INOCAST Layman Bericht

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1 INOCAST Layman Bericht Faszination Auto und Motorentechnik... Heute werden ungefähr 700 Millionen motorgetriebene Fahrzeuge auf den Strassen unserer Welt gefahren. Jedes dieser Fahrzeuge hat einen Verbrennungsmotor mit einem Motorblock als Herzstück, üblicherweise hergestellt aus Grauguss oder Aluminium. Dieses Zylinderkurbelgehäuse macht im Durchschnitt etwa 3-4% der Gesamtfahrzeugmasse aus. Die Kunden verlangen nach immer mehr Leistung, höheren Sicherheitsstandards und Luxusausstattungen, wodurch die Anforderungen an die Motorentechnik ständig wachsen. Eine einfache Lösung wäre der Bau immer größerer und schwerer Motoren, bevorzugt mit hochbelastbaren Eisengussblöcken. Allerdings bedeutet das höhere Gewicht auch schwerere Fahrzeuge mit höherem Treibstoffverbrauch ganz zu schweigen von höherem Verschleiß z.b. bei Reifen und Bremsen... In Summe also würden weitere Umweltbelastungen folgen. Dies ist sicher nicht im Sinne der Automobilhersteller: Aufgrund der Klimaveränderungen für die auch teilweise die motorgetriebenen Kraftfahrzeuge verantwortlich gemacht werden wird aktuell großer Wert auf die Herstellung umweltfreundlicherer (also auch leichterer) Automobile gelegt. Die Automobilhersteller stellen sich der Herausforderung immer höhere Kundenansprüche bei gleichzeitig gesteigerter Effizienz hinsichtlich Verbrauch und Emissionen zu erfüllen. Ein kleiner Teil der Lösung ist sicherlich die Verwendung von Aluminium anstelle von Grauguss als Werkstoff für den Motorblock. Aluminium ist leichter als Grauguss und Aluminiumkurbelgehäuse haben ein hohes Potential zur Gewichtsreduktion: 100 kg Gewichtsreduktion bedeuten ca. 0,7 Liter Verbrauchssenkung pro 100 Kilometer. Allerdings ist Aluminium auch nicht so stabil wie Eisenwerkstoffe. Das bedeutet bei steigenden Motorleistungen (Kilowatt und Drehmoment) höhere Belastungen für das Aluminiumkurbelgehäuse im Vergleich zum Graugussblock. Dies muss allerdings kein wirkliches Problem darstellen. Heute ist es durchaus möglich auch 200 PS

2 aus einem 1.4 Liter Motor gegossen aus Aluminium zu holen. Der wichtige Punkt hier ist, dass der umweltfreundlichere Aluminiummotorblock in der Entwicklungsphase höheren Aufwand beim Testen erfordert, um ausreichende Funktionalität, Lebensdauer und Verschleißverhalten sicherzustellen. Bitte behalten Sie dies im Kopf, wenn wir nun über die Herstellprozesse für Aluminiumkurbelgehäuse sprechen wollen. Wie Zylinderkurbelgehäuse gegossen werden... Die Produktion eines Aluminiumkurbelgehäuses ist keine Leichtigkeit. Einige Automobilhersteller betreiben konzerneigene Gießereien, andere haben qualifizierte Zuliefergießereien für diese Aufgabe. Hydro Dillingen ist ein spezialisiertes Entwicklungszentrum für die Herstellung von Motorblöcken und Zylinderköpfen. In dem Hydro Werk Dillingen arbeiten etwa 800 Mitarbeiter in drei Produktionstätten. Jede dieser Fertigungslinien ist circa 150 lang und unterteilt in verschiedede Abschnitte. Im ersten Hauptabschnitt werden sogenannte Sandkerne hergestellt. Diese Sandkerne bilden die Form, in welche das flüssige Aluminium zum Motorblock gegossen wird. Der aktuell bei Hydro Dillingen verwendete Prozess wird als Kernpaketverfahren oder Core Package System (CPS) bezeichnet. Das Verfahren erinnert ein bisschen an den Bau einer Sandburg: Zunächst wird die Sandform durch Verschießen unter hohem Druck hergestellt. Der Sand wird mit Hilfe eines organischen Bindemittels fest verbunden, die einzelnen Sandkörner werden quasi vom Binder zusammengeklebt. Die Formwerkzeuge können entweder beheizt sein (Hot- box- Prozess) oder unbeheizt (Cold Box Prozess). Die Mehrzahl der Aluminiumgießer (Deutschland 75%) für die Automobilindustrie verwendet heute das Cold- Box- Verfahren, da die Energiekosten günstiger sind als bei heißen Formwerkzeugen. Bei der Kernpaketherstellung werden alle Konturen und Öffnungen des späteren Zylinderkurbelgehäuses spiegelbildlich geformt. Wenn das Kernpaket zusammengesetzt und ausgegast ist, wird es zum zweiten Fertigungsschritt in die Aluminiumgießerei transportiert. Beim Gießen entstehen Verbrennungsgase des Binders, die umweltschädlich sind und eine Abgasnachbehandlung erfordern. Die Abgase werden durch Filter und eine thermische Nachverbrennung geführt. Nach dem Gießen kühlt das Aluminium im Kernpaket ab und wird direkt aus der Gießhitze in einen Wärmebehandlungsofen gefahren. Dies dient nicht nur der Stabilisierung des Gussteiles, sondern auch dem vollständigen Entfernen des Formsandes durch das Verbrennen des organischen Bindemittels. Die Wärmebehandlung ist aufwendig und teuer: Ca. 40 bis 60% der gesamten Energie des Werkes wird in diesem Bereich benötigt. Nachdem der Binder verbrannt ist, fällt der lose Sand vom Gussteil in ein Fördersystem. Etwa 98% des Sandes können im Kreislauf für die nächste Formherstellung gehalten werden. Das Aluminiumgussteil wird dann kontinuierlich zum Putzen, Reinigen bis zur Endkontrolle transportiert. Am Ende des Werkes werden die Motorblöcke verpackt und zur mechanischen Fertigbearbeitung und Montage beim Automobilhersteller ausgeliefert. Welche Probleme sollen gelöst werden? Ein Hauptproblem beim oben beschriebenen Motorblockgießen ist die potentielle Umweltbelastung: Zunächst sind da die Komponenten des organischen Bindersystems (u.a. Phenolharze und Amine) die einem Verbrennungsprozess zugeführt werden. Außerdem werden beim Gießvorgang selbst relevante Mengen an Rauchgasen (aromatische Amine, Furane, Benzopyrene und andere Organik) frei, die gekapselt aufgefangen und abgesaugt werden müssen, um gesundheitliche Risiken für die Arbeiter zu minimieren. Die Abgase werden einem Filter- und Nachverbrennungssystem zugeführt um Emissionen zu minimieren. Zum Schluss ist die Wärmebehandlung mit einem hohen Energieverbrauch. In Dillingen werden ca. 56% der Energie ( MWh in

3 2005) für Wärmebehandlung und Sandkreislauf verwendet. Die hohe Energie wird benötigt, um das Gussteil vollständig von Sand zu befreien und um den organischen Binder vollständig zu verbrennen, damit die Sandkörner einzelnen wieder verwendet werden können. Der beschriebene Produktionsprozess in verschiedenen Varianten gilt heute als Stand der Technik. Die Emissionen erfüllen die gesetzlichen Bestimmungen und die Energie kann ausreichend bereit gestellt werden. Nichts desto Trotz stehen die Gießereien unter hohen Kostendruck der Autoindustrie und in hartem Wettbewerb. Hydro Dillingen ist da sicher keine Ausnahme. Aber wo liegen die Potentiale zur Kostensenkung? Wozu dient das Inocast Projekt? Die Antwort ist relativ einfach, die Umsetzung sicher nicht! Der beste und effektivste Ansatz zur Kostensenkung liegt in einer Alternative zum Wärmebehandlungs- und Sandregenerierprozess. Schließlich werden hier 56% der Energie verbraucht. Aber wie lassen sich das Gussteil - Entsanden und das Sandreinigen vom Binder anders realisieren? Im Jahr 2004 wurde von der Hydro Forschung in Bonn und einem führenden Rohstoffzulieferer Minelco nach langen Test mit anorganischen Bindemitteln eine mögliche Antwort vorgestellt. Diese Binder haben den Vorteil, dass sie auf Wasserglasbasis arbeiten und natürliche Binderbrücken zwischen den Sandkörnern bilden. Der Prozess arbeitet mit warmen Formwerkzeugen (Warm- box im Gegensatz zu Hot- box oder Cold- Box), um durch Verdampfung dem Binder das Wasser zu entziehen. REM Aufnahme einer AWB Binderbrücke Hydro hat nicht als erstes mit Wassergleasbindern experimentiert; die Innovation liegt in der reversiblen Einstellung des Bindungsmechanismus zum Formstoff. Dies ist von größter Bedeutung, da sonst der Sand nicht wiederverwendet werden kann (Ziel 98% Recyclingquote bei Cold Box). Die Erwartung war, dass aufgrund des thermisch neutralen Verhaltens ein Verbrennungsprozess zum Entfernen des Sandes nach dem Gießen nicht mehr notwendig sei. Stattdessen soll die Form durch einfaches Rütteln und Hämmern vom Gussteil getrennt und der Sand durch eine kurze Wäsche vollständig vom Binder gereinigt werden. Im Ergebnis würde der große Wärmebehandlungsofen überflüssig und könnte abgeschaltet werden. Also eine deutliche

4 Reduktion der Energiekosten. Zusätzlicher Gewinn entsteht durch das Ersetzen relativ teurer organischer Komponenten (Phenole, Harze etc.) und Amine im Produktionsprozess. Zum Schluß wollten die Forscher von Hydro und Minelco sogar das reversible anorganische Bindersystem so weiterentwickeln das anstelle von Quarzsand synthetische Sande eingesetzt werden können. Diese haben eine rundere Form mit einer bindungsfähigeren Oberfläche. Bei Einsatz der synthetischen Formstoffe ließe sich die Silikoseproblematik für die Arbeiter vollständig vermeiden. So weit so gut. Die Laborergebnisse zeigten das der neue Prozess mit Namen AWB- CPS funktionieren könnte. Aber es gab ein Problem: für den Eigentümer Hydro wäre der einzig vertretbare Grund die Produktion auf das AWB System umzustellen die Zustimmung eines Automobilherstellers ein Sereinprodukt in diesem Verfahren zu fertigen. Nun sind die Produktionsfachleute eher konservativ und können keine großen Risiken in Kauf nehmen. Sie fordern, das die Bauteile sehr intensive Testreihen vor einem Serienstart durchlaufen müssen. Standard Prozesse wie Cold Box und Hot Box für die Kernherstellung und das Abgießen von organisch gebundenen Kernpaketen geben die Sicherheit, dass auf einer relativ breiten Wissensbasis die technischen Risiken beherrschbar und Qualitätsforderungen sicher erfüllbar sind. Die Herausforderung für Hydro war es einen Hersteller zu finden, der nicht nur einen Hochleistungs- Aluminium- Motor mit übereutektischer Legierung (für sich schon eine große Investition mit einigen Risiken im derzeitigen Entwicklungsstand), sondern zusätzlich bereit war, das Kurbelgehäuse in einem völlig neuartigen und noch nicht serienerprobten Fertigungsverfahren zu produzieren. Zu diesem Zeitpunkt beschlossen Hydro Dillingen und Minelco eine Pilotfertigung für AWB: Sie wollten mindestens 300 Kernpakete herstellen und ca. 30 Motorblöcke guter Qualität gießen, welche einem innovativen Automobilhersteller zur Verfügung gestellt werden konnten, der dann die Validierung im motorischen Betrieb durchführen sollte. Qualitätstests, Verschleiß- und Dauerlauferprobung des Zylinderkurbelgehäuses sollten sowohl am Prüfstand als auch im Fahrzeugbetrieb nachgewiesen werden. Dies würde Autohersteller überzeugen, dass Hochleistungsanforderungen mit Aluminium und AWB erreicht werden. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Audi Motorenwerk in Györ/ Ungarn einbezogen. Audi war bereit, die Validierungstest im Vergleich von mit AWB und Cold Box hergestellten Motorblöcken gleichen Typs durchzuführen. Bei der Demonstration der Qualitätsanforderungen für den Motor würde Hydro gleichzeitig die Gelegenheit haben, die Kalkulationen zur Reduktion der Emissionen, Energieverbräuche und Resourcen zu testen. Ergebnis der Diskussionen mit den Organisatoren führten zum Start des Inocast Projektes im Rahmen des EU Life Programms im Januar Ergebnisse des Inocast Projekts Inocast wurde im März 2007 abgeschlossen. Die technischen und umweltrelevanten Ergebnisse haben die ursprünglichen Erwartungen weitgehend erfüllt. Mit anorganischen Bindern lassen sich qualitativ hochwertige Formen und exzellente Gussteile herstellen. Auf die thermische Entsandung kann verzichtet werden und Emissionen treten praktisch keine mehr auf.

5 [g carbon]] AWB Inotec 4110 Inotec 4044 Cold-Box Quantitative FID Analyse des TÜV Saarland Die anorganische Kernfertigung erfolgt auf adaptierten Serienanlagen mit elektrisch beheizten Formwerkzeugen. Ein neues Produktionskonzept trägt den längeren Aushärtzeiten für die Trocknung der Kerne Rechnung und ermöglicht eine hochproduktive und wirtschaftliche Fertigung. Die Kernpaketmontage erfolgt mit den bekannten Roboter und Greifersystemen. Optisch lassen sich heute anorganische Kerne nur für den Experten von den bekannten Cold Box Kernen unterscheiden: Anorganisches Kernpaket und Seitenteilkern eines Kernpaketes mit eingeklebten Innenkernen für Ölkanäle Die hergestellten Motorblöcke erfüllen höchste Anforderungen an mechanische Eigenschaften, komplexe Gestaltung im Sandgussverfahren, Oberflächengüte und fehlerfreie Gusssgefügestrukturen:

6 R4 Aluminiummotorblock im AWB CPS Schnitt durch Innenkanäle Während zu Beginn des Projektes die führenden Binderhersteller die Initiative zurückhaltend verfolgten, sind sie heute in der Entwicklung mit führend auf dem weiteren Weg zur Serieneinführung. In der Tat sieht es so aus, als hätte das anorganische CPS- Verfahren gute Aussichten für eine breitere Anwendung auch in andren Gebieten wie Eisenguss, Armaturenguss und in der Kunststoffindustrie. Der Erfolg wurde nicht ohne Schwierigkeiten erreicht. Die beabsichtigte Validierung mittels Prüfläufen konnte nicht durchgeführt werden. Aus internen geschäftlichen Gründen entschied der Hersteller Audi, die Test nicht mit dem vorhandenen Motormodel durchzuführen und es war zu früh die Tests mit einem neuen Modell zu starten. Ein Ersatz wurde gefunden, benötigte aber weitere Zeit. Der ursprüngliche AWB Binder und der synthetische Formstoff erfüllten letzen Endes noch nicht alle Erwartungen und technischen Anforderungen (allerdings wird hier weiterhin geforscht und vielversprechende Ansätze sind vorhanden). Mit einem anderen Typ anorganischem Binder konnten qualitativ bessere Kernpakete unter Verwendung von Quarzsand hergestellt werden. Allerdings war dann auch die Entwicklung einer eigenen und aufwendigeren Sandwäsche notwendig. Alles in allem ist das Ergebnis heute, dass für die großen (äußeren) Kerne des Kernpakets die Anorganik zukunftsweisend eingesetzt werden kann. Sobald weitere Validierungen erfolgt sind, ist es wahrscheinlich, dass der Prozess von den Herstellern akzeptiert werden wird. Neben dem Erreichen der qualitativen Forderungen konnte das anorganische CPS System die Zykluszeiten und Verfügbarkeiten für eine Serienproduktion erreichen. Die anorganischen Kernpakete lassen sich leicht mechanisch entkernen und mit Hilfe der neuen Sandwäsche konnte der Recyclingprozess fast auf das Niveau des Cold Box Systems gebracht werden. Das anorganische CPS wird weiter verbessert werden, um die qualitativen Anforderungen für filigrane und innere Kanalkerne sicher zu erreichen.

7 Zum Schluss das Wichtigste aus der Sicht des EU Life Programms konnten die umweltrelevanten Ziele und Grenzen erreicht werden. Bei einer Einführung der anorganischen Warmbox Technologie bei allen Gießlinien würde in Summe der gesamte Energieverbrauch um 37% gesenkt werden können. Die Messungen und Analysen eines anerkannten unabhängigen Institutes belegen das die Emissionen weit unterhalb der Grenzwerte liegen. Mit anderen Worten: Der anorganische CPS Prozess ist eine umweltfreundliche Gießtechnologie! Die Zukunft des Motorblockgießens Das Inocast Projekt ist nun beendet. Als Ergebnis des Verkaufes des Dillinger Werkes von Norsk Hydro an Nemak, werden die Ergebnisse zur Zeit im Rahmen des Integrationsprozesses evaluiert. Projektpartner Minelco wird weiterhin aktiv die Vermarktung der Ergebnisse weltweit vorantreiben und AWB auf der nächsten GIFA 2007 in Düsseldorf präsentieren. Weitere Informationen über das Inocast Projekt und die Entwicklung des anorganischen Kernpaketverfahrens werden zukünftig unter und unter zu finden sein. Die Projektpartner danken allen Beteiligten für Ihren Enthusiasmus und die Unterstützung! Im Namen aller Teammitglieder Joachim Kahn