten Leistungsspektrum. Im Vergleich zum herkömmlichen Asynchron-Normmotor bieten sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad und einen höheren Wirkleistungsfaktor, was wiederum eine effizientere Umrichternutzung ermöglicht. Mit einem Servoantrieb spart der Anwender Verkabelungsaufwand, Bauund Schaltschrankvolumen. Eine weitergehende Innovation stellt die Kombination eines modularen Antriebs mit einem Synchronmotor zu einem äußerst kompakten, dezentralen Servoantrieb dar. Bis zu 20 Einheiten lassen sich in einem einzigen Kabelstrang miteinander verketten. Damit spart man im Vergleich zu konventionellen Antriebslösungen bis zu 85 Prozent Verkabelungsaufwand, 50 Prozent Bauvolumen und bis zu 70 Prozent Schaltschrankvolumen ein. Das bedeutet eine enorme Einsparung von Ressourcen und damit auch Energie in der Herstellung des Antriebs und der Zusatzkomponenten. Durch die drastisch verkürzten Kabellängen reduziert sich zudem die Verlustleistung im Betrieb. Ein geringer Verbrauch und damit geringe Betriebskosten führen fast zwangsläufig zur Suche nach einem hohen Wirkungsgrad, der sich durch die intelligente Kombination neuer und erprobter Technologien weiter steigern lässt. Bosch Rexroth bietet Systemlösung mit Antriebsfamilie IndraDrive Die Bosch Rexroth AG, Lohr, bietet mit der Antriebsfamilie IndraDrive eine umfassende Systemlösung, die das gesamte Spektrum vom einfachen Frequenzumrichter bis zum hochfunktionalen Servoantrieb abdeckt. Für die kommenden Jahre plant Rexroth die Leistungsbereichserweiterung der IndraDrive-Familie sowohl in den Kleinleistungsbereich bis 100 Watt als auch in den Großleistungsbereich bis hin zu mehreren hundert Kilowatt. Intelligente Antriebsregelung beeinflusst entscheidend den tatsächlichen Energieverbrauch. Bosch Rexroth ist einer der weltweit führenden Spezialisten von Antriebs- und Steuerungstechnologien. Für über Kunden entstehen unter der Marke Rexroth maßgeschneiderte Lösungen zum Antreiben, Steuern und Bewegen von Maschinen und Anlagen, die in der Industrie- und Fabrikautomation sowie in mobilen Anwendungen zum Einsatz kommen. Als The Drive & Control Company entwickelt, produziert und vertreibt Bosch Rexroth seine Komponenten und Systeme in über 80 Ländern. Das Unternehmen der Bosch-Gruppe erzielte 2006 mit über Mitarbeitern einen Umsatz von rund 4,9 Milliarden Euro. Intelligenter Produzieren 2007/5 15

16 Umwelttechnik trifft Mikrotechnik Strukturierte Siebe werden zum Kern neuer Filter Von Ilka Gehrke Mikrosiebe besitzen das Potenzial, den innovativen Kern einer neuen Generation von Filtrationssystemen zu bilden. Damit wird eine integrative Kreislaufführung industrieller Prozesse unterstützt. Umwelt und Ressourcen werden deutlich geschont. Wasser ist knapp, und trotzdem wächst der globale Verbrauch von Wasser derzeit doppelt so schnell wie die Weltbevölkerung. Vor diesem Hintergrund sind neben theoretischen Konzepten vor allem praktische, technische Innovationen zur Wassereinsparung dringend erforderlich. Solche Innovationen können sowohl die Wasservermeidung als auch die Wasserbehandlung und -wiedernutzung zum Ziel haben. Die Filtertechnik ist ein klassisches Instrument der Umwelttechnik, um Prozesswässer aufzubereiten und einer erneuten Verwendung zuzuführen. Ihr Marktanteil an den Verfahren zur Prozesswasserbehandlung beträgt gegenwärtig bereits 44 Prozent und besitzt eine steigende Tendenz, wie eine Studie der Unternehmensberatung Frost & Sullivan 2005 ergab. Zunehmende Wasser- und Abwasserkosten zwingen vor allem wasserintensive Industriezweige, Wassersparmaßnahmen in Unternehmen durchzuführen. Oftmals scheitern jedoch die Bemühungen, Trennverfahren zur Reduzierung des Wasserverbrauchs in den Betriebsablauf zu integrieren, an strengen Vorgaben zur Produktqualität oder Wasserreinheit. Solchen anspruchsvollen Spezifikationen können die Technologien der traditionellen Filtertechnik häufig nicht oder nur mangelhaft genügen. Herkömmliche Filtermaterialien besitzen eine schwammartige Struktur mit breiter Porengrößenverteilung, geringer Trennschärfe und einem Hang zur Verstopfung. Mittels der üblichen Herstellmethoden sind diese negativen Filtereigenschaften nicht gänzlich zu beseitigen, so dass ein völlig neuer technischer Ansatz zur Fertigung von Filtern gesucht und schließlich in den neuartigen Herstellverfahren der Mikrostrukturtechnik auch gefunden wurde. Zur systematischen Qualitätskontrolle des Mikrosiebs wird die zerstörungsfreie dreidimensionale Konfokalmikroskopie eingesetzt. Fotos: Fraunhofer UMSICHT Kontakt: Ilka Gehrke Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut UMSICHT Tel.: / ilka.gehrke@ umsicht.fraunhofer.de Begriffe wie superhydrophobe Oberflächen (Lotuseffekt) und künstliche Haifischhaut lenken den Blick vieler Forscher auf die faszinierenden technischen Möglichkeiten der neuen Materialbearbeitungsmethoden aus der Mikrotechnik, die mit winzigen Schablonen und hochpräzisen Werkzeugen wie Laser die gezielte Mikrostrukturierung von Oberflächen ermöglichen. Derart inspiriert, wurden die ersten mikrotechnisch erzeugten Filter nach einem Lithographieverfahren in Siliziumnitrid hergestellt (Wafer). Mittlerweile gelingt es, solche Wafer, die Millionen gleich großer, gleichmäßig angeordneter Löcher mit Durchmessern kleiner als ein Mikrometer besitzen, in Größe einer CD zu erzeugen. Dieser neuartige Filtertyp, der im Gegensatz zu herkömmlichen Filtern durch seine geometrische Ordnung besticht, hat mit extrem hoher Leistung und Trennschärfe unter der Bezeichnung Mikrosieb Aufsehen in der Fachwelt erregt. 16 Intelligenter Produzieren 2007/5

17 Umwelttechnik trifft Mikrotechnik Was ist ein Mikrosieb? Die Wasserfiltration mit Hilfe von Mikrosieben ist im Technikum bereits erfolgreich eingesetzt worden. Erprobt wird derzeit die Trennung von Schmieröl und Verunreinigungen. Mikrosiebe übernehmen für Trinkwasser eine Schlüsselfunktion Methoden zur Herstellung von keimfreiem Trinkwasser, zur innovativen, umweltschonenden Behandlung von Abwasserströmen sowie zur Herstellung funktioneller, hygienisch einwandfreier Lebensmittel gehören zu zentralen Bereichen einer nachhaltigen technologischen Entwicklung. Auf diesen Gebieten können neuartige Mikrosiebe eine Schlüsselfunktion für die Nachhaltigkeit übernehmen. Das Forschungsprojekt Entwicklung und Anwendung von metallischen Mikrosieben für die Wasser-, Abwasserund Lebensmitteltechnik wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme Innovationen als Schlüssel für Nachhaltigkeit in der Wirtschaft gefördert und vom Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (PT-DLR) betreut. Mikrosiebe sind dünne Folien, Bleche oder Platten aus organischen oder anorganischen Materialien, die sich durch eine definierte reproduzierbare und geordnete Porengeometrie mit oft mehr als fünf Milliarden mikroskaliger Poren pro Quadratmeter auszeichnen. Erste Mikrosiebe wurden bereits mittels Ionenbeschuss und Ätzung von Polymerfolien in den sechziger Jahren hergestellt. Allerdings besaßen diese so genannten Track-Etch-Membranen noch keine geordnete, sondern eine statistische Lochverteilung. In der Membrantechnik bilden Mikrosiebe eine neue Kategorie leistungsstarker Mikrofilter. Obwohl die neuen Mikrosiebe um Größenordnungen höhere Filtratleistungen als herkömmliche, vergleichbare Filter besitzen, sind sie bislang wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig und werden kommerziell nur in Größen von wenigen Quadratzentimetern für analytische Zwecke verwendet. Deshalb entschied sich das Fraunhofer-Institut UM- SICHT für einen eigenen neuen Ansatz zur Entwicklung und Herstellung von Mikrosieben, der sich durch sein Potenzial zur kostengünstigeren Massenfertigung auszeichnet. Um das wohlgeordnete Mikrosieb herzustellen, werden Schablonen benutzt, die deutlich größer als eine CD sein können. Darauf wird Metall hauchdünn abgeschieden. Je nach Schablonen-Struktur lässt sich der Folie ein anderes Lochmuster aufprägen. Die Mikrosiebe, von denen bislang etwa 800 Stück gefertigt wurden, sind chemisch und thermisch sehr stabil und bei geeigneter zusätzlicher Stützschicht auch mechanisch äußerst robust. Sie können direkt als Filterfolie oder nach einer Weiterverarbeitung zum Filtermodul in Filtersysteme eingebaut werden. Dort besteht ihre Aufgabe allgemein in der zuverlässigen Rückhaltung von Partikeln, Keimen oder sonstigen Verschmutzungen, wobei sich diese Komponenten zwangsläufig an dem Filter anreichern und das Mikrosieb verstopfen können. Auf Basis der laboranalytischen und theoretischen Erkenntnisse ist für die Mikrosiebe ein spezielles Filtrationsverfahren entwickelt worden, das es ermöglicht, die Mikrosiebe während des Betriebs von partikulären Ablagerungen zu reinigen. Das Ablösen des Filterkuchens wird durch das Aufbringen periodischer Schwingungen erreicht, die auch zugleich die Sedimentation der Partikel auf dem Mikrosieb behindern und somit erst gar keine kompakten Deckschichten entstehen lassen. Die Mikrosiebfiltration wurde bereits in verschiedenen industriellen, umwelttechnischen Anwendungen aus dem Bereich der Lebensmitteltechnik, Kraftwerkstechnik, Abwassertechnik und Apparatebau erfolgreich im Technikumsmaßstab eingesetzt. Im Folgenden wird beispielhaft die Mikrosiebfiltration von Schleiföl beschrieben, das in zahlreichen metallverarbeitenden Betrieben verwendet wird. Problemstellung bei der Schleifölfiltration ist die möglichst vollständige Abtrennung der Schleifpartikel vom Öl, um das Öl im Kreislauf führen und so die Standzeit verlängern zu können. Bislang werden Schleiföle nach Erreichen einer Grenzkonzentration an metallischem Abrieb kostenaufwendig entsorgt. In Filtrationsexperimenten wurde festgestellt, dass die Filtratleistung trotz Aufkonzentrierung des Schleiföls um 50 Prozent während der Mikrosiebfiltration stabil blieb. Sowohl die Leistungsergebnisse als auch die Qualität des Filtrats erfüllten die vorgegebenen Spezifikationen. Selbst die kleinsten Partikel (ein bis zwei Mikrometer) wurden noch zu 98 Prozent am Mikrosieb zurückgehalten. Eine Schädigung des Mikrosiebs durch die abrasive Wirkung der Metallpartikel wurde nicht festgestellt. Ähnliche, weitverbreitete Anwendungen für Mikrosiebe ergeben sich auch in der Aufbereitung von Brauchwasser in der Lebensmitteltechnik (zum Beispiel aus Spülprozessen) oder zukünftig sogar in der Filtration von Feinstaub. Intelligenter Produzieren 2007/5 17

18 Höhere Wirtschaftlichkeit durch Wassermanagement Komplette Systemlösung für Prozesswässer eines Aluminium-Oberflächenveredlers Von Rob De Luyck und Gerd Krüger Prozessmedien aus der Oberflächenbehandlung von Metallen stellen an die Anlagentechnik eine besondere Herausforderung. Hohe Säure- und Laugekonzentrationen, damit verbunden starke ph-wert-schwankungen, Abwassertemperaturen von 70 bis 96 Grad Celsius fordern gut durchdachte, robuste Systemlösungen. Bei der Planung eines neuen Werks zur Oberflächenveredlung durch Eloxierung von Aluminiumblechen (Coils) müssen bestimmte Verfahrensstufen realisiert werden. Eine Ionenaustauscheranlage zur Regeneration von Schwefelsäure aus dem Produktionsprozess und eine Anlage zur Regeneration von Natronlauge sind erforderlich. Zur Behandlung der Prozessabwässer und zur Aufbereitung ist eine Anlage notwendig, die für Enthärtung und Umkehrosmose sorgt. Für die bereitzustellenden Prozessmedien ist eine Reihe von Aufgaben an die Anlagentechnik definiert worden. Es musste für eine gleich bleibende Qualität des Anodisierungsbades gesorgt werden. Damit verbunden ist die Notwendigkeit, eine gesicherte Qualität der Produktion zu gewährleisten. Der Prozess-Chemikalienverbrauch sollte minimiert werden. Mit einer geeigneten Stoffstromtrennung sollte eine weitestgehende Verwendbarkeit der Abfallstoffe ermöglicht werden. Schließlich war auch eine zuverlässige Behandlung der Abwässer auf Indirekteinleiter-Qualität zu gewährleisten. Regeneration von Säure und Lauge Wichtig für den Produktionsprozess des Eloxierwerks ist eine stabile Qualität des Anodisierungsbades. Für den Anodisierungsprozess muss die Konzentration an Aluminium im Bad in einem optimalen Konzentrationsbereich gehalten werden, um ein gutes Anodisierungsergebnis zu erzielen. Ohne Säure-Regeneration (Acid Purification Unit, APU) steigt während der Standzeit des Anodisierungsbades die Aluminiumkonzentration. Damit steigt auch der Die Regeneration der Schwefelsäure bei der Vormontage erfolgt mit Hilfe einer Ionenaustauscheranlage. Fotos: EnviroCemie Ziele der Eloxieranlage Folgende Aufgaben wurden an EnviroChemie für die zu installierende Anlagentechnik gestellt: 1. gleich bleibende Qualität des Anodisierungsbades und damit verbunden gesicherte Qualität der Produktion 2. Minimierung des Prozess- Chemikalienverbrauchs 3. mit einer geeigneten Stoffstromtrennung eine weitestgehende Verwendbarkeit der Abfallstoffe zu ermöglichen 4. eine zuverlässige Behandlung der Abwässer auf Indirekteinleiter- Qualität Energieverbrauch für das Bad. Deshalb muss in diesem Fall das Säurebad nach einiger Zeit ausgetauscht werden. Um den Prozess wirtschaftlich zu fahren, muss der Aluminiumgehalt des Bades im optimalen Bereich gehalten werden, was mit dem Verfahren der APU sichergestellt wird. Durch die Rückführung der regenerierten Schwefelsäure wird einerseits die Produktion größerer Mengen von Abfallstoff vermieden und andererseits die Nachspeisung von Schwefelsäure vermindert. Dieser Recyclingschritt schont die Ressourcen und spart deutlich Energiekosten. Ein weiterer Baustein im Recyclingkonzept ist die Regeneration von Natronlauge aus dem Produktionsprozess (Caustic Etch Recovery, CER). Um die Oberfläche der Aluminium-Coils veredeln zu können, werden diese nach der Entfettung mit Natronlauge gebeizt. Ohne Laugen-Regeneration muss ein Teil des Badinhaltes ausgeschleust und 18 Intelligenter Produzieren 2007/5

19 Höhere Wirtschaftlichkeit durch Wassermanagement Die Oberflächenveredlung von Aluminiumblechen, so genannten Coils, stellt hohe Anforderungen an die Anlagentechnik. durch frische Lauge ersetzt werden, um die Konzentrationen an gelöstem Aluminium und Lauge im Beizbad annähernd konstant zu halten. Auch die Laugen-Regeneration schont Ressourcen und spart Kosten: Reduzierung der Kosten für Natronlauge Vermeidung von großen Schlammmengen Produktion eines verkaufsfähigen Nebenprodukts. Aufbereitung des Prozesswassers Das aus dem städtischen Netz zur Verfügung stehende Trinkwasser kann im Produktionsprozess nicht direkt verwendet werden. Es muss vor dem Einsatz enthärtet und zum Teil entsalzt werden. Mit einer Ionenaustauscheranlage werden 30 m 3 /h des Rohwassers enthärtet. Eine konstante Versorgung mit Weichwasser ist so gewährleistet. Ein Teilstrom des enthärteten Wassers, etwa 13 m 3 /h, wird mit einer Umkehrosmose-Anlage weiter aufbereitet, um auch teilentsalztes Wasser für die Produktion zur Verfügung zu stellen. Abwasserbehandlung In zehn Bereichen des Veredlungsprozesses fallen unterschiedlich belastete Abwasser-Teilströme an. Sie werden in vier Puffertanks gesammelt, vergleichmäßigt und Kontakt: Gerd Krüger EnviroChemie GmbH Tel.: / gerd.krueger@ envirochemie.com Wirtschaftlichkeit und Ökologie verbinden sich geringfügig abgekühlt. Die gepufferten Abwässer aus je zwei Tanks werden in je einer Charge chemisch-physikalisch behandelt. In diesem Chargen-Reaktor werden die Abwässer aus der Oberflächenbehandlung des Aluminiums gefällt und geflockt. Das Konzept sieht vor, dass es zwei verschiedene Behandlungsprozesse in den Chargenreaktoren gibt. Der erste Prozess eliminiert Aluminium- und Sulfatverbindungen durch Fällung mit Kalkmilch aus dem Abwasser. Der entstehende Schlamm besteht hauptsächlich aus Gips, der gewinnbringend oder kostenneutral beispielsweise in der Zementindustrie verwertet werden kann. Im zweiten Prozess wird hauptsächlich das Schwermetall Nickel entfernt. Der dort entstehende Schlamm ist mit Schwermetallen belastet und muss entsorgt werden. Wirtschaftlichkeit gewährleistet Die Verfahrensschritte zur Regeneration und zum Wassermanagement sichern den wirtschaftlichen Betrieb des Eloxierwerks. Neben der Energieeinsparung wird der Säureverbrauch reduziert und die anfallenden Abfälle werden minimiert. Mit der Abwasserbehandlungsanlage wird das Abwasser auf Indirekteinleiter-Qualität aufbereitet. Aus heutiger Sicht erfüllt die Anlagentechnik alle Erwartungen an die Ausführung und die Leistung, kommentiert Luc Tasiaux, Leiter der Coil GmbH in Bernburg, das Ergebnis. Für Hersteller von Aluminium- oder Stahlerzeugnissen ist es nicht mehr ausreichend, bei der Entwicklung lediglich diejenigen Aspekte zu berücksichtigen, die sich direkt mit der Herstellung verbinden. Vielmehr sind auch die ökologischen Auswirkungen, die nach der Herstellung bei Nutzung und Recycling von Bedeutung sind, bereits bei der Gestaltung von Erzeugnissen einzubeziehen. Der belgische Aluminiumveredler Coil SA mit Sitz in Landen, Belgien, ist Marktführer in Europa für die Oberflächenveredlung durch Eloxierung von Aluminiumblechen (Coils). Die steigende Nachfrage der Kunden veranlasste das Unternehmen, die Produktionskapazitäten zu erweitern. Günstige Investitionsbedingungen führten dazu, dass ein neues Zweigwerk in Bernburg, Sachsen-Anhalt, errichtet wurde. Das neue Fertigungsgebäude ist eines der größten Europas für die Veredlung von Aluminium am Band. Die maximale Produktionskapazität beträgt Tonnen. Mit der Planung des neuen Gesamtwerks war das internationale Ingenieurbüro Industrial Project Services (IPS) aus Eisenhüttenstadt beauftragt. Den Auftrag für die Säureregeneration sowie die Prozesswassertechnik bekam EnviroChemie. Intelligenter Produzieren 2007/5 19

20 Bakterien holen Eisen aus dem Wasser Mikrobiologische Reinigung von Grubenwässern Mit Hilfe mikrobiologischer Prozesse können stark eisenhaltige Abwässer aus dem Braunkohletagebau kostengünstiger für eine weitere Nutzung aufbereitet werden. Von Eberhard Janneck und Franz Glombitza Die Förderung von Braunkohle in offenen Tagebauen ist immer mit einem starken Eingriff in den Wasserhaushalt der umgebenden Region verbunden. Im Lausitzer Revier müssen für die Förderung einer Tonne Rohbraunkohle im Durchschnitt sechs bis acht Kubikmeter Wasser zur Entwässerung der Tagebaue abgepumpt werden. Pro Jahr fallen auf diese Weise knapp 400 Millionen Kubikmeter gehobene Sümpfungswässer aus den Tagebauen an, die zum überwiegenden Anteil aufgrund niedriger ph-werte und hoher Eisenkonzentrationen gereinigt werden müssen. In vielen dieser Wässer liegt das Eisen in gelöster zweiwertiger Form vor. Ein weiteres Problem sind hohe Sulfatgehalte in den Sümpfungswässern, die durch Verwitterung sulfidischer Minerale in den Kippen in den Wasserkreislauf gelangen und die Vorfluter belasten. Dies führt insbesondere dann zu Nutzungskonflikten, wenn Trinkwassereinzugsgebiete betroffen sind. Gegenwärtig werden solche Wässer behandelt, indem durch Zugabe von Kalkhydrat der ph-wert in den alkalischen Bereich angehoben wird und mit einer intensiven Belüftung der notwendige Sauerstoffeintrag für die Oxidation des zweiwertigen Eisens erfolgt. Durch die Hydrolyse des sich bildenden dreiwertigen Eisens erfolgt die Ausfällung von Eisenhydroxid. Die entstehenden Schlämme lassen sich schwer entwässern und besitzen geringe Feststoffgehalte. Diese Schlämme finden nur eine sehr begrenzte Verwendung zum Beispiel bei der Gewässersanierung zur Bindung von Phosphor als Eutrophierungsfaktor (zur Erhöhung des Nährstoffgehalts in Gewässern). Deshalb werden diese Schlämme zum überwiegenden Teil in ausgekohlten Tagebaubereichen verspült oder Die Kosten der Wasserreinigung im Braunkohletagebau können mit Hilfe mikrobiologischer Prozesse verringert werden, wie Pilotversuche zeigen. Die Messsonden im Reaktionsbecken müssen regelmäßig gereinigt werden. Fotos: G.E.O.S. Freiberg Kontakt: Dr. Eberhard Janneck Sachverständiger (Fachbereichsleiter Biotechnologie Verfahrensentwicklung) G.E.O.S. Freiberg Ingenieurgesellschaft mbh Tel.: 03731/ subaquatisch in Tagebaurestseen eingeleitet, wo sie auf Grund ihres ph-puffervermögens zur Verbesserung der ph-verhältnisse beitragen. Eine stoffliche Nutzung dieser Schlämme zur Erzeugung von Wertprodukten war bisher kaum möglich. Die Kosten der Wasserreinigung können reduziert werden, wenn es gelingt, die Eisenverbindungen in definierter Form bereits im sauren ph-bereich mit hohem Reinheitsgrad abzutrennen. Dies ist durch eine mikrobielle Oxidation des zweiwertigen Eisens mit anschließender Ausfällung von Eisenhydroxisulfaten möglich. Diese Verbindungen sind als Rohstoff für die Pigmentproduktion und für die Herstellung keramischer Erzeugnisse geeignet. Ausfällung von Eisenhydroxisulfat Der große Vorteil der mikrobiologischen Eisenabtrennung besteht darin, dass die Eisenoxidation und -ausfällung im sauren 20 Intelligenter Produzieren 2007/5

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