GIESSEREI PRAXIS. Fachzeitschrift für alle Bereiche der Gießereitechnik. Die LHL-Serie Massiv. Schnell. Präzise.

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1 GIESSEREI PRAXIS Jahrgang Fachzeitschrift für alle Bereiche der Gießereitechnik So haben wir das Kern! Die LHL-Serie Massiv. Schnell. Präzise. 50 Liter Schussvolumen in weniger als 15 Sekunden das geht nicht? Wir können das: Unsere LHL-Kernschießautomaten ermöglichen extrem schnelle Taktzeiten und können noch viel mehr. Wir zeigen Ihnen, was in der LHL steckt. Nehmen Sie mit uns Kontakt auf: Laempe. Der Kern. GP201804_U1_U4.indd :10

2 ##SUS##mnertd##1946##SU DAS GIESSEREI-FACHWÖRTERBUCH für ios und Android Aktualisiert! für IOS II ALLE SPRACHEN JETZT KOSTENLOS! Apple: Android: Deutsch Englisch Französisch Italienisch Spanisch Chinesisch Russisch GIESSEREI-PRAXIS

3 Editorial Liebe Leserinnen und Leser! Foto: foto schmitter Seit dem Jahr 2011 war Dr. Hartmut Polzin Chefredakteur der GIESSEREI-PRAXIS. In dieser Zeit hat er diese Fachzeitschrift mit seiner hohen fachlichen Kompetenz zu einem international beachteten Medium für die Gießereibranche geformt, das wegen seiner Fachbeiträge aus Wissenschaft und Praxis allseits geschätzt wird. Dafür danken ihm die Redaktion der GIESSEREI-PRAXIS und die Verlagsleitung ganz herzlich! Das hört sich nach Abschied an es ist aber keiner. Dr. Hartmut Polzin wird von nun an nicht als Chefredakteur, sondern als wissenschaftlich-technischer Beirat und Autor regelmäßig für die GIESSEREI-PRAXIS tätig sein und weiterhin die Fachbeiträge betreuen. Seit dieser Ausgabe wurde mir die Redaktionsleitung der GIESSEREI-PRAXIS übertragen. Als langjähriger Technik-Journalist verfolge ich die Herausforderungen, denen sich Hersteller und Anwender moderner Produktionstechnik unter hohem Wettbewerbsdruck stellen müssen. Gerade in Zeiten rasanter technischer Fortschritte, wie wir sie gerade erleben, sind fachliches Know-how und aktuelle Informationen aus der Branche enorm wichtig. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird das Redaktionsteam die GIESSEREI-PRAXIS fachlich und journalistisch weiterentwickeln und Ihnen allmonatlich interessante Fachbeiträge sowie Berichte, Reportagen und Interviews über aktuelle Themen der Gießerei-Branche präsentieren. Den Anfang in seiner neuen Beitratsfunktion macht Dr. Hartmut Polzin in dieser Ausgabe mit dem ersten Teil seines Berichts über das 2. Formstoff-Forum 2018, das im vergangenen Monat in Aachen stattfand. Die Veranstaltung zählt zu den bedeutendsten Tagungen über die Themen Formstoffe, Bindersysteme und Simulation und verdient eine ausführliche Darstellung. Ebenfalls in dieser Ausgabe: das Zukunftsthema Leichtbau im Automobilbereich, Untersuchungen zur Deformation von Sandkernen und natürlich viele News für alle Gießer. Ihr Gerd Theißen Chefredakteur GIESSEREI-PRAXIS Digitale Ausgabe: für Abonnenten Nutzen Sie den Abo-Vorteil und recherchieren Sie in unserem emfangreichen Online-Archiv. Sie können sich mit Ihrer Kundennummer anmelden. Diese finden Sie auf Ihren Adressetikett. Als Passwort dient Ihre Postleitzahl. Fachverlag Schiele & Schön GmbH Markgrafenstr Berlin PVST KUNDENNUMMER 12/2017 Herrn Ingenieur Max Mustermann Musterstraße Musterstadt

4 Inhalt Durchbiegung (D/D R ) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6-0, Durchbiegung Temperatur Zeit (h) Temperatur ( C) 19 Branchen-News 6 Informationen aus Industrie und Wirtschaft Druckguss 14 Lucas Schulte-Vorwick Strukturbauteile Chancen und Herausforderungen Formstoffe 19 Viktória Dargai, Hartmut Polzin, László Varga Die Bestimmung der granulometrischen Eigenschaften von Gießereisanden mittels dynamischer Bildwanalyse 23 Hiba Bargaoui, Farida Azzouz, Georges Cailletaud, Delphine Thibault Modellierung und experimentelle Charakterisierung der Deformation von PUCB-Sandkernen beim Gießen 4

5 GIESSEREI-LÖSUNGEN FÜR DIE ZUKUNFT BEREIT Ihren Wettbewerb um Längen zu schlagen? Tagungen und Messen 28 Hartmut Polzin 2. Formstoff-Forum 2018 in Aachen Teil 1 Bentonitgebundene Formstoffe Anorganische Formstoffbinder 42 Gerd Theißen Der 3D-Druck revolutioniert die Wertschöpfungskette Rückblick auf das 2. Additive Manufacturing Forum Berlin am 5. und 6. März Michael Franke Internationales Laser- und Fügesymposium 2018 Service 45 Buch-Shop Fachbücher für den Gießerei-Praktiker 46 Messen, Veranstaltungen, Buchtipps 49 Das besondere Gussteil 50 Impressum Wir freuen uns auf Ihren Anruf: Telefon: info@ask-chemicals.com beyondtomorrow 5

6 BRANCHEN-NEWS DIHAG-Gruppe richtet sich neu aus Die DIHAG-Gruppe, einer der größten europäischen Gießerei-Gruppen, stellt die Weichen für die Zukunft. Mit Ralf Schmitz als CEO und Dr. Benno Hank als Finanzchef (CFO) wurde die Geschäftsführung der Dachgesellschaft DIHAG Holding GmbH in Essen mit zwei erfahrenen Unternehmensberatern besetzt, teilte das Unternehmen mit. Oberstes Ziel sei es, den im Privatbesitz befindlichen Unternehmensverbund auf neue Marktgegebenheiten auszurichten und damit einen nachhaltig profitablen Wachstumskurs zu ermöglichen. Die Bereiche Technik sowie Personal und Recht werden unverändert von Stefan Mettler und Dr. Kurt Vennemann verantwortet. Das neue Management wird die Aktivitäten der zehn operativen Tochtergesellschaften, davon sieben in Deutschland sowie jeweils eine Gesellschaft in Polen, Belgien und Ungarn, auf ihre Zukunftsperspektiven und eventuellen Anpassungsbedarf überprüfen. Dies geschieht nicht zuletzt aufgrund veränderter Rahmenbedingungen in wichtigen Kundenmärkten, etwa der Krise im weltweiten Schiffbaumarkt oder des starken Wettbewerbs- und Preisdrucks bei Windenergieanlagen. Ziel sei es, bis 2019 die wesentlichen Maßnahmen für die geplante Neuausrichtung der Gruppe umzusetzen. Ralf Schmitz und Dr. Benno Hank sind Partner der Schmitz & Partner Unternehmensberater in Düsseldorf (www. schmitz-partner.org). Sie verfügen über jahrzehntelange umfassende Erfahrungen bei der Restrukturierung und Neuausrichtung produzierender Unternehmen, teilte die DIHAG Holding mit. Ralf Schmitz war als Restrukturierungsexperte mehr als zwanzig Jahre lang Partner einer Unternehmensberatung in Köln. Dr. Benno Hank bekleidete verschiedene CFO-Funktionen in mittelständischen Unternehmen. Unter dem Dach der DIHAG Holding haben sich zehn Gießereien zu einem Unternehmensverbund zusammengeschlossen. Mit einer Produktion von rund Tonnen verschiedener Gusserzeugnisse zählt der Verbund nach eigenen Angaben zu den größten europäischen unabhängigen Gießereigruppen. Die DIHAG-Gruppe machte im Jahr 2017 mit rund Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern einen Umsatz (vorläufig) von rund 300 Mio. Euro. Markt der additiven Fertigung wächst rasant Am 6. und 7. März 2018 fand bei der Messe Luzern die 2. AM Expo statt. Anhand so genannter Showcases präsentierte die einzige Schweizer Fachmesse für professionellen 3D-Druck anwendungsorientierte Produktionsbeispiele. Es klingt wie Science Fiction: Ein hochkomplexes Steuerungselement für die Luftund Raumfahrt, bisher aus 71 Einzelteilen in zeitaufwändigen und störungsanfälligen Verfahren zusammengesetzt, wird neu in wenigen Prozessschritten schnell und kostengünstig additiv gefertigt. Dieses und weitere erfolgreich umgesetzte Anwendungsbeispiele nationaler und internationaler Unternehmen wurden an der AM Expo präsentiert. Diese Showcases der rund 100 Aussteller aus den Bereichen Auftragsfertigung, Engineering, Software, Maschinen und Materialien zeigten das ganze Potenzial des Additive Manufacturing (AM) auf. Und dieses ist zurzeit enorm: nicht nur bezüglich Innovationen in verschiedensten Anwendungsfeldern, sondern auch bezüglich der Marktzuwächse diese werden sich laut Branchenkennern künftig bei 40 bis 50 Prozent pro Jahr bewegen. Leichtbau mit offenporigem Aluminium Das Kokillenguss-Verfahren Openpore des Technologieunternehmens Automoteam (Stuttgart) ermöglicht die Serienfertigung von Produkten mit offenporigen Aluminium-Strukturen. Nach diesem Verfahren lassen sich Produkte in fast jeder Form, Größe und Porosität, auch teilporös oder im Werkstoffverbund, wirtschaftlich herstellen, so das Unternehmen. Das Verfahren besteht aus nur vier Arbeitsschritten: Befüllung der Kokille bis zu einem definierten Volumen mit NaCl-Salzgranulat Weiteres Auffüllen der Form mit Aluminiumschmelze Konventionelle, mechanische Bearbeitung des Formteils Ausspülen des Salzes aus den Poren Das Ergebnis ist ein fertiges Formteil mit offener Porenstruktur. Daraus ergibt sich eine Vielzahl an Parametern, mit denen die funktionalen Eigenschaften des Aluminium- Gussteils vorbestimmt werden können. Dazu zählen u.a. die flexibel anpassbare Durchlässigkeit des porösen Materials an unterschiedliche Anforderungen und die sehr hohe mechanische Stabilität des Gussgefüges im Vergleich zu herkömmlichen Technologien wie Metallschaum oder Sinterung. Deshalb ist Openpore ein innovatives Verfahren, das in vielen Anwendungen völlig neue Möglichkeiten eröffnet. GBN Systems zieht als Aussteller und Medienpartner der AM Expo ein positives Fazit. Foto: GBN Nach den Openpore -Verfahren lassen sich Produkte in fast jeder Form, Größe und Porosität herstellen. Foto: Automoteam 6

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8 BRANCHEN-NEWS Foto: BvL Foto: hotset Mit einem speziellen Niederhalter in der Korbaufnahme werden die verschiedenen Werkstückträger ohne Rüstaufwand universell fixiert. Sauberkeit ohne Rüstaufwand für Getriebeteile Der spanische Zulieferer Edeltec aus Barcelona benötigt zur Reinigung komplexer Aluminium-Druckgussteile für einen großen deutschen Getriebehersteller eine weitere Reinigungsanlage. Die Basis für die neue Reinigungslösung stellt eine BvL-Korbwaschanlage Niagara DFS dar, die mit einem speziell konstruierten Niederhalter in der Korbaufnahme ausgestattet wurde. Dieses universelle System ermöglicht nach Angaben von BvL (Emsbüren) ein individuelles Teilehandling ohne zusätzlichen Rüstaufwand. Durch die Produktion von sechs unterschiedlichen Werkstückträgern bietet die Korbaufnahme eine absolute Pass- Genauigkeit für die verschiedenen Druckguss-Bauteile. Auch ein Austausch der Werkstückträger und Bauteile mit denen der zuvor gelieferten ersten Anlage ist mit geringem Rüstaufwand möglich, so der Hersteller. Nach der automatischen Beladung und Zuführung der Bauteile über eine Rollenbahn wird der bestückte Werkstückträger in die Reinigungskammer eingefahren. Eine Kombination aus Spritz-, Flut- und Ultraschallverfahren sorgt für einen gründlichen Waschund Spülvorgang gemäß der voreingestellten Parameter. Die neue Heizpatrone hotrod HHP ist für Anwendungstemperaturen von bis zu C geeignet Hotset Hochtemperatur- Heizpatrone: Tausend-Grad- Marke im Visier Das Erreichen einer Arbeitstemperatur von über 750 C gilt beim Einsatz stabförmiger Heizpatronen mit Gehäusedurchmessern von oft nur wenigen Millimetern als kritische Marke. Die Entwicklungsingenieure des deutschen Thermodynamik- Spezialisten hotset (Lüdenscheid) haben sich dieser Herausforderung angenommen und präsentieren nun die neue Heizpatrone hotrod HHP für Anwendungstemperaturen von bis zu C. Forschung und Industrie erhalten damit ein neues Heizelement für Hochtemperatur-Anwendungen, bei denen konventionelle Heizpatronen an ihre Grenzen stoßen. Bei der Realisierung von leistungsstarken Heizpatronen für moderne High-Temperature-Applikationen sind eine Reihe von Sonderfaktoren zu berücksichtigen. Ein entscheidender Qualitätsaspekt ist dabei die thermische Dauerbelastbarkeit des Mantel-Werkstoffs. Für die neue hotrod HHP wählte hotset daher eine austenitische, hochwarmfeste Mischkristall-Legierung aus Incoloy, die auch in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wird. Intelligentes Zellenmanagement bei Druckgießzellen Durch die Einführung des Zellenmanagements können deutliche Verbesserungen bei der Kommunikation zwischen den einzelnen Teilsystemen der Druckgiesszelle erzielt werden der gesamte Prozess wird effizienter so sieht das der Druckgießmaschinenhersteller Bühler (Uzwil, Schweiz). Ziel ist ein System, das die gesamte Zelle überwacht und intelligente Entscheidungen trifft für optimale Produktivität und hohe Qualität der Endprodukte. Zusätzlich unterstützt das Zellenmanagement Druckgießereien dabei, im Umfeld von Industrie 4.0 zu agieren. Es bildet die Schnittstelle zwischen den Maschinensteuerungen und dem übergeordneten Manufacturing Execution System (MES). Durch mehr Informationen über den Herstellungsprozess und dessen Parameter wird die Rückverfolgbarkeit der Teile und der Qualität der Teile erheblich vereinfacht. Analysen und Trend-Monitoring von Leistungskennzahlen zeigen das Potenzial zur weiteren Effizienzsteigerung der Anlage an. Foto: Bühler 8

9 BRANCHEN-NEWS TECHNIK DIE BEWEGT Die MACO-Gruppe ist einer der Weltmarktführer für Fenster- und Türbeschläge sowie Anbieter von innovativen System- und Sicherheitslösungen. Wir sind mit über Mit arbeiterinnen und Mitarbeitern in 40 Ländern aktiv und verfügen über drei Produktionswerke in Österreich sowie Montagewerke in Kaluga/Russland und Gliwice/Polen. Zur Verstärkung unseres Vorfertigungs-Teams an unserem Produktionsstandort Trieben suchen wir einen Teamleiter Gießtechnik (m/w) Ihre Aufgaben Kennzahlenorientierte Führung des Produktionsbereiches Gießtechnik (ca. 45 Mitarbeiter) Disziplinarische und fachliche Führung der zugeordneten Mitarbeiter Sicherstellung einer termingerechten und effizienten Produktion Technologische und organisatorische Weiterentwicklung des Produktionsbereiches Permanente Absicherung der hohen MACO-Qualität im Produktherstellungsprozess Sicherstellung und Weiterentwicklung der Anlagenverfügbarkeiten Ihre Qualifikationen Abgeschlossene technische Ausbildung (technisches Studium, HTL oder gleichwertige Kenntnisse, idealerweise Fachrichtung Metallurgie) Fundierte Kenntnisse in der Gießtechnik insbesondere in den Bereichen Zink-Druckguss sowie Aluminium-Kokillenguss wünschenswert Mehrjährige Führungserfahrung in industriellen Produktionsbetrieben Sehr gute EDV-Kenntnisse (MS Office, SAP) Analytisches Denken und Umsetzungsfreude Projektmanagement Erfahrung sowie Kenntnisse im Bereich Lean-Production und Six Sigma von Vorteil Ihre Perspektiven Abwechslungsreicher Aufgabenbereich mit vielseitigen Gestaltungsund Entwicklungschancen Modernes, partnerschaftliches und internationales Arbeitsumfeld Flexible Arbeitszeiten Diverse Sozialleistungen sowie betriebliche Gesundheitsvorsorge, Firmenparkplatz, Betriebsrestaurant Für diese Position bieten wir ein Jahresgehalt ab EUR , brutto. Die Bereitschaft zur Überzahlung besteht abhängig von Qualifikation und Erfahrung. Ihre Ansprechpartnerin Gudrun Kobler freut sich auf Ihre Online-Bewerbung (Anschreiben und Lebenslauf). Bitte nutzen Sie unsere Plattform auf MACO Produktions GmbH Industriestraße 1, 8784 Trieben, 9

10 BRANCHEN-NEWS Gießereien sind wichtig für das Autoland Saarland Das Saarland zählt nach wie vor zu den führenden Gießereistandorten in Deutschland. Die Branche profitiert dabei in hohem Maße von der guten Entwicklung im Fahrzeugbau, von ihrer Technologieführerschaft und einem attraktiven F&E-Umfeld sowie von der hohen Industrie-Akzeptanz im Saarland, so fasste IHK-Geschäftsführer Dr. Carsten Meier den aktuellen IHK-Branchenbericht der saarländischen Gießereien zusammen. Im Jahr 2017 wurden rund Tonnen Guss in den sechs saarländischen Gießereien (Neue Halberg-Guss, Nemak Dillingen, MAT Foundries Europe, PAM Saint Gobain Deutschland, Bartz-Werke, Martin Luck Metallgießerei) erzeugt. Dies entspricht einem Umsatz von 710 Millionen Euro und gut sieben Prozent der bundesweiten Gießereiproduktion. Zwar haben Nordrhein-Westfalen, Hessen und Baden- Württemberg größere Anteile. Doch die saarländische Gießerei-Industrie hat auf Grund ihres Strukturgewichts eine größere Bedeutung für Wachstum und Beschäftigung als dies in anderen Bundesländern der Fall ist, so Meier. Derzeit arbeiten in den saarländischen Gießereien rund Menschen und damit 3,7 Prozent aller Beschäftigten im verarbeitenden Gewerbe an der Saar. Wirtschaftliches Aufbohren von Turboladern Werkzeuge mit ISO-Elementen sind ein fester Bestandteil des Mapal-Programms. Nun stellt Mapal (Aalen) eine neue Schneidstoffserie für ISO-Wendeschneidplatten sowie press-to-size - Schneiden zum Aufbohren von Stahl, rostfreiem Stahl und hitzebeständigem Stahlguss, wie er beispielsweise bei Turboladern verwendet wird, vor. Für die neuen ISO-Wendeschneidplatten wurden nicht nur die Beschichtungen in der eigenen Beschichtungsanlage entwickelt, sondern auch das Hartmetallsubstrat der Schneiden sowie die Kantenverrundung für die Bearbeitungen optimiert. Je nach vorherrschenden Rahmenbedingungen, wie Werkstoff, Stabilität der Maschine, Kühlmittel- und Aufspannsituation sowie eventueller Schnittunterbrechungen kann zwischen PVDund CVD-beschichteten Schneidstoffen gewählt werden. Diese variieren hinsichtlich der Zähigkeit des verwendeten Hartmetallsubstrats. Die CVD-beschichteten ISO-Wendeschneidplatten sind der Standard für alle Aufbohrbearbeitungen und besitzen nach eigenen Angaben eine hohe Verschleißfestigkeit. Sie bieten das Potenzial für eine wesentliche Steigerung der Schnittgeschwindigkeit und Produktivität auch bei der Trockenbearbeitung, so Mapal. Für extrem schwierige Rahmenbedingungen wie einem unterbrochenen Schnitt oder instabilen Maschinenverhältnissen stehen die PVD-beschichteten Schneidstoffe zur Verfügung. Denn diese haben ein besonders ausgewogenes Verhältnis zwischen Verschleißfestigkeit und Zähigkeit und sorgen dadurch für eine prozesssichere Bearbeitung. Die neuen ISO-Wendeschneidplatten vervollständigen das Programm. Bereits im vergangenen Jahr hatte Mapal die neue Schneidstoffserie zum Aufbohren von Guss präsentiert. Die CVD-beschichteten ISO-Wendeschneidplatten sind der Standard für alle Aufbohrbearbeitungen. Foto: Mapal Leistungsvermögen der Kunststoff-Metall-Hybridtechnik gesteigert Die Kunststoff-Metall-Hybridtechnik ist eine im strukturellen Leichtbau etablierte Konstruktionsmethode von Lanxess. Sie kombiniert die Stärken von Metall und Kunststoff. Mit ihr werden seit Jahren zum Beispiel Frontends, Pedallagerböcke und Bremspedale gefertigt. Als Spritzgießkomponente wird dabei in der Regel glasfaserverstärktes Polyamid 6 und als Metallkomponente Stahl- oder Aluminiumblech verwendet. Nun ist es Lanxess gelungen, die Hybridtechnik auf den Einsatz von metallischen Hohlprofilen mit runden und eckigen Querschnitten auszuweiten. Im Vergleich zu Blechen sind Hohlprofile deutlich formstabiler und weisen höhere Torsionssteifigkeiten sowie -festigkeiten auf, erklärt Lukas Schröer, Projektleiter Leichtbau in der Anwendungsentwicklung des Geschäftsbereichs High Performance Materials (HPM). Lanxess hat einen Demonstrator in Hohlprofil-Hybridtechnik hergestellt, der im Vergleich zu einem entsprechenden Hybridbauteil auf Basis von Stahlblech deutlich formstabiler ist und eine höhere Torsionssteifigkeit und -festigkeit aufweist. Foto: Lanxess AG Wir gehen deshalb davon aus, dass mit dieser neuen, von uns als Hohlprofil-Hybridtechnik bezeichneten Technologie künftig auch Bauteile wie Instrumententafelträger gefertigt werden können, die in klassischer Hybridbauweise bisher noch nicht genügend belastbar waren. Das Resultat der Entwicklungsarbeit ist ein großserientauglicher Prozess, der nur geringe Anlageninvestitionen erfordert, kurze Zykluszeiten wie beim Standard-Spritzguss ermöglicht und ähnlich einfach ist wie die klassische Hybridtechnik mit Blechen, so Boris Koch, Spezialist für Hybridtechnik bei HPM. 10

11 BRANCHEN-NEWS PERFEKTION IN JEDER FORM Innovative Form- und Gießtechnologien SEIATSU/ACE Formmaschinen und -anlagen Kastenlose Formmaschinen und -anlagen Vakuum Formmaschinen und -anlagen Gießmaschinen, halbund vollautomatisch Niederdruck- Gieß maschinen Kipp-Gießmaschinen Sandregenerierung Software für Gießereien Modernisierung vorhandener Anlagen Service Neu! HEINRICH WAGNER SINTO Maschinenfabrik GmbH SINTOKOGIO GROUP Bahnhofstr Bad Laasphe, Germany Tel / Fax /

12 BRANCHEN-NEWS QuickLock erleichtert Panelwechsel Auf der Hannover Messe 2018 (23. bis 27. April) präsentiert die CRE Rösler Electronic GmbH, Hohenlockstedt, seine neuesten Entwicklungen, welche die Betriebe ganz im Sinne der Industrie 4.0 nutzen können. Dazu zählt die Weiterentwicklung der bewährten S-Line -Panele mit der patentierten Schnellwechselvorrichtung Quick- Lock. Ohne Werkzeuge und durch nur eine Person kann in dreißig Sekunden ein Panelwechsel erfolgen aufstecken, einrasten: fertig. Mechanisch sind hierbei Standfußund Tragarm-Montage mit unterschiedlichen Dreh- und Neigewinkeln möglich. Das Widerstandsmoment der Dreh-Neige-Achse ist stufenlos einstellbar, eine Fixierung ebenfalls. Zudem ist die Adaption an alle 48 mm Ø, GTN II und CP60/40 Tragarmsysteme verschiedener Hersteller möglich. Alle Anschlüsse und Schnittstellen des PCs sind nach eigenen Angaben leicht zugänglich und im großräumigen, verschließbaren Anschlussraum angeordnet. So sind sie sicher vor nichtautorisierten Personen geschützt. Mit Hilfe eines Speichermediums, welches sich im Anschlussraum des Tragarmsystems befindet, werden die Geräte-Kennung und/oder die Konfigurationsdaten der Bedienstation gespeichert. Bei einem Austausch der Bedieneinheit wird diese bei der Neuinstallation sofort an die jeweilige Station, mittels Datenübertragung Speichermedium/Schnellwechseladaption angemeldet. Somit ist die Bedieneinheit direkt wieder einsatzbereit und lange Produktionsausfallzeiten können vermieden werden. Serafin übernimmt WESO-Aurorahütte Die Gladenbacher Eisengießerei WESO-Aurorahütte gehört jetzt zum Münchener Familienunternehmen Serafin, die alle Anteile von der Viessmann Group in Allendorf (Eder) übernommen hat - vorbehaltlich der Zustimmung der Kartellbehörden. Die WESO-Aurorahütte gehört zu den großen deutschen Gießereien mit über 400 Mitarbeitern. Das Unternehmen aus dem hessischen Gladenbach ist spezialisiert auf die Herstellung hochwertiger Grauguss-Produkte. WESO war seit mehreren Jahrzehnten Teil der Viessmann Group und hat diese mit Gussteilen für die Heiztechnik beliefert. Auch zukünftig wird die Viessmann Group ein wichtiger Kunde für WESO bleiben. Darüber hinaus arbeitet die Gießerei bereits heute für namhafte Industriekunden aus unterschiedlichen Branchen. Sowohl bei der Viessmann Group als auch bei den bisherigen Drittkunden rechnet WESO mit weiteren Wachstumspotenzialen. Dabei wird der Fokus insbesondere auf dem weiteren Auf- und Ausbau des Drittkundengeschäfts liegen. Serafin ist eine diversifiziert aufgestellte Unternehmensgruppe, deren Philosophie auf die 150-jährige Unternehmertradition der Gesellschafterfamilie zurückgeht. Zu der 2010 gegründeten Münchener Gruppe gehören mittlerweile acht Firmen vom mittelständischen Werkzeuganbieter über einen Produzenten technischer Textilien bis hin zum Porzellanhersteller mit Umsätzen von 20 bis 130 Millionen Euro. Über die gesamte Gruppe hat Serafin im vergangenen Jahr einen Umsatz von 500 Millionen Euro erwirtschaftet. Foto: CRE Rösler Electronic Neue Keilspanner für sicheren Wechsel heißer Werkzeuge Eine neue Reihe doppeltwirkender Keilspanner von Roemheld (Hilchenbach) erleichtert den Wechsel von Werkzeugen bei der Halbwarm- und Warmumformung sowie an Gummiformpressen oder Spritzgussmaschinen. Die Elemente können bei Temperaturen von bis zu 250 C an der Spannstelle eingesetzt werden und halten auch starken Verschmutzungen stand. Dafür sorgen ein robuster Aufbau und eine Ölkühlung, die eine gleichbleibende Temperatur an den Dichtflächen der Hydraulikversorgung sicherstellt, so der Hersteller. Foto: Roemheld Das Element besteht aus einem hydraulischen Blockzylinder mit Kühlkreislauf und einem gehäusegeführten Spannbolzen mit einer Kontaktfläche, die um 20 geneigt ist. In Verbindung mit einem schrägen Werkzeugspannrand entsteht ein mechanischer Reibschluss, durch den Lasten sicher gehalten werden. Automatisierte Bewegungsabläufe beim Spannen und Lösen sorgen zusätzlich für eine hohe Betriebssicherheit. Optional lässt sich auch ein Spannbolzen mit zusätzlicher Sicherheitsstufe einsetzen, der unlängst von Roemheld patentiert wurde. Kommt es bei einem Oberwerkzeug zum Druckabfall, wird die Stufe formschlüssig gegen einen Adapter am Spannrand gedrückt. Mit den neuen Keilspannern richtet sich Roemheld besonders an Fertigungsunternehmen, bei denen herkömmliche Methoden der Automation aufgrund hoher Temperaturen und großer Verschmutzungen versagen. Statt manuell zu spannen und lange Wartezeiten in Kauf zu nehmen, weil ein Werkzeug vor dem Wechseln erst auskühlen muss, kann beim Einsatz von Keilspannern direkt gespannt und gelöst werden ein Knopfdruck genügt. Somit lassen sich Rüstzeiten teilweise um Stunden reduzieren. Neben den Keilspannern bietet Roemheld Wechselkonsolen und Transportwagen an, mit denen das Umrüsten bei heißen und schweren Werkzeugen zusätzlich vereinfacht wird. Der neue Roemheld-Keilspanner mit Kühlkreislauf lässt sich bei Temperaturen von bis zu 250 C an der Spannstelle einsetzen. 12

13 BRANCHEN-NEWS YXLON Mitglied der Additive Alliance des Fraunhofer IAPT Das Unternehmen YXLON International (Hamburg) wurde Mitglied bei der Additive Alliance, dem Industrie- und Forschungsnetzwerk zur Additiven Fertigung des Fraunhofer-Instituts IAPT (München). Gegründet im Jahr 2014 hat die Additive Alliance heute bereits über dreißig Mitglieder aus den unterschiedlichen Bereichen, die sich mit dieser neuartigen Fertigungstechnik beschäftigen: Ingenieure, die diese besonders leichtgewichtigen und in der Regel komplexen Produkte entwickeln und produzieren, Unternehmen aus Bei der Additive Alliance geht es um den Austausch von branchenübergreifenden Erfahrungen und gemeinsamer Forschung entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Foto: YXLON der Automobil- und Luftfahrtindustrie, die diese Produkte einsetzen, und Anbieter von 3D-Druckmaschinen in einer enormen Bandbreite. Als Hersteller von Röntgenund CT-Systemen, die für die Prüfung und Analyse verschiedenster Komponenten und Materialien entwickelt werden, kann YXLON mit seinen Erfahrungen in der Qualitätssicherung das Bild komplettieren und gleichzeitig von den Erkenntnissen aus Forschung & Entwicklung sowie der Anwendungsfelder von Additiver Fertigung profitieren. Rotamat R 60 von Walther Trowal: Kleine Chargen beschichten Auf der PaintExpo (17. bis 20. April 2018 in Karlsruhe) stellt Walther Trowal erstmals den neuen Rotamat R 60 für die Beschichtung von Massenkleinteilen vor. Er ermöglicht nach eigenen Angaben das effiziente Beschichten kleiner Mengen, unter anderem von metallischen Teilen mit entsprechend hohem spezifischem Gewicht. Obwohl er auf kleine Chargengrößen abgestimmt ist, bietet der R 60 den gesamten Funktionsumfang der großen Geschwister, so Walther Trowal. Mit dem neuen Rotamat R 60 erweitert das Unternehmen das Spektrum der Maschinen für die Beschichtung von Massenkleinteilen hin zu geringen Füllvolumina. So steht jetzt erstmals eine Anlage zur Verfügung, mit der auch kleine Füllvolumina von bis zu 15 l effizient beschichtet werden. Walther Trowal stellt auf der PaintExpo 2018 in Halle 2, Stand 2310, aus. Mit einem Trommeldurchmesser von 600 mm ist der Rotamat R 60 prädestiniert für Kunden, die generell kleine Chargen beschichten. Foto: Walther Trowal Reparaturen am Dosierofen senken Die Feuerfest-Auskleidung ist das Herzstück eines Ofens. Ihre Beschaffenheit trägt maßgeblich zur Energieeffizienz bei. Jedoch unterliegt sie dem Verschleiß und muss nach einiger Zeit erneuert werden. Im Normalfall bedeutet dies einen längeren Produktionsausfall und damit hohe Kosten für die Gießereien. StrikoWestofen (Gummersbach)bietet für diesen Fall ein neues Konzept an: Neben einer konventionellen Neuzustellung im Herstellerwerk bietet das Unternehmen auch vorgesinterte Feuerfestwechselteile für seine Westomat -Dosieröfen an. Die Vorteile: Ausbruch der alten Auskleidung und Einsatz des neuen Wechselteils können direkt vor Ort beim Kunden erfolgen. So entfallen lange Transportwege und selbst inklusive Aufheizphase sind nur sieben Werktage Anlagen-Ausfallzeit einzuplanen. Bei der Fertigung des Feuerfestwechselteils kommt nur Material zum Einsatz, das den neuesten technischen Erkenntnissen entspricht, teilte StrikoWestofen mit. So könne neben absoluter Druckdichtigkeit auch höchste mechanische Abriebfestigkeit sichergestellt werden. Da die Bauteile im StrikoWestofen-Werk bei rund 500 Grad vorgetrocknet werden, seien auch spätere Verunreinigungen der Schmelze durch Wasserstoff nahezu ausgeschlossen. Die Feuerfest-Auskleidung ist das Herzstück eines Ofens und trägt maßgeblich zur Energieeffizienz bei. Jedoch unterliegt sie dem Verschleiß und muss nach einiger Zeit erneuert werden. Fotos: StrikoWestofen HOHNEN & CO Giessereibedarf Modellbaubedarf Lipper Hellweg Bielefeld Telefon: / Fax: / Internet: info@hohnen.de 13

14 DRUCKGUSS Fertigungsverfahren Strukturbauteile Chancen und Herausforderungen Autor Lucas Schulte-Vorwick Strukturbauteile aus Leichtmetalldruckguss sind ein zentraler Bestandteil der Karosserie und leisten einen erheblichen Beitrag zur Leichtbaustrategie. Um auch künftig wettbewerbsfähig im Vergleich mit neuen Technologien wie dem Additive Manufacturing zu sein, bedarf es neuer Konzepte für die Strukturbauteile der nächsten Generation. Die drei Hauptanforderungen dabei lauten: Gewichtsreduzierung, Kostensenkung und Flexibilitätssteigerung. Vor dem Hintergrund zunehmender Komplexität und Vernetzung des Herstellprozesses können eine effiziente Prozessentwicklung und ein reibungsloser Produktanlauf nur mit dem konsequenten Einsatz von Simulation und intelligenten Auswertetools zur Fehlersuche und -behebung gelingen. Schlagworte: Druckguss, Leichtmetallguss, Simulation, Strukturbauteile Structural Components Chances and Challenges Structural components made of light metal die casting are a central component of the chassis and make a significant contribution to the lightweight strategy. In order to remain competitive in the future in comparison with new technologies such as Additive Manufacturing, new concepts are needed for the structural components of the next generation. The three main requirements are: weight reduction, cost reduction and increased flexibility. Against the background of increasing complexity and networking of the manufacturing processes, an efficient process development and a smooth product start-up can only succeed with the consistent use of simulation and intelligent evaluation tools for troubleshooting. Keywords: die casting, light metal casting, simulation, structural components Im Zug der öffentlichen Debatte um den Dieselantrieb wird in Politik und Gesellschaft viel über die Zukunft des Verbrennungsmotors und der Elektromobilität diskutiert. In Deutschland stehen Fahrverbote für dieselbetriebene Fahrzeuge älterer Generationen in Innenstädten im Raum. Großbritannien plant ab 2050 keine neuen PKW mit Verbrennungsmotor mehr zuzulassen, Frankreich ab 2040 und die Niederlande sogar bereits ab 2035 [1]. Bis es soweit ist, soll der Umstieg auf Elektrofahrzeuge mit Kaufprämien, Steuererleichterungen [2] und anderen Anreizen wie zum Beispiel reduzierten Parkgebühren beschleunigt werden [3]. Gleichzeitig soll in vielen Städten der lokal emissionsfreie ÖPNV weiter vorangetrieben werden. Die chinesische Stadt Shenzhen beispielsweise hat bereits all ihre Busse auf E-Antrieb umgestellt [4]. Ebenso präsent und viel diskutiert wie die Frage nach dem Antrieb der Zukunft sind die Themen autonomes Fahren und vernetzte Mobilität, denen mittelfristig eine große Bedeutung zukommen wird. Auch wenn der Fokus aktuell auf diesen Themen liegt, darf eines nicht vergessen werden: Unabhängig davon wie das Auto der Zukunft angetrieben wird und ob dann noch ein Mensch am Steuer sitzt oder autonom an sein Ziel gefahren wird, auch das Fahrzeug der Zukunft wird eine irgendwie geartete Karosserie benötigen. Und auch hier muss und wird die Entwicklung weitergehen. Bezahlbarer Leichtbau Ein ganz entscheidender Aspekt ist und bleibt dabei das Thema Leichtbau in der Karosserie und hier insbesondere der Einsatz von Strukturbauteilen aus Leichtmetalldruckguss. Bestand die Karosserie anfangs aus zusammengeschweißten Stahlprofilen und -blechen wurde der Stahl im Zuge der Leichtbauinitiative sukzessive durch andere Materialien wie zum Beispiel Aluminium substituiert die Hybridbauweise in der Karosserie war geboren. Berücksichtigt man jedoch die ISO-Steifigkeit, so stößt die reine Materialsubstitution recht bald an Grenzen. Nur durch anforderungsgerecht partiell verstärkte bzw. ausgedünnte Wanddicken lässt sich das Gewicht noch weiter reduzieren. Dies gelingt mit dem Einsatz integrativer Gussbauteile in strukturellen Anwendungen [5]. Neben der Gewichtsreduzierung eröffnet sich damit auch ein erweiterter geometrischer Gestaltungsspielraum, der die Integration einer Vielzahl verschiedener Funktionen ermöglicht. Auch für die nächste Generation der Strukturbauteile gibt es verschiedene Ansätze, um bestehenden und neuen Anforderungen noch besser gerecht zu werden. Um die damit verbundenen Chancen voll ausschöpfen zu können, müssen jedoch zunächst auch Herausforderungen gemeistert werden. Neue Herausforderungen Die Entwicklung und Produktion ist insofern herausfordernd, als dass dabei drei wesentliche Anforderungen zu berücksichtigen sind. Die erste betrifft die weitere Reduzierung des Fahrzeug-gewichts. Dies ist einerseits zur Erreichung der gesetzlichen Vorgaben in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Emissionen aber auch vor dem Hintergrund einer guten Fahrdynamik er-forderlich. Im Zuge der Elektrifizierung der Fahrzeugflotten werden in den nächsten Jahren immer mehr Hybridfahrzeuge auf die Straße drängen. Diese verfügen neben dem herkömmlichen Verbrennungsmotor zusätzlich über einen Elektroantrieb inklusive eines Energiespeichers. Dieser zusätzliche Antrieb bringt ein Mehr an Gewicht mit sich, das es an anderer Stelle einzusparen gilt, um das Fahrzeuggesamtgewicht nicht übermäßig ansteigen zu lassen. Eine weitere Herausforderung, die sich aus der Elektrifizierung ergibt, besteht in der Schaffung von zusätzlichem Bauraum. E-Antrieb und Batterie müssen schließlich in die existierende Fahrzeugarchitektur integriert werden, ohne dabei Komforteinbußen wie z.b. ein geringeres Kofferraumvolumen hinnehmen zu müssen. Als zweite Anforderung ist die Senkung der Herstellkosten zu nennen. Um nach 14

15 Fertigungsverfahren DRUCKGUSS Bild 1: Wertstrom zur Herstellung aktueller Strukturbauteile. Fotos: Schulte-Vorwick wie vor attraktive Produkte zu attraktiven Preisen anbieten zu können, müssen Kosten reduziert werden. Dabei gilt es, die gesamte Wertschöpfungskette im Blick zu behalten. Nicht die lokal günstigste sondern die über den gesamten Wertstrom günstigste Lösung ist anzustreben. Zu guter Letzt gilt es die Flexibilität zu steigern. Gerade die Diskussion um den Dieselantrieb hat gezeigt, wie volatil die Nachfrage sein kann. Auf solche Schwankungen muss künftig noch flexibler und besser reagiert werden können. In diesem Umfeld wird sich die Entwicklung der Strukturbauteile der nächsten Generation bewegen. Das übergeordnete Ziel dabei lautet: Bezahlbarer Leichtbau auf Komponentenebene aber vor allem über den gesamten Wertstrom hinweg. Strukturbauteile der nächsten Generation Um dieses Ziel zu erreichen, erscheinen zwei Stoßrichtungen geeignet: die Entwicklung neuer Konzepte für Strukturbauteile der nächsten Generation und der dafür erforderlichen Herstellverfahren sowie die Digitalisierung des Entwicklungs- und Herstellprozesses. Bild 1 zeigt den Wertstrom zur Herstellung aktueller Druckgussstrukturbauteile am Beispiel einer Federbeinstütze, angefangen mit dem Druckgießprozess bis hin zum Rohbau. Für die Strukturbauteile der nächsten Generation sind verschiedene Ansätze denkbar, um die eingangs aufgezeigten Ziele zu erreichen. So hat eine weitere, lokale Reduzierung der Wandstärke das Potenzial, die Forderung nach einer zusätzlichen Gewichtsreduzierung zu erfüllen. Liegen die aktuell prozesssicher herstellbaren Wandstärken bei Strukturbauteilen aus Leichtmetalldruckguss zwischen 2,5 mm und 3,0 mm, so muss das Ziel die Reduzierung auf unter 2,0 mm sein. Wenn dies reproduzierbar möglich ist, kann die Wandstärkengestaltung der Strukturteile noch lastgerechter erfolgen. Das dabei eingesparte Material zahlt zu 100 % in die Gewichtsreduzierung der Komponente ein. Gleichzeitig trägt dies zu einer Reduzierung der Material- und Energiekosten bei. Denn diese machen ungefähr 50 % der Bauteilgesamtkosten aus. Allein durch die Reduzierung des Gewichts um ein Prozent lassen sich die Herstellkosten somit um etwa 0,5 % senken. Den genannten Chancen stehen jedoch auch Herausforderungen gegenüber. So bergen dünne Wandstärken insbesondere in Verbindung mit langen Fließwegen immer die Gefahr von Kaltläufen. Dem kann man jedoch mit einer gezielten Anschnittgestaltung und unter Verwendung eines Dreiplattenwerkzeugs sowie einer konturnahen Temperierung entgegenwirken. Die Wandstärkenreduzierung wirkt sich jedoch nicht nur auf den Gießprozess sondern auch auf die in Bild 1 dargestellten Folgeprozesse aus. Schon jetzt wird ein hoher Aufwand bei der Auslegung des Wärmebehandlungsprozesses und der Glühgestelle betrieben, um einen unzulässigen Bauteilverzug infolge von Kriechvorgängen während des Lösungsglühens zu vermeiden oder zumindest zu begrenzen. Lokal noch dünnere Wandstärken werden dieses Verhalten wahrscheinlich noch verstärken. Der Einfluss von Ungänzen wie Oxiden, Luft- und Trennmitteleinschlüsse auf die Festigkeit wird bei dünneren Wandstärken noch stärker ins Gewicht fallen. Insbesondere die Blisterbildung infolge der Ausdehnung der beim Abguss eingeschlossenen Gase während der Wärmebehandlung muss vermieden werden. Mit einer reduzierten Sollwandstärke werden auch geringere Wandstärkentoleranzen einhergehen. Die sich daraus ergebende Mindestwandstärke gilt es auch nach einem Schleifprozess in jedem Falle einzuhalten. Dafür ist ein möglichst definierter und prozesssicherer Materialabtrag erforderlich, der mit einer geeigneten Messmethode schnell und unkompliziert direkt in der Produktion überprüft werden kann. Wandstärken optimieren und Bauraum gewinnen Neben der Gewichtsreduzierung spielt aber auch die Reduzierung des erforderlichen Bauraums der Strukturbauteile eine wichtige Rolle für die Fahrzeugkonzepte der nächsten Generation. Mehr Gestaltungsspielraum im Package bei gleicher Steifigkeit lautet hier die Devise. Dies kann beispielsweise mittels einer Hybridisierung der bis dato monolithen Strukturbauteile erreicht werden. Durch das Eingießen eines Stahlinserts lässt sich eine lokale Versteifung erzielen, während gleichzeitig auf eine Wandstärkenaufdickung oder den Einsatz von Versteifungsrippen zugunsten eines geringeren Bauraumbedarfs verzichtet werden kann. Auch wenn diese Maßnahme zur Steigerung der Bauteilsteifigkeit in Bezug auf das Bauteilgewicht schlechter ist als eine 15

16 DRUCKGUSS Fertigungsverfahren konventionelle Verstärkung mittels Gussrippen, so spielt sie ihren Vorteil umso mehr bei begrenztem Bauraum aus. Die Hybridbauweise hält damit auch auf Komponentenebene Einzug [6]. Der nächste Lösungsansatz zielt auf eine Senkung der Herstellkosten ab. Wie eingangs bereits erwähnt, gilt es die über den gesamten Wertstrom hinweg günstigste Lösung zu finden. So auch in Bezug auf die Fügetechnik. Bedingt durch die Integralbauweise mit Guss wurden im Rohbau neue Investitionen und Prozessanpassungen nötig, schließlich war das Fügen von Stahl-Stahl- Verbindungen mittels Widerstandspunktschweißen bis dato die bevorzugte Technik. Ein Lösungsansatz, um diese Kosten und den hohen Bedarf an Produktionsfläche einzusparen, sieht nun vor, Stahlflansche an die Aluminiumgussbauteile zu fügen und dies bereits beim Gießer und nicht erst im Rohbau. So könnte im Rohbau nach wie vor konventionell mittels Widerstandspunktschweißen Stahl mit Stahl gefügt werden, weil die Anbindungspunkte jeweils in Stahl vorliegen [7]. Die Gießerei würde lediglich einen Hybrid-Unterzusammenbau statt eines reinen Aluminiumstrukturbauteils fertigen. Der bestehende Anlagenpark im Rohbau könnte für neue Bauteilgenerationen wiederverwendet werden, ohne Einschränkungen bei der Materialauswahl hinnehmen zu müssen. So ließen sich die Investitionen im Rohbau erheblich reduzieren, bei gleichzeitig geringfügig höheren Investitionen auf Seiten der Gießerei. Mit dem Wechsel des Fügeverfahrens vom Stanznieten zurück zum herkömmlichen Widerstandspunktschweißen könnte gegebenenfalls auch ein Entfall der kosten- und ressourcenintensiven Wärmebehandlung einhergehen. Denn wenn weder für die Crashsicherheit im Fahrzeug noch für den Fügeprozess ein gegenüber dem Gusszustand erhöhtes Formänderungsvermögen erforderlich ist, kann auf die Wärmebehandlung verzichtet werden. Effiziente Prozessentwicklung, -überwachung und -steuerung Um all diese Innovationen erfolgreich in Serie zu bringen, muss auch die Prozessentwicklung auf dem neuesten Stand der Technik sein. Ein bewährtes Mittel ist der Einsatz numerischer Simulation, deren Bedeutung weiter zunehmen wird, besonders vor dem Hintergrund kürzerer Entwicklungszyklen und der zunehmenden Substitution von Hardwarebaugruppen durch virtuelle Baugruppen. Der Einsatz von diversen Simulations-, Optimierungs- und Auswertetools dient dem Ziel einer effizienten Prozessentwicklung, -überwachung und -steuerung. Gieß-, Spannungs- und Verzugssimulation sind mittlerweile Stand der Technik. Doch auch bei der effizienten Entwicklung neuer Prozesse - etwa wie der eines Richtprozesses - kann die numerische Simulation unterstützen. Eine Vielzahl von Strukturbauteilen, insbesondere wenn diese eine Wärmebehandlung erfahren, müssen anschließend einem Richtprozess unterzogen werden, um die hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit prozesssicher einhalten zu können. Die Auslegung dieses Prozesses und der dafür erforderlichen Anlagentechnik ist bisher stark empirisch. Um die technische und betriebswirtschaftliche Planungssicherheit in Bezug auf die Integration eines solchen Richtprozesses zu steigern, wird in der Leichtmetallgießerei der BMW Group zurzeit eine Richtsimulation etabliert. Vorteile der Richtsimulation Die Richtsimulation bietet in den verschiedenen Phasen des Produkt-Entstehungsprozesses folgende Chancen: Bereits in der frühen Phase, wenn das Bauteil physisch noch nicht vorliegt, lässt sich mit Hilfe der Richtsimulation ein Grundverständnis für das Richtverhalten und die Wirkzusammenhänge gewinnen. Darauf aufbauend kann der gesamte Richtvorgang virtuell abgesichert werden, um so mit einem deutlich höheren Reifegrad in die physische Inbetriebnahme zu starten und diese bisher kosten- und zeitintensive Phase zu verkürzen. Die Richtsimulation kann aber auch zur Problemlösung im Serienbetrieb beitragen. Statt wie bisher die Fehlersuche und -lösung vor Ort an der Richtanlage durchzuführen und dabei möglicherweise die Produktion zu behindern, kann das Problem virtuelle nachgestellt und analysiert werden. Die mit Hilfe der Simulation gefundene Lösung wird anschließend virtuell abgesichert und schließlich in die Produktion übernommen. Die virtuelle Entwicklung eines solchen Richtprozesses gliedert sich in drei Schritte. Ausgangslage ist dabei die bereits etablierte Spannungs- und Verzugssimulation für den geplanten Herstellprozess ohne Richten. Hier werden nicht nur die einzelnen Idealprozesse betrachtet, sondern auch gerade noch zulässige Prozessschwankungen, die sich auf die Maßhaltigkeit auswirken. Diese Simulationen liefern somit ein gutes Gesamtbild des Verzugsspektrums qualitativ und quantitativ. Anhand verschiedener Kriterien kann nun über die Notwendigkeit eines Richtprozesses und dessen effiziente Integration in den Wertstrom entschieden werden. Bevor der Richtprozess zur Korrektur eines konkreten Verzugs virtuell ausgelegt werden kann, wird zunächst das generelle Richtverhalten des Bauteils untersucht. Darauf aufbauend kann eine bauteilspezifische und wertschöpfungsorientierte Richtstrategie definiert werden. Diese umfasst die Definition der Richtpunkte, die Richtreihenfolge und den Einsatz von Gegenhaltern. Mithilfe der Richtsimulation wird außerdem der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf das Richtverhalten untersucht, um anschließend den meist mehrstufigen Richtvorgang zur Korrektur eines konkreten Bauteilverzugs virtuell abzusichern. Dazu zählt auch die Definition von Prozessfenstern, in denen sich Richtkraft und Richthub bewegen dürfen, um eine Schädigung des Bauteils in jedem Falle auszuschließen. Alle im Rahmen der virtuellen Entwicklung gewonnenen Erkenntnisse sollen schließlich in die Anlagenentwicklung und Inbetriebnahme einfließen. So kann die Anlagentechnik bedarfsgerecht ausgelegt und eine möglichst kurze Inbetriebnahmephase realisiert werden. Am Beispiel des Richtprozesses wird deutlich, dass nur durch den konsequenten Einsatz von numerischer Simulation eine Verkürzung des ItO-Prozesses möglich ist und Kosten gesenkt werden können. Neben den klassischen Simulationstools hält seit einiger Zeit auch vermehrt der Einsatz von Optimierungssoftware Einzug in die Prozessentwicklung. Sei es zur Optimierung einer Schusskurve im Druckguss, um Fehler wie Lufteinschlüsse oder eine zu geringe Schmelzetemperatur zu vermeiden, oder die Optimierung der Gießlaufgeometrie mit dem Ziel eines möglichst synchronen Schmelzeeintritts in die Kavität. Die Funktionalität der inversen Optimierung bietet zudem die Möglichkeit, Simulation und Realität immer wieder ab- und anzugleichen. So lassen sich beispielsweise Stoffwerte wie Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeübergangskoeffizienten ermitteln. Diese und viele andere Funktionen unterstützen dabei, ein noch besseres und breiteres Verständnis für die Prozesse zu bekommen. Digitalisierung Ein weiteres Feld, das immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Datenanalyse. Im Zuge der Digitalisierung lässt sich mittlerweile eine Vielzahl von Pro- 16

17 Fertigungsverfahren DRUCKGUSS Bild 2: Vergleich des NIO-Anteils beim 1. Richtversuch in Abhängigkeit von der Glühgestellposition vor und nach deren Nachjustierung. Bild 3: Vision von Advanced Analytics. zessdaten erfassen. Diese gilt es gezielt auszuwerten und die gewonnenen Erkenntnisse für eine Steigerung von Qualität und Effizienz sowie zur Kostensenkung nutzbar zu machen. Oftmals reicht allein eine smarte Datenanalyse aus, um Fehler und Ausschuss zu reduzieren. Exemplarisch sei hier ein Problem aus der Produktion eines Strukturbauteils genannt. Um die engen Maßtoleranzen an allen relevanten Punkten des betrachteten Strukturbauteils sicherzustellen, wird dieses nach der Wärmebehandlung einem vollautomatisierten Richtprozess unterzogen. Dabei kam es sporadisch zu einem erhöhten Richtausschuss. Ursächlich dafür war entweder ein zu großer Anfangsverzug, der außerhalb des richtbaren Bereichs lag, oder die Maßhaltigkeit konnte nicht in der geforderten Taktzeit eingestellt werden. Dies wiederum hat zu einem erhöhten Handrichtaufwand geführt. Für jedes Bauteil wird eine Vielzahl von Prozessparametern unter anderem auch das Glühgestell und die Position des Bauteils darin erfasst. Die Auswertung des Handrichtbedarfs in Abhängigkeit von dieser Glühgestellposition hat schließlich gezeigt, dass nur einzelne Bauteilauflagen für diese NIO-Teile verantwortlich waren. Diese wurden nachjustiert und der NIO- Anteil beim 1. Richtversuch konnte zum Teil erheblich gesenkt werden, wie Bild 2 zeigt. In diesem konkreten Anwendungsfall ließen sich mithilfe der Datenanalyse gezielte Maßnahmen definieren und somit Handrichtbedarf und Richtausschuss reduzieren sowie die Anlagenausbringung steigern. Diese Auswertung wird mittlerweile regelmäßig durchgeführt, um rechtzeitig und gezielt auf eine nicht ideale Einstellung der Glühgestelle reagieren zu können. Der NIO-Anteil beim ersten Richtversuch konnte so nachhaltig reduziert werden. Die nachgelagerte Datenauswertung, um Fehler und Probleme nachvollziehen und beheben zu können, darf jedoch nur der erste Schritt sein. Das mittelfristige Ziel muss darin bestehen, Probleme vorherzusehen und durch geeignete Maßnahmen zu vermeiden. Dabei kann eine modellgestützte Prozessüberwachung in Verbindung mit einem Optimierer unterstützen. Für jedes Bauteil sind alle zur Verfügung stehenden Daten in einer zentralen Datenbank zu speichern. Auf dieser Basis werden mit Methoden des maschinellen Lernens Modelle trainiert, die die komplexen Zusammenhänge zwischen Prozessdaten und Qualität selbständig erlernen. Damit können in Verbindung mit der Simulation Veränderungen in der Bauteilqualität und Trends rechtzeitig erkannt werden. Mithilfe von Optimierungsalgorithmen sollen Lösungen für die sich anbahnenden Problemstellungen entwickelt werden, die ihren Weg direkt wieder in den Produktionsprozess finden sollen. Für die Zukunft wird es entscheidend sein, Prozesse nicht nur zu überwachen und auf unzulässige Abweichungen zu reagieren, sondern proaktiv einzugreifen, wenn Prozesse oder einzelne Parameter einen zuvor definierten Korridor zu verlassen drohen. Diese Art des Umgangs mit Daten und Informationen ist ein erster Ausblick auf das, was zumeist unter den Begriffen Industrie 4.0 und Digitalisierung subsummiert wird. Aber nicht nur im Produktionsalltag sondern auch in der Planungsphase nimmt die Komplexität zu. Die Leichtmetallgießerei der BMW Group sieht sich zunehmend mit steigender Varianz bei Produkt-, Prozess-, Werkzeug- und Logistikanforderungen konfrontiert. Gleichzeitig gilt es innovative und disruptive Produkte und Fertigungsverfahren in bestehende, kapazitiv begrenzte Anlagen zu integrieren. Kürzere Lebenszyklen und Realisierungszeiten erfordern eine frühzeitige Produktionsabsicherung. Ferner ist ein steigender Automatisierungsgrad zu verzeichnen. Um all diesen Randbedingungen und Anforderungen gerecht zu werden, bedarf es einer ganzheitlichen, virtuellen Produktions- und Fabrikplanung. Denn nur so lassen sich ein realitätsnahes Abbild der komplexen Fertigungsprozesse zeichnen und potenzielle Ablaufprobleme frühzeitig aufdecken. Führt man sich die drei eingangs genannten Anforderungen an künftige Strukturbauteile nochmals vor Augen, wird deutlich, wie wichtig eine durchgängige, transparente Wertstrom- und Kapazitätsplanung vor allem für die Flexibilitätssteigerung ist. Vor dem Hintergrund immer kürzerer Realisierungszeiten kommt auch der virtuellen Inbetriebnahme zunehmende Bedeutung zu. Die Digitalisierung muss 17

18 DRUCKGUSS Fertigungsverfahren den gesamten Produktentstehungsprozess durchdringen. Zusammenfassung Strukturbauteile aus Leichtmetalldruckguss werden auch weiterhin ein zentraler Bestandteil der Leichtbaustrategie sein. Eine weitere gezielte Wandstärkenreduzierung hat das Potenzial, die Forderung nach noch mehr Gewichtsreduzierung zu erfüllen und damit einen Beitrag zum Erfolg der E-Mobilität zu leisten. Die Hybridisierung der Strukturbauteile eröffnet neue Möglichkeiten in der Packagegestaltung, ohne dabei Steifigkeitseinbußen hinnehmen zu müssen. Eine Rückbesinnung auf das Widerstandspunktschweißen Stahl mit Stahl als primärer Fügetechnik ist ein vielversprechender Ansatz, um Kosten im Karosseriebau einzusparen. Mit dem Fügen von Stahlflanschen an die Aluminiumstrukturbauteile bereits beim Gießer sind die nötigen Rahmenbedingungen dafür geschaffen. Gleichzeitig nehmen Komplexität und Vernetzung der Herstellprozesse zu. Dabei ist die Simulation ein zentraler Befähiger für eine effiziente Prozessentwicklung und einen reibungslosen Produktanlauf. Mit dem Einsatz intelligenter Auswertetools zur Analyse großer Datenmengen lassen sich Probleme gezielt analysieren und lösen. Nur mit einer durchgängigen, virtuellen Produktionsplanung kann in Zukunft noch flexibler und schneller auf eine volatile Nachfrage reagiert werden (Bild 3). Auch wenn viele neue Ansätze existieren, die den Fortbestand der Gussteile als zentralem Bestandteil von Antrieb und Fahrwerk sichern sollen, darf die rasche Entwicklung auf dem Gebiet des Additiv Manufacturing als Alternative zum Gießen nicht außer Acht gelassen werden. Hier eröffnen sich neue Möglichkeiten, technisch wie betriebswirtschaftlich. Literatur [1] Marx, A.: In diesen Ländern sollen bald keine Autos mit Diesel- und Benzinmotoren mehr fahren [online]. Huffingtonpost. Verfügbar unter: de/2017/07/27/in-diesen-landern-sollenbald-keine-autos-mit-diesel-und-benzinmotoren-mehr-fahren_n_ html, 8. August 2017 [2] BUNDESREGIERUNG, Weitere Steuervorteile für Elektroautos [online]. Verfügbar unter: de/content/de/artikel/2016/05/ elektromobilitaet.htm [3] BUNDESREGIERUNG, Vorteile für Elektroautos [online]. Verfügbar unter: Artikel/2015/03/ elektromobilitaetsgesetz-bundesrat-beschluss.html [4] Pluta, W.: Shenzhen elektrifiziert den Personennahverkehr [online]. Verfügbar unter: [5] Ségaud, J.-M.: Funktionsintegration bei gegossenen Fahrwerksteilen. Chancen und Grenzen. Magdeburg. VDI-Tagung Gießen von Fahrwerks- und Karosseriekomponenten.7. Februar [6] Schnittenhelm, D., Burblies, A., Busse, M.: Stahlverstärkter Aluminiumguss [online]. Forschung im Ingenieurwesen, ISSN Verfügbar unter: doi: / s , 2018 [7] Senff, M., Ségaud, J.-M.: Karosserieleichtbau in Al-Stahl-Mischbauweise. Fügetechnisch optimierte Integration von Al-Guss in Rohbauprozessen durch hybride Unterzusammenbauten. Esslingen. VDI-Tagung Gießen von Fahrwerks- und Karosse-riekomponenten. 22. Februar 2018 i Lucas Schulte-Vorwick, BMW Group, Leichtmetallgießerei, Landshut EIN MUSS FÜR DEN DRUCKGUSS Dr.-Ing. Boris Nogowizin ist durch seine langjährige Erfahrung und intensive Forschung ein äußerst versierter Spezialist auf dem Gebiet des Druckgießverfahrens. Sachkundig und detailliert beschreibt er in diesem Handbuch sämtliche Zusammenhänge und Komponenten, die das Druckgießverfahren beinhalten. (...) Dem fachkundigen Leser werden in diesem Buch nützliche Lösungen angeboten, die in der Praxis als konstruktives Hilfsmittel für die Auslegung und Berechnung von Druckgießformen und Druckgießmaschinen dienen sollen. GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011) 997 Seiten, zahlreiche Abbildungen und Tabellen, gebunden ISBN ,00 Gleich bestellen: Tel.: service@schiele-schoen.de 18

19 Quarzsand FORMSTOFFE Die Bestimmung der granulometrischen Eigenschaften von Gießereisanden mittels dynamischer Bildanalyse Autoren Victória Dargai, Hartmut Polzin, László Varga Die granulometrischen Eigenschaften von Gießereisanden mit verschiedenen Korngrößen und Kornstrukturen wurden mit der Standard-Korngrößenbestimmung und der dynamischen Bildanalyse untersucht. Die Ergebnisse beider Untersuchungsmethoden wurden verglichen und die Gründe für bestehende Unterschiede ermittelt. Schlagworte: Siebanalyse, granulometrische Eigenschaften, Bildanalyse, Gießereisand The Determination of the Properties of Foundry Sands with dynamic Spectral Analysis The granulometric properties of foundry sands with different grain sizes and granular structures were determined using standard grading analysis and dynamic spectral analysis. The results of the two analyses were compared and the reasons behind their differences were revealed. Keywords: sieve analysis, granulometric properties, spectral analysis, foundry sand Die wichtigsten Eigenschaften eines Gießereisandes sind die Korngröße und die Korngrößenverteilung. Diese granulometrischen Kennwerte werden von den Gießereien beim Einkauf des Grundstoffes berücksichtigt, bzw. stehen sie während des gesamten Produktionsprozesses unter Kontrolle. Die Bestimmung dieser Kennwerte erfolgt durch unterschiedliche Messmethoden, wie zum Beispiel Trockendispergierung oder Laserbeugung [1]. Bei der Trockendispergierung unterscheidet man die normgerechte Kornanalyse, die so genannte Siebanalyse und die Bestimmung der Korngrößenverteilung mittels Bildanalyse. Die Charakterisierung der Gießereisande mit Bildanalyse ist eine noch neue Methode, ihr Funktionsprinzip weicht von der normgerechten Siebanalyse ab. Gießereien, die wirtschaftlich und effizient produzieren wollen, sollten immer auf dem neuesten Stand der Technik sein und diese nach Möglichkeit anwenden. Normgerechte Siebanalyse Bei der normgerechten Siebanalyse verwendet man 50 g losen Sand. [2] In Tabelle 1 werden die unterschiedlichen anwendbaren Kornklassen zusammengefasst (nach DIN ISO 3310). Durch die Auswertung der Siebanalyse ergibt sich die Möglichkeit unterschiedliche Sandparameter zu bestimmen. Die graphische Darstellung der Verteilungssummenkurve der Korngrößenverteilung erfolgt vorwiegend im linear-logarithmisch geteilten Netz [3, 4]. Die Mengenverteilungssummenkurve ist in Bild 1 dargestellt. Hierzu wird in der geteilten Abszissenachse von links nach rechts die lichte Maschenweite d (mm) der Prüfsiebe und auf der linear geteilten Ordinatenachse von unten nach oben der zugehörige Siebdurchgang in Masse % aufgetragen. Der zu einem Siebdurchgang 50% zugehörige Abszissen-Wert wird als mittlere Korngröße MK (mm) bezeichnet. Der prozentuale Masseanteil an Körnern zwischen den Korngrößen 4 3 MK und 2 MK wird als 3 Gleichmäßigkeitsgrad GG bezeichnet. Mit Formel 1 rechnet man den Gleichmäßigkeitsgrad: GG = 4 3 MK 2 3 MK Tabelle 1: Die anwendbaren Kornklassen bei der Siebanalyse [3] 100 Kornklasse (mm) 1,400 < 1,400 1,000 1,000 0,710 0,710 0,500 0,500 0,355 0,355 0,250 0,250 0,180 0,180 0,125 0,125 0,090 0,090 0,063 < 0,063 Durchgang in Masse-% ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 lichte Maschenweite d [mm] Bild 1: Summenkurve der Korngrößenverteilung [3, 4] 19

20 FORMSTOFFE Quarzsand Kamera Bild 4: Fritsch Analysette 28 Image Sizer [9] statische Partikel Objektfeld Bild 2: Schematische Darstellung der statischen Bildanalyse [6] Kamera Bild 5: Die Auswertung mit ISS [10] Objektträger Partikelstrom frei bewegliche Partikel Geschwindigkeit v Bild 3: Die schematische Darstellung der dynamischen Bildanalyse [6] Die Partikelcharakterisierung mit Bildanalyse Die automatisierte Bildanalyse ist eine direkte Technik mit hoher Auflösung zur Charakterisierung von Partikeln hinsichtlich z. B. Aggregatform, Bruchbild, Verunreinigungen, usw. [5]. Im Gegensatz zur Laserbeugung, bei der die Korngrößenverteilung durch das charakteristische Bild eines Partikelkollektivs bestimmt wird, erfasst die Bildanalyse die physikalischen Eigenschaften jedes einzelnen Partikels [6]. Bei der Bildanalyse unterscheidet man grundsätzlich zwischen statischer und dynamischer Bildanalyse. Die statische Bildanalyse ist aus der Mikroskopie bekannt (nach ISO ). In diesem Fall werden die Sandkörner auf einen Projektträger gelegt, deren Bild über eine Kamera erfasst und die Größen der einzelnen, statisch liegenden (nicht bewegten) Partikel bestimmt werden. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sich die Partikel durch die Schwerkraft ausrichten. So lassen sich Längenverhältnisse nadelförmiger Partikel gut damit messen. Die Partikel liegen dabei gut kontrolliert im Tiefenschärfebereich ( ) der abbildenden Optik. Nachteilig ist hier die sehr geringe Probenmenge. Je nach Art und Vorbereitung der Probe besteht weiterhin die Gefahr, dass größere Partikel Bild 6: Mittlere Korngröße MK mit der Siebanalyse und mit Analysette 28 kleinere überlagern. In der Regel können nur einige Partikel pro Bild erfasst werden, wodurch die statistische Relevanz der Ergebnisse stark eingeschränkt wird. In Bild 2 sieht man die schematische Darstellung der statischen Bildanalyse [1, 6]. Bei der dynamischen Bildanalyse (nach ISO ) werden die Partikel in oder auf einem Medium an einer fest positionierten Kamera mit bestimmter Geschwindigkeit v vorbeigeführt. Durch geeignete Verdünnung können überlappende Partikel weitgehend vermieden werden. Es lassen sich wesentlich größere Probenmengen erfassen, welches die statistische Relevanz der Ergebnisse deutlich verbessert. Die Ausrichtung der Partikel ist jedoch willkürlich. Der Tiefenschärfebereich ( ) ist in der Regel größer als bei der statischen Bildanalyse. Am gebräuchlichsten ist heute die 2-dimensionale Erfassung der Projektionsflächen der Partikel. Die schematische Darstellung der dynamischen Bildanalyse sieht man in Bild 3 [1, 6]. 20

21 Quarzsand FORMSTOFFE Fritsch Analysette 28 der dynamische Bildanalyser Das Funktionsprinzip des Messgerätes ist die dynamische Bildanalyse und es eignet sich für die Bestimmung der Korngröße und Kornform einzelner Sandpartikel. Die aufgenommenen Bilder werden mittels einer Image Sizing Software (ISS) ausgewertet (siehe Bild 5). Es gibt die Möglichkeit das Verhältnis von Bild (maximal 75) zu Sekunde beliebig einzustellen, sodass die Genauigkeit der einzelnen Messungen verbessert werden kann. Messungen sind in einem Partikelgrößenbereich von 20 μm 20 mm möglich. Durch die aufgenommenen Bilder kann man die Kornform und den Formfaktor der Sandpartikel bestimmen [7, 8, 9, 10]. Das Messgerät Fritsch Analysette 28 zeigt Bild 4. Die Ergebnisse der Siebanalyse im Vergleich zur dynamischen Bildanalyse In Versuchen wurden Sandproben mit unterschiedlichen Kornverteilungen und Korngrößen untersucht. Die Analysen wurden sowohl mittels Siebanalyse (Kornklasse in Tabelle 1) als auch mit dem Analysette-28-Messgerät durchgeführt. Das Ziel der Untersuchungen war die Bestimmung einer eventuellen Abweichung der gemessenen granulometrischen Parameter zwischen der Siebanalyse und der dynamischen Bildanalyse. Die berechneten mittleren Korngrößen der unterschiedlichen Sandproben sind in Bild 6 dargestellt. Mit der Siebanalyse und mit dem Analysette-28-Messgerät wurden die granulometrischen Kennwerte von Sandproben gemessen, und Summenkurven aufgenommen. Die berechnete mittlere Korngröße zeigt eine Abweichung von 0 % bis 17 % (Bild 8). Die mit der dynamischen Bildanalyse bestimmte mittlere Korngröße ist bei fast allen Sandproben kleiner als bei Bestimmung mittels Siebanalyse (Bild 6). In Bild 7 ist der Gleichmäßigkeitsgrad von den unterschiedlichen Sandproben dargestellt. Der Gleichmäßigkeitsgrad wird ebenfalls aus der Summenkurve mit Formel 1 berechnet. Die Werte zeigen eine Abweichung zwischen 2 % und 30 % (Bild 8). Mit dem über die dynamische Bildanalyse bestimmten Gleichmäßigkeitsgrad ist bei fast allen Sandproben der berechnete Gleichmäßigkeitsgrad kleiner als mit der Siebanalyse (Bild 7). Die Abweichungen kann man auf die Inhomogenität der Sandproben und auf den Unterschied zwischen den beiden Messmethoden zurückführen. Die Sand- Bild 7: Gleichmäßigkeitsgrad GG mit der Siebanalyse und mit Analysette 28 Bild 8: Abweichungen von Gleichmäßigkeitsgrad GG und mittlerer Korngröße MK Bild 9: Die Summenkurven von H32 Sand 21

22 Monatlich Monatlich FORMSTOFFE Quarzsand Bild 10: Aufnahme von FMX-40 Sandprobe mit dynamischer Bildanalyse körner sind kompliziert geformte Körper, deren Größe man mit einem einzigen Maß nicht beschreiben kann. Es wird zwischen runder bis gerundeter, kantengerundeter, eckiger bis kantiger und splittriger Kornform unterschieden. Je komplizierter die Form ist, desto schwieriger ist das Korn zu beschreiben. Bei der Bildanalyse charakterisiert man die Partikel mit einem imaginären Kugeldurchmesser, welcher sich ähnlich verhält wie das tatsächliche Partikel. Die Äquivalentdurchmesser aus der Newsletter Aktuelles aus der Branche direkt in Ihr Postfach & kostenlos Bild 11: Aufnahme von F-70 Sandprobe mit dynamischer Bildanalyse Bildanalyse können signifikant von den Werten der Siebanalyse abweichen. Bei der Siebanalyse dürfen als technologische Toleranz 3 7 % Abweichung in der angewendeten Kornklasse vorliegen. Die einzelnen Spalten können von der präskriptiven Größe her sogar 50 % größer sein. Die Kornform kann auch zu Messfehlern führen. Je flacher oder formloser ein Korn ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Körner auf dem Sieb hängen bleiben. Außerdem können längliche (nadelförmige) Körner durch das Sieb fallen, deren Korngröße kleiner ist als die Kornlänge [11]. Den Unterschied zwischen den festgelegten Summenkurven der beiden Messmethoden sieht man in Bild 9. In Bild 9 wurde die Summenkurve von H32-Proben mittels Siebanalyse und mittels Analysette 28 verglichen. In Bild 9 sieht man die Differenz der mittleren Korngrößenwerte sowie die unterschiedliche Steilheit der beiden Summenkurven, die zur Abweichung des Gleichmäßigkeitsgrades führen. Diese Unterschiede lassen sich auf die unterschiedlichen Formen der Sandpartikel und die unterschiedlichen Messmethoden zurückführen. Die Unterschiede zwischen Sandpartikeln können subjektiv auch in der dynamischen Bildanalyse identifiziert werden. In Bild 10 sieht man die Aufnahme einer FMX-40 Probe, in Bild 11 die Aufnahme einer F-70 Probe. Zusammenfassung Basierend auf dem Vergleich von Siebanalyse und dynamischer Bildanalyse kann man feststellen, dass sowohl die mittlere Korngröße als auch der Gleichmäßigkeitsgrad unterschiedlich sind. Diese Feststellung wird durch die Messergebnisse der internationalen Literatur bestätigt [12]. Das Messgerät Analysette 28 kann man als Schnelltest wirtschaftlich anwenden. Aufgrund des Unterschieds der Messmethode sowie der unterschiedlichen Kornformen des Sandes, wie flach, nadelförmig oder formlos, gibt es jedoch immer Abweichungen, die aber durch Softwareintervention ausgeglichen werden können. Basierend auf den in der dynamischen Bildanalyse aufgenommenen Bildern kann man die Kornform und den Formfaktor des gegebenen Sandes sowie zusätzliche morphologische Parameter bestimmen. Mit zusätzlichen Information kann man die Messmethode beispielweise zur Erhöhung der Produktionssicherheit verwenden, oder sie kann als Basis für die Erkennung neuer Zusammenhänge dienen. Literatur [1] Dr. rer. nat. Wolfgang Witt, Dr.-Ing. Ulrich Köhler, Dr.-Ing. Joachim List: Hochgeschwindigkeits Bildanalyse zur Charakterisierung von Partikelgrösse und form [2] VDG Merkblatt Prüfung von tongebundenen Formstoffen, Bestimmung der granulometrischen Kennwerte P34 Oktober 1999 [3] Dr.-Ing. habil. Hartmut Polzin, Prof. em. Dr.- Ing. habil. Dr. h. c. Werner Tilch: Grundlagen der Formstoffe (Vorlesungsunterlagen) [4] Öntészeti szabványok II. kötet. Szabványkiadó 1977 [5] technology/image-analysis [6] [7] [8] Redakteur/Downloads/Reports_sizing/ Dynamic_Image_Analysis/Partikelanalyse_ mit_der_kamera.pdf [9] [10] dynamische-bildanalyse/details/produkt/ partikelmessgeraet-analysette-28-imagesizer/downloads/ [11] Dr. Török Tamás, Ferenczi Tibor, Szirmai Georgina: Pormetallurgia Nemzeti Tankönyvkiadó, 115. oldal [12] applikationen/fachberichte/ i Dipl.-Ing. ViktÓria Dargai 1) Dr.-Ing. habil. Hartmut Polzin 2) Dr.-Ing. LázlÓ Varga 1) 1) Universität Miskolc, Fakultät für Werkstoffwissenschaft und -technologie, Gießerei-Institut, Miskolc-Egyetemváros, Ungarn 2) seinerzeit TU Bergakademie Freiberg, Gießerei-Institut, heute Peak Deutschland GmbH, Nossen 22

23 Pur-Cold-Box-Verfahren FORMSTOFFE Modellierung und experimentelle Charakterisierung der Deformation von PUCB-Sandkernen beim Gießen Autoren Hiba Bargaoui, Farida Azzouz, Georges Cailletaud, Delphine Thibault Über Jahrzehnte wurden Kerne fälschlicherweise als nicht verformbare Teile im Gießerei- Modellbau betrachtet. Deshalb würde das Verständnis über die Kerndeformation erhebliche Entwicklungs-Kosteneinsparungen beim Entwerfen von Kernkästen im kompletten Gießprozess bedeuten. Dieser Beitrag zeigt neue Erkenntnisse zum Thema Kerndeformation. Es wurden sowohl Quarzsandkerne als auch harzgebundene Kerne bei hohen Temperaturen untersucht. Es wurden thermophysikalische Messungen wie Thermogravimetrische Analyse, Dilatometrie und Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) durchgeführt. Das thermomechanische Verhalten der Sandkerne wurde mittels Vierpunkt-Biegeversuchen mit verschiedenen thermomechanischen Historien untersucht und im Vergleich zu den thermophysikalischen Ergebnissen analysiert. Diese Analyse unterstützt bei der Erklärung, wie die Kerndeformation durch den thermischen Abbau des Bindemittels beherrscht wird. Es wird ein spezielles Modell für das Altern der Harze und die Schadensentwicklung erarbeitet, um die Deformation als eine Funktion der Belastung und der Temperaturhistorie darzustellen. Schlagworte: Gießen, Sandkerne, Polyurethan, thermo-physikalische und thermo-mechanische Charakterisierung, numerisches Modell Modeling and Experimental Characterization of the Deformation of PUCB Sand Cores During Casting For decades, cores were wrongly considered as non-deformable parts in metal casting modeling. Therefore, understanding the core deformation would allow significant savings on development costs in the design of core boxes and in the full casting process. In this contribution, a new insight into core deformation is given. Both silica sand core and bonding resin at high-temperatures were investigated. Thermo-physical measurements including thermogravimetric analysis, dilatometry and dynamic mechanical analysis (DMA) were performed. The sand core thermo-mechanical behavior was investigated by means of fourpoint bending tests with various thermo-mechanical histories and analyzed in comparison to the thermo-physical results. This analysis helps explain how core deformation is governed by binder thermal degradation. A specific model involving resin aging and damage development is being developed to represent the deformation as a function of load and temperature history. Keywords: casting, sand cores, polyurethane, thermo-physical and thermo-mechanical characterization, numerical model Das Wissen über das Kernverhalten ist ein zentrales Anliegen in der Gießereiindus-trie. Mit der Entwicklung dünner und komplexer Designs wird die Überwachung der Deformation von Sandkernen während des Gießens eine Herausforderung, um Maßabweichungen und Defekte an den fertigen Gussteilen zu verhindern; diese Fehler könnten letztendlich Leckagen oder vorzeitige Brüche während der Lebensdauer der Komponenten verursachen. Über die Jahre konzentrierten sich die Arbeiten auf den Einfluss der Basislegierung und der Bindertypen auf die Kerneigenschaften [1, 2, 3]. Es gibt nur wenige Studien zur Beurteilung der thermomechanischen Eigenschaften der Kerne bei hohen Temperaturen. Es wurden Dreipunkt-Biegeversuche mit PUNB-Kernen (Polyurethan-Kaltharzkerne) durchgeführt, um den Elastizitätsmodul bei verschiedenen Temperaturen während des Aufheizens mit unterschiedlichen Aufheizgeschwindigkeiten zu messen [4]. Der Elastizitätsmodul zeigte ein komplexes Verhalten, mit einer offensichtlichen Abhängigkeit von der Aufheizgeschwindigkeit über 100 C. Die Autoren verglichen ihre Ergebnisse mit den Differenzkalorimetrie-Analysen, die für Polyurethanproben erstellt wurden [5]. Sie schlugen vor, dass für ein komplettes Verständnis der beobachteten Elastizitätsmodul-Entwicklung ein Studium der Binderveränderungen im Bezug auf Temperatur und Aufheizgeschwindigkeit erforderlich ist. In vorhergegangenen Arbeiten [6] untersuchten die Autoren die Kernfestigkeit bei hohen Temperaturen mittels Zugfestigkeitsprüfungen an industriellen Hundeknochen -Prüflingen und führten konventionelle Kompressionsprüfungen an verschiedenen Typen gebundener Sande durch. In anderen Arbeiten [7] wurde die Deformation unter Zugbelastung mittels Bildkorrelationstechnik beurteilt. Die Kernfestigkeit wurde durch einaxiale Kompressionsprüfungen bei verschiedenen Isothermen untersucht. Kontrolle über die Kerndeformation beim Gießen Grundsätzlich wurde in diesen Arbeiten die gleiche Tendenz der Kernfestigkeitsentwicklung bei erhöhten Temperaturen festgestellt. Unglücklicherweise wurden der verwendeten Versuchsanordnung und den zu untersuchenden Prüfparametern (der Temperatur der Prüflinge, den Aufheizbedingungen und den Bedingungen in der Gießerei) nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt. Die Polymergruppe und ihre Rolle beim thermomechanischen Verhalten der Kerne werden nicht ausreichend diskutiert. Dies kann zu falschen Materialcharakterisierungen und -modellierungen führen. Um die hohen Standards in der Gießereiindustrie zu erfüllen, sind heutzutage Studien erforderlich, um die Kontrolle der Kerndeformation beim Gießen zu ermöglichen. In dieser Arbeit untersuchen die Autoren das thermomechanische Verhalten der Kerne und die beherrschenden Mechanismen, die bei der numerischen Modellierung berücksichtigt werden müssen. Es werden auch die thermophysikalischen Eigenschaften und das Verhalten der Harzbinder untersucht. 23

24 FORMSTOFFE Pur-Cold-Box-Verfahren F 40 mm F Messpunkt 125 mm Prüfkörper 150 mm Thermoelement Referenzpunkt Bild 1: Abmessungen und Belastungsbedingungen der Vierpunkt-Biegeprüflinge. Bild 2: Durchbiegungsmessung mittels optischem Längenausdehnungsaufnehmer und Prüfkörperanordnung mit Thermoelementen. Belastungsprüfungen bei verschiedenen Temperaturen Mit dem PUCB (Cold-Box)-Verfahren mit- Quarzsand AFS55 und 1 Gew.-% kommerziellem Polyurethanbinder (eine Mischung aus Polyolharz und Polyisocyanat) wurden standardmäßige rechtwinklige Prüfkörper für Vierpunktversuche produziert. Die Ausführung und die Abmessungen der Prüfkörper sind in Bild 1 dargestellt. Der Prüfkörper wird auf Stahlrollen aufgelegt und einer einaxialen Belastung mit einer konstanten Masse ausgesetzt. Der Vierpunkt-Versuchsaufbau wird in eine MTS-Maschine eingebaut. Es wird ein Widerstandsofen verwendet. Die Temperaturüberwachung erfolgt über ein Thermoelement Typ K, das innerhalb des Prüfkörpers angeordnet ist. Die Genauigkeit der Temperaturregelung beträgt ca. 0,5 C. Die Messung der Durchbiegung während des Versuchs erfolgt mittels optischem Längenausdehnungsaufnehmer und einer Kamera, wie in Bild 2 dargestellt. Die Last wird angelegt, der Prüfkörper wird mit konstanter Aufheizgeschwindigkeit erhitzt und bei einer Zieltemperatur gehalten. Es wurde eine Aufheizgeschwindigkeit von 2 C/min gewählt, um für die Materialcharakterisierung eine gleichmäßige Temperatur in dem Prüfkörper zu gewährleisten. Ergebnisse der Biegeversuche In diesem Abschnitt wurden die Werte der Deformation, die Belastungen und die Elastizitätsmodule für alle Plots normalisiert. Bild 3 zeigt die gemessene Durchbiegung bei 150 C, 200 C und 240 C. Die Deformation steigt mit der Temperatur an und bleibt während der verschiedenen Versuche konstant, wenn die maximale Temperatur bei 150 C, 200 C und 240 C gehalten wird. Die Entwicklung der Deformation als Funktion der Temperatur folgt jedoch immer dem gleichen Muster, egal bei welcher Isotherme. Anschließend wurde der Einfluss der Aufheizgeschwindigkeit durch Versuche bis zu 200 C mit Raten von 0,5 C, 2 C, 10 und 20 C/min untersucht (immer unter isothermen Aufheizbedingungen). Wie in Bild 4 dargestellt, weist das Material mit steigender Aufheizgeschwindigkeit eine höhere Deformation und einen Festigkeitsverlust auf. Die Prüfkörper, die mit 10 C/min und 20 C/min aufgeheizt wurden, brachen bei 200 C. Die nächsten Versuche beinhalteten komplexere thermomechanische Abläufe zum weiteren Verständnis des Verhaltens der Sandkerne. Hierzu wurden die Vierpunkt-Biegeprüfkörper während des Versuchs umgedreht und die thermischen Abläufe wurden variiert. Im ersten Versuch wurde der Prüfkörper erhitzt und bei der Zieltemperatur von 200 C gehalten. Sobald die Deformation einen Beharrungszustand erreicht hatte (Punkt a in Bild 5), wurde die Probe umgedreht und bei 200 C gehalten. Es ist ersichtlich, dass beim Drehen des Prüfkörpers der Materialbereich, der ursprünglich mit Kompression belastet war, jetzt mit Zugspannung belastet ist; dies ermöglichte uns das Anlegen zyklischer Belastungen. Sobald die Deformation einen stationären Zustand erreichte, wurde die Probe auf 250 C erhitzt. Beim Aufheizen auf 250 C ändert sich die Durchbiegungskurve und die Deformation ist größer. Im zweiten Versuch wurde der Prüfkörper kontinuierlich erhitzt und bei der Zieltemperatur gehalten, bis er einen stationären Zustand erreicht hatte; anschließend wurde der Prüfkörper abgekühlt, umgedreht und dem gleichen Zyklus bis zu einer höheren Temperatur unterzogen (Punkte a und b in Bild 6). Bei den Punkten a und b bleibt die Deformation während des Aufheizens auf die im vorhergehenden Zyklus erreichte Maximaltemperatur konstant, selbst wenn der Prüfkörper umgedreht wird. Die Kerndeformation wird bei höheren Temperaturen erneut aktiviert. Bei diesen Versuchen scheint die Deformation in Abhängigkeit von der Temperatur irreversibel. Gründe hierfür sind mögliche unumkehrbare Schadensmechanismen, die während des Aufheizens aktiviert werden. 0,25 0,2 Durchbiegung (D/D R ) 0-0,25-0,5-0, C 200 C 240 C Temperatur ( C) Durchbiegung (D/D R ) 0-0,2-0,4-0,6-0, C/min 2 C/min 10 C/min 20 C/min Temperatur ( C) Bild 3: Entwicklung der Durchbiegung bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 C/min. Bild 4: Entwicklung der Durchbiegung bei verschiedenen Aufheizgeschwindigkeit bis auf 200 C. 24

25 Pur-Cold-Box-Verfahren FORMSTOFFE Durchbiegung (D/D R ) ,2-0, ,6 50-0,8 Durchbiegung Temperatur ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Zeit (h) Temperatur ( C) Bild 5: Vierpunktversuch bei 2 C/min mit Umdrehen des Prüflings bei 200 C am Punkt a. Einaxiale Kompressionsversuche Zusätzlich zu den Biegeversuchen wurden einaxiale Kompressionsversuche an zylindrischen Proben mit einer Länge von 45 mm und einem Durchmesser von 30 mm bei Raumtemperatur und bei Temperaturen bis zu 300 C bei einer Verformungsrate von 10 3 s 1 durchgeführt. Für diese Versuche wurde eine mit einem Widerstandsofen ausgestattete INSTRON- Maschine verwendet. Zur Überwachung der Kerntemperatur während der Versuche wurde ein Thermoelement Typ K mit einem Durchmesser von 0,8 mm im Zentrum der Probe bei einer Breite von 15 mm platziert. Die Prüfkörper wurden mit einer Rate von 2 C/min aufgeheizt. Sobald die Temperatur den Sollwert erreicht hatte, wurde die Last angelegt. Die maximale Festigkeitsentwicklung bei unterschiedlichen Temperaturen ist in Bild 7 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Maximalbelastung von Raumtemperatur bis 150 C abfällt, zwischen 200 C und 250 C leicht ansteigt und anschließend wieder sinkt. An dieser Stelle ist zum Verständnis der beobachteten Kerndeformation und der beherrschenden Mechanismen eine zusätzliche Untersuchung des Harztyps, dessen Verhaltens und dessen Beitrags im gesamten Materialansprechverhalten erforderlich. Obwohl diese Faktoren möglicherweise einen signifikanten Anteil am Kernverhalten haben, wurden sie bisher in der Literatur noch nicht diskutiert. Einige Autoren untersuchten die Kernverformung in PUNB-Kernen und nahmen an, dass diese nicht durch thermischen Abbau, sondern durch viskoplastisches Verhalten des Binders verursacht wird [8]. Andere Autoren diskutierten den thermischen Abbau des in dem gleichen PUNB-Prozess verwendeten Binders und stellten einen Vergleich mit der Entwicklung der mechanischen Eigenschaften der Kerne im Bezug zur Temperatur an [5]. Tatsächlich kann der Binder je nach Kernherstellungsprozess und chemischer Zusammensetzung des Harzes entweder ein thermoplastisches oder ein duroplastisches Polymer sein. Diese beiden Polymergruppen weisen unterschiedliches thermomechanisches Verhalten auf. Im Gegensatz zu Thermoplasten (die zum Beispiel beim Maskenformverfahren verwendet werden), die über ein großes Temperaturspektrum hinweg ein elastischviskoplastisches Verhalten aufweisen, bevor sie zusammenschmelzen und den thermischen Abbau durchlaufen, werden Duroplaste während des Aushärtens Pneumatische Fördertechnik für trockene, rieselfähige, abrasive und abriebempfindliche Stoffe Kernsandmischtechnik für organische und anorganische Verfahren, schlüsselfertige Anlagen mit Sand-, Binder- und Additivdosierung und Kernsandverteilung Regeneriertechnik Anlagen für Kaltharzsand- und Kernsand-Rückgewinnung, CLUSTREG für anorganisch gebundene Kernsande Durchbiegung (D/D R ) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6-0, Durchbiegung Temperatur Zeit (h) Temperatur ( C) Bild 6: Vierpunktversuch bei 2 C/ min mit Umdrehen des Prüflings nach Abkühlung an den Punkten a und b. KLEIN Anlagenbau AG Konrad-Adenauer-Straße Niederfischbach Telefon / Telefax / info@klein-ag.de 25

26 FORMSTOFFE Pur-Cold-Box-Verfahren σ R /σ R0 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Temperatur ( C) E/E R 1 0,8 0,6 0,4 0, ,8 0,6 0,4 0, Temperatur ( C) Tan δ Bild 7: Entwicklung der maximalen Kompressionsfestigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen Bild 8: DMA-Analyse für reines Polyurethanharz bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 C/min. unlöslich und unschmelzbar. Sie bestehen aus dreidimensionalen Makromolekülen, bilden ein sehr stark quervernetztes Zufallsnetzwerk und zeigen während des Aushärtens zusätzliche Verbindungsreaktionen. Das für den hier untersuchten Cold- Box-Prozess verwendete Polymerharz wurde als duroplastisches Harz identifiziert. Um das Verhalten des Harzes zu untersuchen, wurde an reinen Polyurethan-Proben mit den Abmessungen 20 mm x 4 mm x 1,5 mm eine DMA-Zugfestigkeitsanalyse durchgeführt. Hierzu wurde ein Gerät der Marke METRAVIB VA 4000 verwendet. Die Proben wurden mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 C/ min erhitzt und bei einer Frequenz von 5 Hz geprüft. Die Entwicklung des Elastizitätsmoduls E und der Phasenverzögerung zwischen Spannung und Dehnung tan δ sind in Bild 8 dargestellt. Der Spitzenwert von tan δ bei 100 C stimmt mit dem Glasübergang überein. Es wird ein signifikanter Rückgang des Elastizitätsmoduls beobachtet, der sich anschließend bei Werten etwas über dem Glasübergang stabilisiert. Wegen des thermischen Abbaus des Harzes waren Messungen über C nicht möglich. Thermogravimetrische Analyse Es wurde zusätzlich eine thermogravimetrische Analyse durchgeführt, um den thermischen Abbauprozess des Polyurethans zu untersuchen. Hierfür wurde ein Netzsch STA 449 F3 Jupiter Aufbau unter inerter Atmosphäre mit Argon als Spülgas verwendet. Die thermogravimetrische Kurve in Bild 9 zeigt, dass der Abbau des Polyurethans bei niedrigen Aufheizgeschwindigkeiten mit der Freisetzung der löslichen und flüchtigen Bestandteile bis 150 C beginnt. Die ursprüngliche Abbautemperatur entspricht einem Gewichtsverlust von 10 % (150 C in diesem Fall). Die Pyrolyse durchläuft hauptsächlich zwei Stufen. Die erste Reaktion findet zwischen 150 C und 250 C statt. Der zweite Maximalwert beginnt bei ca. 250 C bis zu 400 C. Es entsteht ein Endrückstand, der ca. 30 % des ursprünglichen Gewichts aufweist. Aus diesen Daten ergibt sich, dass das im Cold-Box-Prozess verwendete Polyurethanharz einen Glaszustand und Erweichungsprozess durchläuft, wobei die Verdunstung der Lösungsmittel zu einem starken Abfall des Elastizitätsmoduls führt. Bei höheren Temperaturen stabilisiert sich der Elastizitätsmodul aufgrund von zusätzlichen Verbindungsreaktionen und bietet somit einen guten Widerstand bei mittleren Temperaturen. Der thermische Abbauprozess findet anschließend statt, beginnend bei 150 C. Er ist charakterisiert durch eine Serie unumkehrbarer chemischer Reaktionen und Veränderungen in der Struktur des Harzes. Um den Einfluss dieser thermischen Veränderungen im Harz auf das gesamte thermische Verhalten der Kerne zu untersuchen, wurde eine Dilatometrie-Analyse an zylindrischen Prüfkörpern mit einer Länge von 20 mm und einem Durchmesser von 5 mm durchgeführt. Es wurde ein horizontales Dilatometer der Marke NETZSCH DIL402 DC verwendet. Die Messungen fanden unter Argon- Atmosphäre in einem Temperaturbereich von 25 C 450 C bei unterschiedlichen Aufheizgeschwindigkeiten statt. Bild 10 zeigt die Entwicklung der thermischen Deformation als Funktion der Temperatur bei unterschiedlichen Aufheizgeschwindigkeiten von 2 C, 10 C und 20 C/min. Das Material zeigt ein Verhalten thermischer Expansion/Kompression. In einer ersten Phase wird eine lineare Ausdehnung bis zu dem Grenzwert des thermischen Abbaus des Harzes beobachtet. Anschließend findet eine Kontraktion in zwei Stufen mit zwei Wendepunk- TG (%) TG DTG Temperatur ( C) 0-0,05-0,1-0,15-0,2-0,25-0,3-0,35 DTG (%/ C) Bild 9: Thermogravimetrische Analyse für reines Polyurethanharz bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 C/min. Bild 10: Dilatometrie-Analyse am Sandkern bei unterschiedlichen Aufheizgeschwindigkeiten. ΔL/L RO 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6-0,8-1 2 C/min 10 C/min 20 C/min Temperatur ( C) 26

27 ten statt. Diese stimmen mit den vorher beschriebenen beiden Stufen in der Harz- Pyrolyse überein. Man geht davon aus, dass diese Kontraktion durch den thermischen Abbau und die Versprödung der Harzbrücken verursacht wird. Dies führt zu einer granularen Neuanordnung und einer Gefüge- Veränderung des Sandkerns während des Aufheizens. Dadurch kann die irreversible mechanische Deformation des Sandkerns erklärt werden. Die Kontraktion während der ersten Phase der Pyrolyse und die zusätzlichen Verbindungsreaktionen können der Grund für den während der Kompressionsversuche beobachteten partiellen Anstieg der Festigkeit sein. Während der zweiten Phase der Pyrolyse durchläuft das Harz einen Prozess der Kettenaufspaltung und zerfällt in aromatische Verbindungen; dies verursacht einen rapiden Rückgang der Festigkeit und damit verbunden eine ausgeprägtere Kontraktion. Die thermische Deformation des Sandkerns reagiert sensibel auf die Aufheizgeschwindigkeit. Eine erhöhte Aufheizgeschwindigkeit verursacht wegen der chemischen Veränderungen im Harz ein Zerfallen des Kerns. Eine höhere Temperaturrate führt zu einer zufälligen Kettenaufspaltung im Polymer und zu einem rapiden Abfall der Festigkeit. Schlussfolgerungen Die thermomechanische Charakterisierung von PUCB-Sandkernen zeigte eine irreversible Deformation während des Aufheizens und eine Abhängigkeit von der Aufheizgeschwindigkeit. Der für den Cold Box-Prozess verwendete Polyurethanbinder wurde als duroplastisches Polymer identifiziert. Die Untersuchung des Binderverhaltens zeigte, dass das Harz bei niedriger Temperatur einen Erweichungsprozess durchläuft und dass anschließend der Prozess des thermischen Abbaus stattfindet. Dieser Prozess wird beherrscht durch unumkehrbare chemische Reaktionen. Bei einer größeren Aufheizgeschwindigkeit gewinnt ein Kettenaufspaltungs- Prozess an Bedeutung und führt zu einem Festigkeitsverlust des Harzes. Die thermische Deformation des Sandkerns wird durch ein Expansions-/Kontraktions-Verhalten charakterisiert, mit einer granularen Neuanordnung, die sensibel auf die Danksagung Diese Arbeit wurde durch die Montupet-Gruppe (Hauptsitz: Clichy, Frankreich) unterstützt. Temperaturrate reagiert. Der thermische Abbau des Harzes wurde als der beherrschende Mechanismus der Sandkern- Deformation identifiziert. Der Ansatz zur Modellierung des Sandkern-Verhaltens beim Gießen berücksichtigt die Gefügeveränderung durch das Altern und den Festigkeitsverlust des Harzes. Literatur [1] Huang, N., Mobley, C., Mechanical Properties and Fracture Characteristics of Resin-Bonded Sands, Transactions of the American Foundry Society, 91, pp (1983). [2] Gonzalez, R., Colas, R., Velasco, A., Valtierra, S., Characteristics of Phenolic-Urethane Cold Box Sand Cores for Aluminum Casting, International Journal of Metalcasting, 5, pp (2011). [3] Aguirre, I., Velasco, A., Talamantes, J., Colas, R., Effect of Graphene Used As Filler in Organic Binder during the Cold Box Process, 70th World Foundry Congress, pp (2012). [4] Thole, J., Beckermann, C., Measurement of Elastic Modulus of PUNB Bonded Sand as a Function of Temperature, Proceedings of the 63rd SFSA Technical and Operating Conference, Steel Founders Society of America, Chicago, IL (2009). [5] Giese, S., Roorda, S., Patterson, M., Thermal Analysis of Phenolic Urethane Binder and Correlated Properties, Transactions of the American Foundry Society, 102, 1 12 (2009). [6] Thiel, J., Stahl, L., Dutler, S., High Temperature Physical Properties of Chemically Bonded Sands Provide Insight into Core Distortion and Provides New Data for Casting Process Simulation, Transactions of the American Foundry Society, 117, pp (2009). [7] Mahnken, I., Rolfand, C., Advances in Extended and Multifield Theories for Continua, Chapter Optical Measurements for a Cold- Box Sand and Aspects of Direct and Inverse Problems for Micropolar Elasto-Plasticity. Springer Berlin Heidelberg, pp (2011). [8] Dobosz S. M., Jakubski, J., The Thermal Deformation of Core and Moulding Sands According to the Hot Distortion Parameter Investigations, Archives of Metallurgy and Materials, 52, pp ,(2007). i Dr. Hiba Bargaoui PSL Research University, MAT-Centre des matériaux, Evry, Frankreich Montupet, Laigneville, Frankreich Farida Azzouz, Georges Cailletaud, PSL Research University, MAT-Centre des matériaux, Evry, Frankreich Delphine Thibault Montupet, Laigneville, Frankreich Übersetzung aus Trans. Amer. Foundrym. Soc. Paper , mit freundlicher Genehmigung der American Foundrymen s Society, Deutsche Bearbeitung von Andreas Nebl, Salzweg, Ich bin die erfolgreichste Suchmaschine für Guss- und Schmiedeteile. 5. bis 7. Juni 2018 Messe Stuttgart Das Internet ist groß. Viel zu groß, um direkt ans Ziel zu führen, wenn es um spezielle Gussund Schmiedeteile geht. Schneller fündig werden Sie auf der CastForge: Über 120 Aussteller bieten Produkte und Leistungen vom Rohling bis zum fertigen Bauteil an. Dazu erleben Sie ein produktives Netzwerk für persönlichen Austausch und Wissenstransfer. Sichern Sie sich jetzt Ihr Ticket: 27

28 TAGUNGEN UND MESSEN Formstoff-Forum Formstoff-Forum 2018 in Aachen Teil 1 Bentonitgebundene Formstoffe Anorganische Formstoffbinder Am 7. und 8. März fand das 2. Formstoff-Forum 2018 statt, Tagungsort war dieses Mal die RWTH Aachen. Der Erfolg des im Jahr 2016 veranstalteten 1. Formstoff-Forums als Nachfolger der bekannten Duisburger Formstofftage gab dem Konzept recht, dass eine eigenständige wissenschaftliche Tagung zum Themenkreis Formstoffe und Formverfahren sehr wichtig für unsere Branche ist. Die zweite Auflage des neuen Formstoff-Forums verließ nun erstmalig die bekannte Tagungsstätte in Duisburg, um zukünftig zwischen den deutschen Hochschulstandorten zu wechseln. Fast 500 Teilnehmer folgten der Einladung der Veranstalter nach Aachen, um eine Fülle von Vorträgen zu den Themen bentonitgebundene Formstoffe, Simulation und 3D-Druck oder Formgrundstoffe, anorganische Binder und organische Bindersysteme, Entkernverhalten oder Regenerierung zu hören. In Teil 1 der Übersicht werden zunächst die Kurzfassungen der Vorträge zu den Schwerpunkten bentonitgebundene Formstoffe und anorganische Binder vorgestellt. Bentonitgebundene Formstoffe Der Kühler als bestimmendes Organ für die Sandqualität an der Formanlage ein neues Dosierverfahren für Durchlaufkühler Dipl.-Ing. Wolfgang Ernst (V) datec Dosier- und Automationstechnik GmbH, Braunschweig, Olaf Winter Hawle Guss GmbH, Fürstenwalde Mit jedem Abgussdurchlauf in der Formanlage treten durch Abbrand und Kernsandzulauf im Altsand Verluste auf, die unbedingt abgefangen werden müssen. Da bis heute keine Online-Messverfahren existieren, um zum Beispiel im Dosierstrom den Auffrischungsbedarf zu ermitteln, haben immer noch die Berechnungsverfahren aus der Formstoffbilanz ihre große Bedeutung in der Gießerei. Häufig werden die Rezepturen händisch im Tagesrhythmus bestimmt. Ideal sind automatische Bestimmungssysteme, die zu jedem Modellwechsel die Rezeptur anpassen sowie kleine kompakte Dosiereinheiten, die hinter dem Kühler kontinuierlich Bindemittel und Neusand angepasst zum Auffrischungsbedarf dosieren und im Sandstrom unterrühren. Erfahrungen Für den dünnwandigen Guss hat sich der bentonitgebundene Formstoffsand noch nicht ausreichend bewährt. Als Kreislaufsand treten immer wieder Ausreißer auf, die letztendlich beim Guss zum Ausschuss führen. Eine Ursache ist die nicht ausreichende Homogenisierung und die fehlende verzögerungsfreie Online-Messtechnik im Aufbereitungsprozess, um bei erkannten Abweichungen sofort gegensteuern zu können. Zur Jahrtausendwende wurden zwei verfahrenstechnische Systeme erfolgreich gekoppelt. Die Formstoffbilanz mit ihren Verschleissfaktoren erlaubt eine gussbezogene Kompensation der Verluste im Formsand. Mit dem Chargenkühler lässt sich diese Bindemittelbedarfsmethode nicht nur vorbeugend für den Mischer einsetzen, sondern auch reaktiv (rückwirkend), indem bei dem gerade ausgepackten Sand unter Berücksichtigung der Modelldaten (vergossene Eisenmenge und rückgelaufene Kernsandmenge) die Verluste der Bindemittelmenge ausgeglichen werden. Die Erfolge des Chargenkühlers sind immer noch unübertroffen, da er ein gutes Kühlverhalten aufweist und eine reproduzierbare Genauigkeit für den Aktivtongehalt sicherstellt. Die Sandqualität hinter dem Mischer beginnt beim Kühler Mehrfache Untersuchungen haben immer wieder aufgezeigt, dass die Gleichmäßigkeit der Austrittsfeuchte aus dem Kühler durch die Wasserzugabe von hoher Bedeutung für die Gleichmäßigkeit der Festigkeitswerte hinter dem Mischer ist. Zwei Maßnahmen wurden als weitere Qualitätsverbesserung ergriffen: Eine Verbesserung in Richtung Gleich- Bentonitgebundene Formstoffe Der Kühler als bestimmendes Organ für die Sandqualität an der Formanlage ein neues Dosierverfahren für Durchlaufkühler Prozessdatengestützte Steuerung der Eigenschaften bentonitgebundener Formstoffe Eine überzeugende und bezahlbare Formanlage für kleine Gießereien weltweit: Gussteile vom Gehäuse bis zum Flansch Jahre ENVIBOND. Grünsandtechnologie, der Umwelt zuliebe Mehrwert und hohe Produktqualität durch Smart Data bei der Formsandaufbereitung Auch als Nachrüstlösung für PC und Smart Phone Anorganische Formstoffbinder Beschreibung der Entkernbarkeit umgossener organisch und anorganisch gebundener Sandkerne mittels eines Zerfallsratenkriteriums Anorganische Bindemittelsysteme im Eisenguss Aktueller Entwicklungsstand und Ausblick Prüfmethoden zur Charakterisierung der Fließfähigkeit anorganischer Kernsandmischungen Kernherstellung mit anorganischen Bindersystemen Anorganisches Kernbindersystem für den Eisenguss ein neuer Ansatz Vergleich der Entkernung von 3D-gedruckten und geschossenen, anorganisch gebundenen Kernen im Aluminiumguss Anorganik Die neueste Generation Mikrostrukturbasierte Vorhersage von Materialeigenschaften anorganischer Formstoffe

29 Formstoff-Forum 2018 TAGUNGEN UND MESSEN mäßigkeit der Kühlerausgangsfeuchte und Eine Verdichtbarkeitssteuerung durch Formsandprüfung am Mischer Zwei Gießereien, die mit dem Chargenkühler ausgestattet sind, haben dieses Verbesserungskonzept mit Erfolg umgesetzt. Sie erreichen für die Verdichtbarkeit Werte in der Standardabweichung um die 1,2 % Verdichtbarkeit und besser. Kostengünstiger apparativer Aufbau zur Dosierung und Vermischung der Zugabestoffe im kontinuierlichen Sandstrom Der Chargenkühler ist apparativ als Anlage recht aufwendig. Eine Nachrüstung in eine bestehende Anlage ist aus Platzgründen selten möglich; auch sind die Kosten beachtlich. Das neue zum Patent angemeldetes Konzept Form_Reg_reaktiv füllt genau diese Lücke aus. Die bekannten Kühler mit Rührwerk besitzen den großen Vorteil, dass sie unterrühren könnten, wenn nicht die recht große Abluft wäre. Sie saugt im Nu die zudosierten Bindemittel aus dem Sand und der gewollte Nutzen kommt nicht zum Tragen. Der Chargenkühler hat nach der Kühlphase eine Mischphase, indem die Luft abgeschaltet wird. Die in der Mischphase zudosierten Bindemittel werden dann nicht abgesogen. Bei dem neuen Konzept Form_Reg_ reaktiv wird hinter dem Kühler auf dem Abzugsband ein Aufbandrührwerk installiert, das nur kleine Aufmaße aufweist. Zusätzlich können von oben durch Entnahmeverwiegung kontinuierlich mengenproportional zum gekühlten Altsand und reaktiv auf die ausgepackten Gussstücke die Verlustmengen der Bindemittel zudosiert werden. Prozessdatengestützte Steuerung der Eigenschaften bentonitgebundener Formstoffe Prof. Dr.-Ing. D. Hartmann(V) Hochschule Kempten, M.Sc. M. Sandt. Universität Duisburg-Essen, Dipl.-Ing. A. Liedtke Michenfelder Elektrotechnik GmbH & Co. KG, Mainz Formstoffbedingte Gussfehler begründen nach wie vor einen wesentlichen Anteil von fehlproduzierten Gussteilen. Die Vielzahl von Fehlerbildern am Gussbauteil hat ihre Ursache in den Eigenschaften des verwendeten Formstoffs, die wiederum von vielen Einflussgrößen bestimmt werden. Besonders gilt dies für das Gießen in bentonitgebundene Formen auf automatischen Formanlagen [1]. Zu beherrschen sind im Zusammenhang mit der Formherstellung die Prozesse Formstoffkühlung und -befeuchtung, Formstofflagerung, i.e. Bunkerstrategie, Formstoffaufbereitung/Mischen sowie die Formstoffprüfung selbst. Darüber hinaus gehören hierzu Herkunft, Qualität und Menge der Einsatzstoffe und Formstoffzusatzstoffe, ebenso wie die verwendete Anlagentechnik. Neben der Prozessbeherrschung gehört eine hohe Fertigungsflexibilität zu den Hauptanforderungen an Gießereien. Besonders häufige Wechsel der zu fertigenden Gussteile können zu erheblichen Schwankungen im Formstoffkreislauf führen. So variieren z.b. das Eisen- Formstoff-Verhältnis und auch Kern- und Neusandanteile teilweise stark. Dazu kommt es beim Abguss zu Veränderungen und Abbrand der Formstoffbestandteile. Variierende Sandbunkerfüllstände, Sandverluste durch Überlaufsand und bei der Beförderung sowie unterschiedliche Sandtemperaturen sind nur einige der weiteren Einflussfaktoren auf das Formstoffsystem [2]. Bleiben derartige Veränderungen im Formstoffkreislauf unkontrolliert, wird immer auch die Gussqualität beeinflusst, in der Regel negativ. Daher ist das Ziel einer Formstoffsteuerung Veränderungen auszugleichen und die Formstoffeigenschaften dauerhaft konstant zu halten bzw. an die spezifischen Anforderungen der zu produzierenden Gussteile stabil und robust anzupassen. Bei unzureichender Steuerung sind formstoffbedingte Gussfehler wie Schülpen, Ballenabrisse, Verzug und Formerosion vorprogrammiert. Die Eigenschaften von Grünsandformen wie Festigkeit, Gasdurchlässigkeit, Verdichtbarkeit und Fließbarkeit werden durch viele Faktoren wie Bindergehalt, Wassergehalt und Verdichtungsintensität mit zum Teil gegenläufiger Wirkung beeinflusst [3]. Nach dem Abguss wird die Form zerstört, das Gussteil entnommen und der Sand wird in die Aufbereitungsanlagen transportiert. Dort wird der Sand gekühlt, ungewollte Stoffe, wie Eisenreste und Knollen entfernt und Wasser, Bentonit, Neusand, Glanzkohlenstoffbildner und Staub zugegeben, um deren Verluste beim Gieß- und Aufbereitungsprozess wieder auszugleichen. Um dabei die Konstanz der Formstoffeigenschaften zu sichern, ist ein Steuerungs- und Regelungskonzept notwendig. Gesteuert werden die Eigenschaften des Formstoffs in der Praxis vor allem über die Gehalte an Wasser, Bentonit und Glanzkohlenstoffbildner. Auch die Korngrößenverteilung des Quarzsands hat einen Einfluss. Die grundsätzlichen Einflüsse dieser Parameter auf die Formstoffkennwerte sind durch eine Vielzahl von Arbeiten gut bekannt [4]. Zudem existieren Empfehlungen für eine geeignete Einstellung des Sandsystems - allerdings mit großen Toleranzbereichen [1]. Abhängig von der erforderlichen Formstoffqualität können verschiedene Vorgehensweisen zur Einstellung der gewünschten Formstoffeigenschaften gewählt werden. In der Praxis erfolgt die Steuerung der Formstoffaufbereitung durch Formstoffanalysen im Labor, durch präventive Formstoffsteuerung, durch Online-Formstoffsteuerung und -regelung oder durch Kombinationen dieser drei Vorgehensweisen [5, 6]. Die erfolgreiche Einrichtung einer Formstoffsteuerung setzt dabei immer die möglichst genaue Definition der Regel- und Zielgrößen und deren Zusammenhängen voraus [7]. Für eine Gießerei mit einem spezifischen Produktspektrum ist es dennoch auf der einen Seite immer noch keine triviale Aufgabe, die idealen Parametereinstellungen zu ermitteln und gezielt anzusteuern. Auf der anderen Seite wird im Rahmen der Formstoffprüfung im Sandlabor eine Vielzahl von Parametern über lange Zeiträume aufgezeichnet, in denen das Wissen um die Zusammenhänge implizit enthalten ist. Schließlich werden sowohl Steuergrößen wie beispielsweise Wasseroder Aktivtongehalt als auch die daraus resultierenden Eigenschaften wie Festigkeitseigenschaften oder Gasdurchlässigkeit ermittelt. Trotzdem ist die zwischen all diesen Parametern bestehende quantitative Abhängigkeit nicht für die Formstoffsteuerung verfügbar. Mit geeigneten Versuchen und Auswertungen am Beispiel eines konkreten Gussteiles wurden daher die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Formstoffkennwerten ermittelt und daraus optimale Arbeitsbereiche unter Berücksichtigung der konkreten betrieblichen Bedingungen gefunden werden. Im Einzelnen wurden die Formstoffzusammensetzung, die Formstoffaufbereitung, die Formanlage und die gepressten Formen 29

30 TAGUNGEN UND MESSEN Formstoff-Forum 2018 untersucht. Durch Markierung der Gussteile können Form- und Formstoffeigenschaften, sowie Prozess- und Maschinendaten formkastenbezogen bewertet werden und direkt mit der Gussqualität in Verbindung gesetzt werden. Damit wurde die Auswirkung von Veränderungen von direkt gemessenen und über Formsandmanagementsysteme [5], errechneten Kenngrößen auf die Entstehung von Gussfehlern statistisch ermittelt. Damit können die Anforderungen des Prozesses in Bezug auf diese Variablen bewertet und optimalen Prozessfenster ermittelt werden. Die Auswertung dieser Daten erfolgt durch statistische Modelle mit der Analysesoftware EIDOminer [8]. Diese Software ermöglicht das Erkennen von Zusammenhängen zwischen unterschiedlichen Kennwerten und die Ermittlung optimierter Prozessfenster durch Methoden des maschinellen Lernens. Mit diesen Informationen soll die Formstoffaufbereitung und -steuerung optimiert werden, sodass eine konstant hohe Formqualität und damit Gussteilqualität gewährleistet werden kann. Literatur [1] Green Molding Sand Manual, Imerys Metal Casting Germany GmbH, 5. Auflage, 2016 [2] Gemming, H., Prozesssicherheit in der Formstoffaufbereitung mit Hilfe der Fuzzy-Logik, Technische Universität Freiberg, Dissertation, 2003 [3] Tilch, W., Grefhorst, C. und Kleimann, W., Bentonite als Formstoffbinder - eine praxisnahe Bewertung der Eigenschaften. Giesserei-Praxis 50 (2002), H. 2, S [4] Flemming, E., Tilch, W., Formstoffe und Formverfahren, Wiley-VCH, Juli 2003, ISBN- 10: , ISBN-13: [5] Liedtke, A., Formsand 4.0, Giesserei 104 (2017), H. 7, S [6] Ernst, W., Dein Formstoff das unbekannte Wesen, Giesserei-Praxis 59 (2008) H 4., S [7] Tilch, W., Polzin, H., Franke, M., Praxishandbuch bentonitgebundener Formstoffe, Schiele & Schön, Berlin, 2015 [8] Saleem, M., Malik S., Gottschling, J., Hartmann, D., Gemming, H., Intelligente Prozesssteuerung in Gießereien, Giesserei 100 (2013), H. 11, S Eine überzeugende und bezahlbare Formanlage für kleine Gießereien weltweit: Gussteile vom Gehäuse bis zum Flansch Michael Colditz (V Norican Group, Metelen/D Rik Claeys, Gieterijen en Werkhuizen Alidor Claeys, Zedelgen/B Die preiswerte und schnelle Produktion von großen Serien an Gussprodukten auf vertikalen Formanlagen ist seit vielen Jahren Stand der Technik. Dieser Vortrag soll nun die Produktion von Kundenguss in kleinen Serien mit teilweise intensiven Einsatz von Kernen vorstellen. Neben dem Einsatz automatischer Kerneinleger, die zusätzlich Kernmasken benötigen, wird nun der Einsatz von automatischen Schiebetüren und dem damit möglichen direkten Einlegen von Kernen in die Form beschrieben. Für dieses Einsatzgebiet wurde ein neuer Typ von vertikalen Formanlagen entwickelt, der zu wettbewerbsfähigen Preisen in Werken von Norican in Indien und China gebaut wird. Diese Anlagen sind nicht für hohe Geschwindigkeiten, aber für den Einsatz in kleinen und mittleren Gießereien konzipiert. Anhand von fünf Gießereien aus Belgien, Indien und China wird die Umstellung der Produktion auf diese Formanlagen vorgestellt. Seit vielen Jahren ist das vertikale Formverfahren bekannt. Viele deutsche Gießer sehen darin ein Verfahren, mit dem lange Serien von Gussteilen möglichst ohne Kern hergestellt werden. Dabei vergessen sehr viele Kollegen, dass die Zeit der langen Serien ist seit vielen Jahren auch bei diesen Gussprodukten vorüber ist. Gefragt sind Anlagen, bei denen schnell und unkompliziert das Modell gewechselt werden kann. Die Toleranzen der hergestellten Gussteile und somit die endabmessungsnahe Herstellung haben speziell bei diesem Verfahren eine sehr hohe Priorität. Das Putzen der Gussteile soll nach Möglichkeit entfallen. Während der Formstofftage 2012 wurde in Verbindung mit der Vorstellung der DISA MATCH ein Verfahren der Messung des maschinenbedingten Versatzes vorgestellt, das sich seit vielen Jahren bewährt hat. Mit Einführung der nächsten Generation von vertikalen Formanlagen während der GIFA 2015 und der Installation des Prototypens dieser Serie bei der Firma Gienanth wurde nach längerer Anlaufphase dieses Messverfahren am Gussteil direkt angewendet. Die Ergebnisse der vergangenen Monate liegen jetzt ausgewertet vor. Gleichzeitig wird ein Verfahren vorgestellt, das den Formversatz horizontal, vertikal sowie die Spaltbildung im unteren Bereich, der zusammengelegten Formen, misst. Diese automatische Versatzkontrolle läuft mittlerweile stabil. Es kontrolliert jede Formteilung direkt vor dem Abguss. Mit diesen Entwicklungen werden Gießereien bedient, die die Produktion kontinuierlich automatisieren, optimieren und Personal einsparen. Diese Produktionslinien werden immer komplexer. Deren Investitionskosten rechnen sich bei einer Auslastung von 15 Schichten pro Woche und mehr. Es gibt jedoch noch eine andere Seite der Gießereiindustrie. Dabei handelt es sich zum größten Teil um kleine oder mittlere, oft familiengeführte Gießereien, die ihre Kunden im näheren Lebensumfeld mit den lebensnotwendigen kleinen Gussserien beliefern. Diese kleinen und mittleren Gießereien gibt es nicht nur in Industrieländern, sondern überall auf der Welt. Es handelt sich um die übergroße Mehrheit der Gießereien, die weltweit dafür sorgen, dass das Leben ein bisschen lebenswerter wird, denn ohne Guss dreht sich kein Rad und das ist meistens auch gegossen. Dass es für diese Kunden keine adäquate Anwendung gibt, wollte der Eigentümer der belgischen Gießerei Gieterijen en Werkhuizen Alidor Claeys, Herr Rik Claeys so nicht akzeptieren. Er produzierte bereits u. a. mit zwei alten DISAMATIC-Anlagen und wollte deren Produktion auf einer neuen jedoch größeren DISAMATIC zusammenfassen. Die Produktion wird nun über Adapterplatten sichergestellt. Damit will er die Vorteile des schnellen Modellwechsels und der geringen Fundament- und Investitionskosten nutzen. Die Produktion von Gussteilen auf DISAMATIC beginnt in seiner Gießerei bei einer Losgröße von 25 Teilen. Diese Begrenzung der Stückzahl ist bedingt durch das Volumen der Trommelpfanne von 300 bis 350 kg, mit der gegossen wird. Bei diesen Stückzahlen ist die Installation eines automatischen Kerneinlegers und die Herstellung von Kernmasken für jedes Gussteil mit Kern mit höheren Kosten verbunden und somit nicht angemessen. Eine andere Lösung musste her und in der an DISAMA- TIC neu entwickelten Schiebetür-Technologie gefunden. Nach jeder hergestellten Form arretiert die Schwenkplatte (SP) in Ihrer horizontalen Position und die beiden Schiebetüren, links und rechts, neben der Kammerfront (MCF) öffnen sich. Somit ergibt sich ausreichend Platz an beiden Seiten der Formanlage um notwendige Zusatzstoffe in die beiden Form- 30

31 Formstoff-Forum 2018 TAGUNGEN UND MESSEN 10 Jahre ENVIBOND. Grünsandtechnologie, der Umwelt zuliebe Dr.-Ing. O. Podobed (V), Sandra Böhnke, Cornelis Grefhorst Imerys Metalcasting Germany GmbH, Marl oberflächen einzudrücken oder einzunageln. Die DISAMATIC vom Typ DISA 130-B mit der Formkammerabmessung von 535 x 650 mm, gefertigt in Kopenhagen, hat eine Gesamtlänge der Gieß- und Kühlstrecke von 60 m. Die Formen werden mit Trommelpfanne abgegossen, wodurch die maximale Formgeschwindigkeit der Anlage nicht erreicht werden kann. Die Gießerei fertigt 7,5 Stunden pro Tag, bei 10 bis 15 Modellwechseln. In der Produktionszeit werden, abhängig vom täglichem Gießprogramm, zwischen 700 und 900 Formen abgegossen. Bei einer kernlosen Produktion wird eine Formleistung von 150 Formen pro Stunde erreicht. Die Zykluszeit bei der Produktion der Gussteile, unter Einsatz der Schiebetür zum Einsetzen der Kerne, beträgt etwa 30 Sekunden. Allerdings waren die Investitionskosten in eine Formanlage, die bis zu 350 Formen pro Stunde herstellen kann und nun bis 150 Formen pro Stunde genutzt wird, erheblich. Die Gießerei von Herrn Claeys ist nicht die Einzige, die mit dieser Situation konfrontiert ist. In Europa findet man noch sehr viele Gießereien mit ähnlichen Aufgabenstellungen. Ebenso verhält es sich mit unseren Kunden zum Beispiel in Südostasien oder Südamerika. Die Anforderungen an die Gießereien entsprechen denen in Europa, jedoch sind die Investitionsspielräume geringer. Aufgrund der Erfahrungen in Belgien und der immer lauter werdenden Forderung aus anderen Regionen der Welt nach einer kosteneffizienten Anlage, die in der Region gefertigt wird und durch heimische Servicekräfte gewartet werden kann, wurde mit der Entwicklung einer neuen vertikalen Formanlage, auf der Grundlage der DISAMA- TIC 2110, begonnen. Die Neuentwicklung unter der Bezeichnung DISAMATIC C3 steht nun für die beiden am häufigsten verkauften Formkammerabmessungen 480 x 600 mm und 535 x 650 mm in drei Formgeschwindigkeiten zur Verfügung. Die Variante für bis zu 150 Formen pro Stunde kann mit ein oder zwei Schiebetüren zum Kerneinlegen geliefert werden. Diese und auch die Formmaschine für bis zu 250 Formen pro Stunde werden in Indien produziert. Die schnellere Version kann mit einem automatischen Kerneinleger ausgerüstet werden. Darüber hinaus wird in China die Version für bis zu 350 Formen pro Stunde, wahlweise mit automatischen Kerneinleger, gefertigt. Die Umstellung der Produktion auf diesen Typ von Formanlagen soll in vier Gießereien aus Indien und China vorgestellt werden. Es wird von kleineren Gussteilen und deren Umstellung aus dem Kaltharzverfahren auf das bentonitgebundene Formstoffsystem berichtet. Ebenso wird der Stand der Technologie einer Gießerei gezeigt, die vor vier Jahren die Produktion von Automobilguss aufnahm. Von einer chinesischen Gießerei wird berichtet, die die Produktion von Rüttel-Press- Maschinen auf das vertikale Formverfahren umgelegte, und nicht zuletzt wird von einer Gießerei berichtet, die von vertikalen Formanlagen aus einheimischer Herstellung zur Produktion mit DISAMA- TIC wechselte. Das traditionelle Image einer Gießerei erlebte im Laufe der langen Geschichte des Gießens eine Reihe von Transformationen. Aufgrund des steigenden Umweltbewusstseins und dem Fokus auf Nachhaltigkeit, verbunden mit der Verpflichtung gegenüber Mitarbeitern und der Nachbarschaft steigt der Bedarf an umweltfreundliche Bindertechnologien auch 10 Jahre später immer weiter und gewinnt an Bedeutung in den Gießereien. Nicht zuletzt üben die Deponieproblematik, die CO 2 -Bilanz des Betriebes sowie sinkende Grenzwerte für einzelne Komponenten wie Benzol einen zusätzlichen Druck auf die Gießereibranche aus. Neben der turnusmäßigen Überprüfung durch die Behörden werden zusätzlich vorbeugend Änderungen durch die Gießereien initiiert. Seit Beginn der Einführung in den Markt auf der GIFA 2007 wurden beim Einsatz der ENVIBOND-Produkte europaweit signifikante Mengen an Emissionen eingespart. Durchschnittlich betrug die Reduzierung dabei %. In einigen Fällen können heute Gussteile auch frei von organischen Kohlenstoffträgern produziert werden. Bild 1 gibt einen Überblick über die Reduzierung des BTEX-Gehaltes von Altsand in neun verschiedenen Gießereien. Ebenso konnte der TOC-Gehalt bei sechs ausgewählten Gießereien im Mittelwert um 41 % gesenkt werden, ein Maximalwert für die Reduzierung lag hier bei 71 %. Das Vorhaben einer der wesentlich zur Gussqualität beitragenden Komponente zu ersetzen, kann nur durch eine sorgfältige Formulierung und Planung erfolgen und kann sich, aufgrund der in der jeweiligen Gießerei vorliegenden Datenbasis, Bild 1: Reduzierung des BTEX-Gehaltes im Altsand in neun ausgewählten Gießereien Bild 2: Emissionspotenzial und Einflussfaktoren 31

32 TAGUNGEN UND MESSEN Formstoff-Forum 2018 Bild 3: Massenbetrachtung im Vergleich zum spezifischen Emissionspotential maßgeblich unterscheiden. Dabei spielt die vorausschauende Analyse des Emissionspotenziales und der Einflussfaktoren (Bild 2) sowie eine entsprechende Simulation zu deren Senkung eine essenzielle Rolle. Die Grundlage einer solchen Analyse bietet u. a. die Formstoffbilanz einer Gießerei. Daraus kann man sowohl eine durchschnittliche Bewertung der aktuellen Situation vornehmen als auch die Grenzpfeiler setzen, z. B. Referenz-Gussteile auswählen oder Zeiträume mit potenziell besonders hohen oder niedrigen Emissionen definieren. Zusammen mit den Informationen über die eingesetzten organischen Produkte (form- und kernseitig) und deren Emissionsverhalten werden verlässliche Prognosen und Schätzungen aufgestellt und notwendige realistische Maßnahmen u. a. zum Erreichen der Umweltziele abgeleitet. Bild 3 zeigt Unterschiede des form- und kernseitigen Emissionspotenzials, die sich bei der Betrachtung ergeben können. Während der Umstellung erfolgt die Bewertung des Fortschrittes anhand der Beobachtung zuvor definierter Referenzteile, der Erfassung der Verbrauchs- und Formstoffdaten sowie von Emissionsmessungen im Labor. Als vorteilhaft haben sich die Konstellationen erwiesen, bei der die erste Umstellung unmittelbar einer behördlichen Emissionsmessung folgt und somit eine aktive Handlung der Gießerei belegt. Der Erfolg wird in diesem Fall ebenso durch behördliche Folgemessungen bestätigt und somit der Footprint der Gießerei offiziell verbessert. Neben den erfolgreich abgeschlossenen behördlichen Messungen liefern zufriedene Mitarbeiter in der sauberen Gießerei sowie eine zufriedene Nachbarschaft eine weitere, ebenso wichtige Bestätigung. So ging z. B. bei einer mittelgroßen innerstädtisch platzierten Gießerei für LKW- Komponenten die Anzahl der Anwohnerbeschwerden wegen Geruchsbelästigung gegen null, was für ein harmonisches zukünftiges Miteinander sorgt. Mit dem Mineralien-Portfolio der Firma Imerys bieten sich nun vielfältige Möglichkeiten, den Formstoff fundamental zu ändern. Dazu wird derzeit an neuen Binder-Konzepten sowie neuen Additiven und Kohlenstoffträgern gearbeitet. Diese tragen ebenfalls zur Schadstoffreduzierung bei teils gleichzeitiger Verbesserung der Formstoffeigenschaften bei. Der Vortrag soll einen Überblick über die in zehn Jahren erzielten Ergebnisse eines breiten Gießereispektrums geben sowie über Neu-Entwicklungen umweltfreundlicher Produkte informieren. Mehrwert und hohe Produktqualität durch Smart Data bei der Formsandaufbereitung Auch als Nachrüstlösung für PC und Smart Phone Dipl.-Ing. (FH) Michael Link Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co KG, Hardheim Daten sind im digitalen Zeitalter der Rohstoff für wirtschaftliche Wertschöpfung - ihre intelligente Nutzung ist die Quelle von Innovation und Wachstum [1]. Durch innovative Datenanalyseverfahren können prozesstechnische Zusammenhänge dargestellt und beschrieben werden. Dadurch wird es möglich neue Prozessregelkreise zu etablieren oder bereits vorhandene zu optimieren. Damit Methoden von Smart Data effizient bei Formsand-Aufbereitungsanlagen genutzt werden können, muss es eine flexible und anpassungsfähige Plattform geben. Smart Data Innovationen aus Daten Voraussetzung einer sicheren und qualitätsgerichteten Gussproduktion ist ein effizientes System zur Überwachung und Korrektur der Formsandeigenschaften mit einer lückenlosen Dokumentation der wichtigsten Parameter. Nur so lässt sich eine konstant hohe Qualität von bentonitgebundenem Formsand sicherstellen [2]. Bei den Aufbereitungsanlagen von EIRICH werden hierzu ausgewählte Prozessdaten erfasst und auf Basis der produktionsspezifischen Rezepturen und Modellkataloge bewertet. Die Resultate dieser fortlaufenden Bewertung führen zu einer automatischen Anpassung der Prozessparameter, um die produktionsbedingten Veränderungen im Sandsystem möglichst gut zu kompensieren und dadurch eine konstant hohe Qualität sicherzustellen. Dies wird erreicht durch den Vergleich von aussagekräftigen Prozessdaten aus dem Eirich-Intensivmischer zusammen mit Ergebnissen des vollautomatischen Formsand-Prüfgerätes Qualimaster AT1, welches von jeder Charge mehrere Proben nimmt. Hinzu kommen Daten aus der Formanlage über die nächsten geplanten Modellwechsel oder z. B. unabgegossene Ballen. Dadurch kann die Anlagensteuerung das Sandsystem auf Basis dieser Information kontinuierlich anpassen. Um eine weitere Verbesserung der Qualität und der Prozessfähigkeit zu erreichen, werden Smart-Data-Werkzeuge zum Einsatz kommen. Damit diese Werkzeuge möglichst gut in bestehende Anlagen integriert werden können, wird es von Eirich eine flexible und anpassungsfähige Plattform geben, die eine leichte und schnelle Analyse von umfangreichen Prozessdaten ermöglicht. Dies sind z. B. Verläufe von Temperaturen, Motorbelastungen, Materialzugaben, Sandverteilungen usw. Diese Smart-Data-Plattform kann einfach nachgerüstet werden und ist für die Bedienung mit nahezu beliebigen browserfähigen Endgeräten ausgelegt. Dadurch kann die Nutzung sowohl in bestehenden Leitständen und Management Dashboards erfolgen wie auch mit mobilen Einzelgeräten an beliebigen Standorten. Darüber hinaus können auch Prozessdaten, die nicht von einer Eirich-Steuerung zur Verfügung gestellt werden, in die Plattform integriert werden, sodass auch eine prozessübergreifende Analyse sehr effizient möglich wird. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer Zukunft, in der auch komplexe und sich wechselseitig beeinflussende Produktionsprozesse durch intelligente Systeme unterstützt oder sogar gesteuert werden. Literatur [1] Smart Data Innovationen aus Daten, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), DE/Artikel/Digitale-Welt/smart-data.html [2] Eirich Qualimaster AT1 als Online-Formsand- Prüfgerät, GP-SPECIAL 4/2008, S.131, J. Gaede Fa. Eirich 32

33 Formstoff-Forum 2018 TAGUNGEN UND MESSEN Anorganische Formstoffbinder Beschreibung der Entkernbarkeit umgossener organisch und anorganisch gebundener Sandkerne mittels eines Zerfallsratenkriteriums B. Stauder (V) Nemak Linz GmbH, A-4030 Linz M. Berbic ÖGI, A-8700 Leoben Prof. P. Schumacher, Prof. H. Harmuth Montanuniversität Leoben, A-8700 Leoben Der Zerfall von Sandkernen nach dem Gießen ist bislang wenig untersucht. Aufgrund der vielfältigen Einflussfaktoren ist dessen Ermittlung auch nur gering standardisiert. Neben Restfestigkeitsuntersuchungen thermisch beanspruchter Kerne sind verschiedene Versuchsanordnungen zur Ermittlung der Entkernbarkeit bekannt. Prozesszeiten, aber nicht der resultierende Zerfallsgrad der Kerne werden dabei ausgewertet. Daher wird die Anwendung eines Zerfallsratenkriteriums für organisch und anorganisch gebundene Kerne vorgestellt, um die Entkernbarkeit mit Bezug zur eingesetzten Rezeptur quantitativ zu erfassen. Der Einfluss von Prozessvariationen auf unterschiedliche Kerntypen wird dargestellt. Neben der deutlichen Wirkung thermischer und atmosphärischer Bedingungen wurde die Bedeutung der Sprödheit von Kernen demonstriert. Einleitung Zur Beurteilung des Zerfallsverhaltens werden unterschiedliche Methoden angewandt. Am weitesten verbreitet und schnell umsetzbar sind Restfestigkeitsuntersuchungen an thermisch konditionierten Sandkernproben. Ausschlagversuche von eingegossenen zylindrischen Druckprobekernen wurden in diversen Arbeiten des polnischen Gießereiinstitutes vorgestellt [1, 2], wobei die Ausschlagenergie über die Schlagzahl auf den Kern bestimmt wird. Praxisnahe Entkernversuche von Probekörpern liegen beispielsweise von Untersuchungen der AFS vor [3], inklusive Studien zur Entsandungsdauer für unterschiedliche Systeme. Bezüglich thermischer Schädigung wurden auch Kerntauchversuche in Schmelze mit anschließender Beurteilung der ersetzten Kernoberfläche dokumentiert [4]. An realen Bauteilen sind im Zuge einer Prozessentwicklung bzw. bei Änderungen an der Kernzusammensetzung stets Entkernversuche zur Validierung einer erforderlichen Sauberkeit nötig. Bauteilversuche sind in der Gusspraxis nach wie vor unverzichtbar und die nahezu einige zuverlässige Möglichkeit, um die Entkernbarkeit zu ermitteln. Dafür konnten in der Fachliteratur Empfehlungen gefunden werden, u.a. Knollengrößen des Entkerngutes und das Ausmaß von Oberflächenanhaftungen mit zu betrachten [5]. Eine weitere Differenzierung über das Ergebnis des Sandkernzerfalls ist bislang nicht dokumentiert. Umgossene Kerne werden lokal sehr unterschiedlich beansprucht. Haupteinflüsse sind die Strömungsverhältnisse der Schmelze, Wandstärkenvariationen von Guss und Kern und sich daraus ergebende den entstehenden Heiz- und Kühlraten. Allfällige Oberflächeneffekte durch Penetration oder chemische Affinität der Kerne mit der Schmelze können zu einer intensiven Verbindung führen. Im Zuge der Bauteilabkühlung entsteht eine überlagerte mechanische Belastung durch die Schwindung des Gussstücks und lokale Ausdehnung des Kerns. Im Inneren von Gussteilen entstehen durch Kerngase dominierte atmosphärische Verhältnisse. Organische Kerne unterliegen naturgemäß einem thermisch induzierten Zerfall. Die Natur anorganischer Binder, die dem heutigen technischen Stand entsprechend zumeist auf Silikatbasis entwickelt sind, ist eine thermische Beständigkeit bis zu einer Erweichungstemperatur [6]. Daher kann für Temperaturen deutlich unterhalb der Erweichung (ca. bis 600 C) kein thermischer Schädigungsbeitrag erwartet werden. Zudem bestehen kommerziell verfügbare anorganische Bindersysteme neben dem Binder auch aus Additive zur Modifizierung der Anwendungseigenschaften [7]. Aus anwendungstechnischer Sicht unterliegen diese Bindemittel, aber auch organische Bindemittel einer stetigen Weiterentwicklung. Aufgabenstellung Die kontinuierliche Entwicklung der Kernformstoffe erfordert neben allen Aspekten der Kernherstellung, Lagerung, des maßgetreuen Gießens auch eine ständige Beobachtung der Entsandungseigenschaften. In dem Beitrag wird ein Zerfallsratenkriterium für die quantitative Beurteilung der Entkernbarkeit vorgestellt, um eine messbare kernbezogene Größe zu erhalten. Anhand von Produktbeispielen mit organisch und anorganisch gebundenen Kernen im Al-Kokillenguss und unter Anwendung unterschiedlicher thermischer Beanspruchung wird die Sensibilität des Kriteriums demonstriert. Experimenteller Teil Ein Probegusskörper mit eingegossenem keilförmigem Versuchskern wurde über Kokillenguss hergestellt. Dadurch wurde die Notwendigkeit einer Zerstörung des Kernes erzwungen. Der Gießprozess erfolgte temperaturkontrolliert und wurde in [8] beschrieben. Drei unterschiedliche thermische Verhältnisse wurden nach dem Gießen von Probekörpern angewandt: 1. natürlich an Luft, 2. beschleunigt im Wasserbad sowie 3. verzögert unter Isolationsmaterial. Zusätzlich, zur Ermittlung der ursprünglichen Kerneigenschaften, wurde Kernsand in entleerten Gusskörpern direkt ausgehärtet und ausschließlich thermisch vorbelastet. Jeglicher Beitrag durch Thermoschock und Gussschwindung entfiel dadurch. Die Entkernung solcherart hergestellter Probekörper erfolgte auf zwei unterschiedlichen Versuchseinrichtungen: einem Vibrationsrütteltisch, vorgestellt in [8], und einer industriellen Hammerstation. Schwingungsmessungen wurden zur Charakterisierung der maximalen Beschleunigungsamplituden vorgenommen. Für den Vibrationsstand wurden maximal 100 g, für eine mit Gummimatten gedämpft betriebene Hammerstation wurden g an einem instrumentierten Probekörper ermittelt. Die Dämpfung wurde eingebracht, um die zeitliche Auflösung der Entsandung zu verbessern. Die Sandmasse wurde über eine Digitalwaage kontinuierlich erfasst. Für die Vibrationsentkernung war das in 1 -s-intervallen und für die Hammerentkernung in 2,5 -s-intervallen möglich. Die Daten ließen die Auswertung einer minimalen Entsandungsrate zu. Das Entkerngut wurde vollständig aufgefangen und bezüglich Knollenanteil und Korngrößenverteilung analysiert, die die weiteren wesentlichen Grundlagen für das Zerfallsratenkriterium laut [8] darstellen. Dieses Prinzip lässt sich für jeden beliebigen Versuchsaufbau umsetzen. Quarzsandkerne mit einem Furan- Warmboxbinder und mit einer Na-Silikatlösung, beide Systeme warm ausgehärtet, wurden verglichen. Verhalten von Furan Warmbox-Kernen Die Furan-Warmbox (FW) Kerne zeigten auf dem Vibrationsprüfstand eine äußerst geringe Zerfallsrate, sowohl für thermisch behandelte als auch für umgossene Kerne. Dies wird auf den mangelnden Luftaustausch in der Probengeometrie zurückgeführt. Eventuelle Sekundärbindungen durch volatile Komponenten könnten zu einer erhöhten Festigkeit ebenfalls beitragen. Aus Restfestigkeitsuntersuchungen kann dieser Effekt nicht 33

34 TAGUNGEN UND MESSEN Formstoff-Forum 2018 erklärt werden, da die Proben nach 400 C Beanspruchungstemperatur bereits kaum manipulierbar sind. Die Proben wurden erfolgreich mit differenzierten Ergebnissen auf der Hammerstation entkernt. Verhalten von wasserglasgebundenen Kernen Die wasserglasgebundenen Kerne wiesen auf dem Vibrationsprüfstand eine gute Entkernbarkeit auf. Für die thermisch beanspruchten Kerne nahm die Zerfallsrate mit zunehmenden Temperaturen auch zu. Die umgossenen Kerne zeigten weiter erhöhten Zerfall mit kleineren Knollen. Eine abnehmende Festigkeit von wasserglasgebundenen Kernen für Temperaturen bis zu 600 C ist bekannt und hat sich in der Zerfallsrate ebenfalls gezeigt. Die Ursache dafür wurde bislang zwar häufig dargestellt (u. a. Gettwert et al [9]), jedoch kaum diskutiert. Neben Trocknungsreaktionen kommt hier eine mechanische Schädigung des spröden Binders durch die hohe thermische Ausdehnung von Quarz zum Tragen. Aus Restfestigkeitsuntersuchungen kann dieser Effekt nicht erklärt werden, da die Proben nach 400 C Beanspruchungstemperatur bereits kaum manipulierbar sind. Die Proben wurden erfolgreich mit differenzierten Ergebnissen auf der Hammerstation e<ntkernt. Diskussion des Zerfallsratenkriteriums Das Zerfallsratenkriterium lässt eine deutliche Differenzierung der Ergebnisse auch bezüglich umgebungsbedingter Einflussfaktoren zu, was im Vergleich zu bisher üblichen Zeitanalysen oder Ja/Nein Entscheidungen eine Verbesserung darstellt. Wichtig ist eine separate Betrachtung von Oberflächeneffekt und bei dünnen Kernwandstärken eine potenziell intensive mechanische Verklammerung dieser mit dem Gussteil, was erschwerend für die Entkernbarkeit wirkt. Literatur [1] I. Izdebska-Szanda, M. Angrecki, and S. Matuszewski, Investigating of the Knocking Out Properties of Moulding Sands with New Inorganic Binders Used for Castings of Nonferrous Metal Alloys in Comparison with the Previously Used, Arch. Foundry Eng., vol. 12, no. 2, pp , [2] S. M. Dobosz and K. Major-Gabryś, The mechanism of improving the knock-out properties of moulding sands with water glass, Arch. Foundry Eng., vol. 8, no. 1, pp , [3] C. Henry, R. Showman, and G. Wandtke, (Ashland), Core and Foundry Process Variables Affecting Aluminum Casting Shakeout of Cold Box Cores, Trans. Am. Foundry Soc., vol. 107, pp , [4] J. M. Denis and A. Schrey, Fortschrittliche Polyurethan-Cold-Box- Binder für Aluminiumguss mit verbessertem thermischen Zerfall und geringerer Umweltbelastung, Giesserei, vol. 93, no. 1, pp. 1 4, [5] E. Flemming and W. Tilch, Formstoffe und Formverfahren, 1st ed. Leipzig, Stuttgart: Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, [6] T. Steinhäuser and B. Wehren, Regenerierung von anorganisch gebundenen Kernsanden, Giesserei, vol. 99, no. 3, pp , [7] L. Zaretskiy, Modified Silicate Binders New Developments and Applications, Int. J. Met., p. 12, [8] B. J. Stauder, H. Harmuth, and P. Schumacher, De-agglomeration rate of silicate bonded sand cores during core removal, J. Mater. Process. Technol., [9] R. Döpp, R. Deike, and G. Gettwert, Beitrag zum Wasserglas-CO 2 -Verfahren, Giesserei, vol. 72, no. 22, pp , Anorganische Bindemittelsysteme im Eisenguss Aktueller Entwicklungsstand und Ausblick Dr. F. M. Mück (V), Dr. C. Appelt ASK Chemicals GmbH, Hilden Die Inotec-Technologie der ASK Chemicals GmbH ist bislang auf die großserielle Anwendung im Leichtmetallguss vor allem in der Mittel- und Großserienfertigung beschränkt [1]. Auch im Schwermetallguss bergen anorganische Bindersysteme als emissionsfreie Systemalternative großes Potential, doch müssen erst eine Vielzahl an materialwissenschaftlichen und technologischen Hürden überwunden werden. So sind beispielsweise die Prozessabläufe und Sandsysteme komplexer und die Ansprüche an die thermische Beständigkeit des Binders deutlich höher [2]. Im Vortrag werden Anforderungen an das anorganische Bindersystem im Eisenguss sowie der aktuelle Entwicklungsstand vorgestellt. Es werden weiterhin verschiedene Lösungsansätze zur Verbesserung einzelner Prozessschritte unter Verwendung der Komponenten Bindersystem, Schlichte und Kernsand diskutiert. Motivation Die Inotec-Technologie der ASK Chemicals GmbH beschreibt eine außerordentlich ressourcen- und energieeffiziente sowie umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen organischen Kernherstellungsverfahren. Der Einsatz anorganischer Bindemittelsysteme hat sich in großseriellen Fertigungstechniken zur Gussteilerzeugung in den vergangenen zehn Jahren, vor allem im Aluminium Niederdruckkokillen- und Schwerkraftguss bei der Fertigung von Zylinderköpfen und -kurbelgehäusen, durchgesetzt. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber organischen Kernherstellungsverfahren ist das Verringern oder sogar Vermeiden von Gerüchen und Emissionen (Zersetzungsprodukte, Kondensate) während der Kernherstellungs-, Kernlagerungs- und Gießprozesse. Dadurch können nicht nur Luftaufbereitungsmaßnahmen eingespart, sondern auch Wartungs- und Reinigungsaufwand der Metalldauerformen deutlich reduziert werden [1]. Warum ist die Implementierung anorganischer Bindemittelsysteme bislang nur auf die großserielle Anwendung im Leichtmetallguss begrenzt? Welche technologischen sowie materialwissenschaftlichen Hürden müssen überwunden werden um die Inotec-Technologie auch im Eisenguss erfolgreich zu etablieren? Besondere Anforderungen an das anorganische Bindersystem im Eisenguss Seit etwa einer Dekade gibt es diverse Machbarkeitsstudien zum Einsatz anorganischer Bindemittel in Eisengussanwendungen. Ein prominentes Beispiel hierzu ist die Studie zur Herstellung einer belüfteten GJL-Bremsscheibe, welche die Komplexität dieses Vorhabens ausführlich beschreibt [3]. Die Unverträglichkeit anorganisch-gebundener Sandkerne gegenüber Wasserschlichten, ein zu geringes Maß an thermischer Stabilität und ein schlechter Kernzerfall sind materialwissenschaftliche Schwachstellen anorganischer Bindemittelsysteme, die deren Einsatz im Eisenguss bislang limitieren. Erste Versuche auch filigrane Kerngeometrien unter Einsatz wasserbasierter Schlichten vor dem Eintrag thermischer Energie während der Eisengießprozesse zu schützen, scheiterten bereits während Bild 1: Verbesserte Kernstabilität im Schlichte-Trocknungsprozess durch gezielte Modifikationen des Bindersystems sowie der Schlichteformulierung. 34

35 Formstoff-Forum 2018 TAGUNGEN UND MESSEN Bild 2: a) Erhitzungsmikroskop-Untersuchungen zur Thermostabilität anorganischer Bindersysteme. b) Einfluss der thermischen Stabilität des anorganischen Bindersystems auf die thermische Längenausdehnung des Sandkerns. der Schlichte- und Trocknungsvorgänge an Kernbruch. Weitere prozessrelevanten Herausforderungen für die Verwendung anorganischer Bindemittelsysteme im Eisenguss sind die Überprüfung der Grünsandverträglichkeit, der Umgang mit alkalischen Altsanden, sowie eine zur Cold-Box-Technologie konkurrenzfähige Optimierung der Taktzeiten. Entwicklungsstand und Ausblick Derzeit steht die gezielte Modifikation der chemischen und physikalischen Materialeigenschaften des Bindemittelsystems im Mittelpunkt aktueller Forschung. So konnte bislang schon die Verträglichkeit von wasserbasierter Schlichte und Inotec-gebundenem Sandkern gesteigert werden, dass heute selbst filigrane Kerngeometrien prozesssicher und deformationsfrei geschlichtet werden können (Bild 1). Durch den Auftrag spezifischer Schlichteformulierungen können gleichzeitig Schmelz- und Sinterungsvorgänge des anorganischen Bindemittelsystems unterbunden werden, woraus deutlich optimierte Zerfallseigenschaften und Gussoberflächen resultieren. Des Weiteren kann die Thermostabilität des Bindersystems gezielt eingestellt werden (Bild 2a). Eine Erhöhung dieser alleine führt jedoch nicht zwingend zu einer Verbesserung der Maßhaltigkeit des Gussstückes, da sich auch das Längenwachstum des Sandkernes proportional zur Thermostabilität erhöht und zu Maßabweichungen des Gussteils führen kann (Bild 2b). Angestrebt wird ein ganzheitlicher Lösungsansatz, in dem die Komponenten Bindersystem (Binder und Promotor), Schlichte und Kernsand optimal auf die speziellen Anforderungen der jeweiligen Kerngeometrie sowie die Prozessbedingungen abgestimmt sind. Enge Kooperationen mit Entwicklungspartnern der Automobilindustrie ermöglichen eine stete und systematische Weiterentwicklung der anorganischen Bindemittelsysteme für Eisengussanwendungen, da technologische Erkenntnisse aus dem Labor in praktische Betriebsabläufe übertragen sowie Eigenschaften und Leistungsprofil spezifischer Formgrundstoffformulierungen an realen Bauteilgeometrien seriennah untersucht werden können. Literatur [1] Dr. Appelt, C: Materialeigenschaften und Prozessanforderungen bei der anorganischen Kernfertigung. GIESSEREI. (2017), Heft 12, S [2] Dr. Müller, J; Dr. Deters, H; Oberleiter, M; Zupan, H; Dr. Lincke, H, Resch, R; Körschgen, J; Kasperowski, A: Geht nicht gibt s nicht Weiterentwicklungen im Bereich anorganischer Bindersysteme. GIESSEREI-PRAXIS. (2014) 1-2, S [3] Sasse, S; Knechten, J.; Brotzki, J.; Wallenhorst, C.; Gerhards, A.; Wojtas, H.-J.: Entwicklung eines anorganischen Bindersystems für die GJL-Bremsscheibenfertigung. Sonderdruck. GIESSEREI. (2011), Heft 4, S Prüfmethoden zur Charakterisierung der Fließfähigkeit anorganischer Kernsandmischungen Kernherstellung mit anorganischen Bindersystemen Dr. Dipl.-Ing. V.A.C. Haanappel (V), Dipl.-Ing. J. Morsink Foundry R&D Centre Foseco Nederland BV, Pantheon 30, 7521 PR Enschede, Niederlände Der Einsatz organischer Bindersysteme in der Gießereiindustrie führt zwangsläufig zu schädlichen Emissionen durch die thermische Zersetzung der organischen Bindemittelbestandteilen. Diese Emissionen sind eine starke Belastung sowohl für die Mitarbeiter der Gießerei, aber auch der Umwelt, die sich nur durch komplexe technische Maßnahmen minimieren lässt. Durch die Einführung von anorganischen Bindersystemen lassen sich die schädlichen Emissionen vermeiden, da keine umweltschädlichen Stoffe bei der Anwendung freigesetzt werden. Um die gleiche Produktivität und Qualität organisch gebundener Formen und Kerne zu erreichen ist noch viel F&E-Aufwand nötig. Ziel ist die Herstellung von qualitativ hochwertigen Formen und Kernen mit anorganischen Bindersystemen, besonders durch die Anpassung der Fließfähigkeit der Sandmischung. Einige Prüfmethoden zur Charakterisierung der Fließfähigkeit werden im Folgenden diskutiert. Anorganische Bindersysteme Anorganische Bindersysteme für Formen und Kerne werden als Zweikomponentensysteme verarbeitet. Sie bestehen aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung und einem anorganischen Pulveradditiv. Für das Additiv werden meist Mischungen verschiedener Minerale verwendet. Diese Bindersysteme sind umweltverträglich, enthalten keine gefährlichen Stoffe, werden mit Warmluft ausgehärtet und erfordern keine aufwändige Altsandentsorgung. Bevor anorganische Bindersysteme die bisherigen organischen Kernbinder ablösen können, bedarf es sicherlich noch einiger Entwicklungsaktivitäten. Mit dem anorganischen Bindersystem "Solosil" können Formen und Kerne hergestellt werden. Es ist ein warmhärtendes System das geeignete Festigkeiten gewährleistet, ein mit organischen Bindern vergleichbares Produktivitätsniveau mit Umweltverträglichkeit kombiniert. Fehlerfreie Gussteile Die Herstellung fehlerfreier Gussteile wird neben einer Vielzahl von Prozessparametern wesentlich von der Kernqualität beeinflusst. Typische Fehler bei der Kernherstellung sind eine ungleichmäßige Verdichtung des Sandes, Fehlstellen im Kern selbst und zu niedrige Festigkeiten. Fehlerhafte Kerne führen dann zu Gussfehlern am fertigen Stück. Das Ziel dieses Beitrages ist nicht alle theoretisch möglichen Prozessparameter zu diskutieren, sondern um die Messung spezifische Parameter bzw. Prozessgrößen die bei der anorganischen Kernherstellung wesentlich die Qualität der Kerne zu bestimmen. Fließfähigkeit der Sandmischungen Eine wesentliche Größe bei anorganischen Bindern ist die Fließfähigkeit der jeweiligen Sandmischung. Die Fließfähigkeit der Sandmischung stellt sicher, dass der Kernkasten beim Schießvorgang vollständig gefüllt wird. Eine niedrige Oberflächenreibung zwischen den Sandkör- 35

36 TAGUNGEN UND MESSEN Formstoff-Forum 2018 Bild 1: Links: Kern mit schlechter/nicht ausreichender Verdichtung durch schlechte Fließfähigkeit des Sandes. Rechts: Kern mit gleichmäßiger Verdichtung durch verbesserte Fließfähigkeit des Sandes. der Oberfläche-Aktiven Komponenten auf der Oberflächenspannung, wobei Typ A am schlechten und Typ B am besten die Oberflächenspannung runterbringt. Um die Wirksamkeit des modifizierten Binders zu prüfen, werden verschiedene Sandmischungen hergestellt und mit einem geeigneten Messgerät wird die Fließfähigkeit der Mischungen gemessen. Es kann gezeigt werden, dass eine verringerte Oberflächenspannung des Binders die Fließfähigkeit der Sandmischungen verbessert. Dazu wurden verschiedene Kerngeometrien geprüft. Weitere Verbesserungen lassen sich durch die Modifikation des pulverförmigen Additives erreichen. Feinkörnige Zusätze sind hier besonders wirkungsvoll, wie abgebildet in Bild 3. Durch eine Kombination der verschiedenen Modifikationsmöglichkeiten lassen sich sowohl die flüssige Binderkomponente als auch das Additiv optimal auf verschiedene Gießereisande abstimmen. Weitere Entwicklungsschritte für das Bindersystem "Solosil" wurden für die Messung der Heißverformung und der Entkernungseigenschaften durchgeführt. Bild 2: Oberflächenspannung im Abhängigkeit der Surfactantkonzentration. nern und niedrige Reibungswerte zwischen Kernkasten und Sandkörnern sind u. a. Voraussetzungen für die vollständige Füllung des Kernkastens. Bild 1 zeigt links einen Kern mit Fehlern, verursacht durch eine schlechte Fließfähigkeit der Sandmischung, und rechts einen einwandfreien Kern mit gleichmäßiger Verdichtung und ohne Fehlstellen. Erreicht wurde dies durch eine verbesserte Fließfähigkeit der Sandmischung. Die Fließfähigkeit der Sandmischungen wird durch verschiedene Parameter beeinflusst, wie Art und Menge des flüssigen Bindemittels und Typ und Menge des eingesetzten pulverförmigen Additivs. Die Additive selbst unterscheiden sich durch die Partikelform und -größe sowie die Korngrößenverteilung und die chemische Zusammensetzung. In den Gießereien werden sehr unterschiedliche Sande aus lokalen Vorkommen eingesetzt. Die Bindemittel und Additive müssen deshalb für die unterschiedlichen Sandqualitäten modifiziert werden. In diesem Beitrag soll gezeigt werden, welche Methoden es für die Bestimmung der Fließfähigkeit verschiedener Sandmischungen gibt. Eine Haupteinflussgröße für die Fließfähigkeit einer Sandmischung ist die Oberflächenspannung des Binders selbst. Zuerst wird die Oberflächenspannung mit einem handelsüblichen optischen Messgerät bestimmt. Durch geeignete Zusätze kann die Oberflächenspannung des Binders verringert werden. Eine verringerte Oberflächenspannung führt zu einem verbesserten Benetzungsverhalten des Binders auf den Sandkörnern der Kernsandmischung. Wie bei vielen Additiven gibt es eine Grenzkonzentration. Höhere Zugaben bewirken keine weitere Senkung der Oberflächenspannung. Bild 2 zeigt der Einfluss Bild 3: Sandkörnchen mit pulverförmigen sphärischen Additiven Anorganisches Kernbindersystem für den Eisenguss ein neuer Ansatz Dr.-Ing. habil. Hartmut Polzin, Dr.-Ing Theo Kooyers Peak Deutschland GmbH, Nossen Die Herstellung von anorganisch gebundenen Kernen für den Eisenguss und besonders für die Anwendung in Kundengießereien mit häufig wechselnden Sortimenten ist eine der wichtigsten zu lösenden Aufgaben der Gießereibranche. In der Praxis eingeführte Technologien zur Herstellung anorganisch gebundener Kerne sind zur Zeit hauptsächlich aus der Großserienfertigung von Aluminiumkokillengussteilen bekannt. Der hier gezeigte Ansatz wurde bereits im Jahr 2013 in seinen Ursprüngen vorgestellt, wobei dort die Herstellung von Aluminiumgussteilen im Fokus stand. Die wesentlichen Charakteristika dieses neuen Verfahrens waren die Verwendung eines Einkomponentenbinders auf Wasserglasbasis ohne zusätzliche Additive, die Aushärtung der Kerne ausschließlich mit Warmluft sowie der Einsatz unbeheizter Kernherstellungswerkzeuge. Anorganisches Kernbindersystem Mit der Entwicklung des vorgestellten Bindersystems soll Eisengießereien, die in vielen Fällen Kundengießereien mit häufig wechselnden Sortimenten sind, eine Möglichkeit zum Einsatz anorganisch gebundener Kerne gegeben werden. Wesentlicher 36

37 Formstoff-Forum 2018 TAGUNGEN UND MESSEN Bild 1: Biegefestigkeiten für zwei Binder bei 1,75 % Binder, 160 C, H 32 Bild 2: Eisengussteil kernseitig nach dem Strahlen Bild 3: Eisengussteil mit anorganisch gebundenem Kern vor und nach dem Strahlen Bild 4: Nasszugfestigkeit Grünsand bei 5 25 % (24 28) Zulauf Kernsand (800 C) Aspekt dabei ist der Wegfall eines teuren beheizten Kernherstellungswerkzeuges aus Stahl, welches nur in der Großserienfertigung zu rechtfertigen ist. Bei dem eingesetzten Bindersystem handelt es sich um ein Bindemittel auf Alkalisilikat- bzw. Wasserglasbasis, welches mit einer ganzen Reihe von Oxiden modifiziert wurde und keinerlei organische Bestandteile enthält [1]. Mit dem System werden Festigkeiten erreicht, die mit denen der am Markt bekannten anorganischen Bindersysteme vergleichbar sind. Durch den Einsatz deutlich geringerer Binderzugaben (in den meisten Fällen 2 % oder weniger) werden geringe Restfestigkeiten nach thermischer Belastung sowie ein sehr gutes Zerfalls-und damit Entkernverhalten sichergestellt. Bild 1 zeigt die Biegefestigkeiten für zwei Binder bei dem sehr niedrigen Bindergehalt von 1,75 %, die natürlich bei Bedarf durch höhere Zugaben gesteigert werden können. Das Bild 1 gibt auch einen Hinweis auf die Lagerfähigkeit von hergestellten Kernen (hier 80 % relative Luftfeuchte) In Abgussversuchen in mehreren Eisengießereien wurden ohne Probleme qualitätsgerechte Gussteile hergestellt (Bilder 2 und 3). Die oft gestellte Frage nach der Beeinflussung des bentonitgebundenen Umlaufformstoffes durch zulaufenden Kernaltsand kann ebenfalls positiv beantwortet werden, wobei dies frühere Untersuchungen bestätigt [2, 3, 4]. Bild 4 zeigt hier beispielhaft, dass der Zulauf von 25 % Kernaltsand (thermische Belastung 800 C) keinen signifikanten Einfluss auf die Nasszugfestigkeit des bentonitgebundenen Formstoffs hat. Die wesentlichen bei einer beabsichtigten Anwendung des Verfahrens offenen Fragen sind lösbar. Zur Bereitstellung der benötigten Heißluft sind entsprechende anlagentechnische Lösungen an den Kernschießmaschinen zu schaffen, weiterhin sind für die Kernkästen geeignete Materialien wie beispielsweise spezielle Kunststoffe oder Aluminium zu verwenden. Wenngleich die angesprochenen Punkte nicht sofort in jeder Gießerei lösbar sind, so gibt das vorgestellte Verfahren doch die Hoffnung auf eine im Eisenguss in nächster Zeit anwendbare Lösung. Literatur [1] Europäisches Patent Nr Verfahren zur Herstellung von verlorenen Kernen oder Formteilen zur Gussteilproduktion [2] Flemming, E.; Polzin, H.: Untersuchungen zum Einfluss von wasserglasgebundenen Kernaltsanden auf tongebundene Formstoffsysteme, GIESSEREI 84, 1997, Nr. 16 [3] Polzin, H.: Anorganische Binder zur Formund Kernherstellung in der Gießerei, Fachverlag Schiele & Schön Berlin, 2012 [4] Friede, M. M.: Der Einfluss von anorganisch gebundenen Kernaltsanden auf tongebundene Umlaufformstoffe, Studienarbeit, TU BA Freiberg, 2015 Vergleich der Entkernung von 3D-gedruckten und geschossenen, anorganisch gebundenen Kernen im Aluminiumguss Dr.-Ing. D. Günther (V) Fraunhofer IGCV, Garching b. München F. Ettemeyer Fraunhofer IGCV Die Parameter für das Entkernen von Gussteilen im Aluminiumguss werden bisher empirisch ermittelt. Dazu muss aber ein Gussteil vorliegen, sodass zu diesem Zeitpunkt die Prozesskette bereits angelaufen ist. Eine Idealvorstellung wäre es, das Entkernen schon in der Produktentwicklung mit zu berücksichtigen. Hierzu ist es notwendig, das Entkernen als Prozess der gezielten Überlastung des Kernes zu verstehen. Für ein tiefgehendes Verständnis fehlen bisher noch grundlegende Modelle und Methoden. Dieser Beitrag stellt vor, wie systematisch Beobachtungen und Messungen gemacht werden können. Zudem werden verschiedene Kernherstellungsverfahren, das Kernschießen und das Kerndrucken, bezüglich der Entkernung, miteinander verglichen. Dies soll es ermöglichen, grundlegende Zusammenhänge leichter aufzudecken, aber auch Hinweise zu finden, wie insgesamt wirksamer entkernt werden kann. 37

38 TAGUNGEN UND MESSEN Formstoff-Forum 2018 Einleitung Anorganische Bindemittel auf Wasserglasbasis stellen beim Entkernen aufgrund des temperaturstabilen Verhaltens eine Herausforderung dar [1]. Dabei nimmt die Festigkeit der Kerne beim Kontakt mit der Schmelze nicht wie bei organischen Bindemitteln ab, sondern auf Grund von Versinterungen zu. Durch das Aufschrumpfen des Gussteils auf den Kern entsteht so ein Spannungszustand, der hohe Kräfte erfordert, um ein Zerfallen des Kernes zu erreichen. Ziel dieser Untersuchung ist es, den Entkernvorgang besser zu verstehen und damit Wege zu einer sinnvollen Parametrierung aufzuzeigen. Stand der Technik Der Prozess des Entkernens wird nach dem Stand der Technik über Laborversuche für jedes Gussteil neu entwickelt. Dabei sind, auch bei organischen Systemen, Erfahrungen die Basis der Arbeiten. Dieses Defizit in der Systematik zieht sich durch bis in die Formkonstruktion. Fragestellung Der Untersuchungsgegenstand dieser Studie ist das Entkernverhalten von geschossenen und gedruckten anorganischen Kernen. Dabei sollen Unterschiede und Ähnlichkeiten aufgezeigt werden. Zusätzlich sollen grundsätzliche Eigenschaften der Kerne in der Diskussion den gesammelten, gemessenen Erkenntnissen gegenübergestellt werden, um die Einflussfaktoren auf makroskopischer Ebene besser zu verstehen. Damit soll es auch möglich werden Empfehlungen für die Entkernung kritischer Geometrien zu geben. Methodik Die Entkernung soll mit einem Standardversuch erfasst werden. Dabei wird ein rohrförmiger Prüfkörper gegossen, der dann auf einem Teststand einer definierten Schlagbelastung ausgesetzt wird. Dieser Teststand soll es ermöglichen den ersten Anriss des Kernes zu verstehen. Die Gussform für den Versuchskörper wird mit dem Powder-Binder-Jetting 3D-Druckverfahren [2] hergestellt. Das Design sieht dabei vor, dass verschiedene Wandstärken und Öffnungswinkel zur Variation des Spannungszustandes im Kern beim Versuchskörper realisiert werden können. Der Kern selbst wird über zwei Verfahren hergestellt. Zum einen wird der zylindrische Sandkern mit einer Kernschießmaschine von Loramendi Typ SLC2-25L mit beheiztem Kernkasten geschossen. Als Materialsystem kommt ein Quarzsand des Typs H32 von Quarzwerke und das Inotec Bindesystem von ASK zum Einsatz. Zum anderen werden Kerne gleicher Abmessungen mit einem 3D-Drucker erzeugt. Hier werden ebenso Kerne mit H32 erzeugt, aber auch Kerne mit einem für den 3D-Druck typischen G14-RP-Sand. Als Bindesystem wird das zum Inotec-System korrespondierende ASK-System für den anorganischen 3D-Druck verwendet. Die Formen mit den jeweils eingelegten Kernen werden bei einer Temperatur von 780 C eingegossen. Als Legierung kommt AlSi10Mg zum Einsatz. Nach dem Guss werden die Prüfkörper vorsichtig aus der Form gebrochen, um den Kern nicht vorzuschädigen. Die so erhaltenen Prüfkörper werden in eine Vorrichtung eingespannt. Diese Vorrichtung ist steif ausgeführt und mit einer großen Masse verbunden. Über ein Pendel können definiert Belastungen in Form von Schlägen auf den Kern ausgeübt werden. Der Belastungsmechanismus weist einer Fallhöhe von bis zu 30 cm auf und ist für ein Hammergewicht von ca. 500 g geeignet. Somit sind Impulse bis zu 1,5 Joule erzeugbar. Der Bruch wird unter anderem optisch ausgewertet. Dabei werden Risse und das ausgebrochene Volumen beurteilt und quantitativ bewertet. Zudem wird der Aufschlag des Impulshammers mit einem Laser-Doppler-Vibrometer verfolgt. Das Vibrometer des Typs Polytec OFV 3001 misst die Geschwindigkeit an einem Punkt der Probe. Mit den Messdaten kann die Wirkung der Trägheit bei der Einwirkung des Hammers abgeschätzt werden und die Schwingung der Probe verfolgt werden. Ergebnisse Das Bruchbild zeigt bei allen untersuchten konventionellen Proben ein wiederkehrendes Schema. Die Probe bricht in der Nähe des Anschlagpunktes. Dieser Bruch breitet sich über den Kern strahlenartig aus. Bei höherer Einschlagenergie platzt ein kegelförmiges Stück aus der Mitte des Kernes heraus. Dabei bleibt am Rand des Kernes Material zurück, das Risse aufweist, nicht aber durch den Impuls weggeschleudert wird. Dieses Verhalten tritt ebenso bei den gedruckten Proben auf. Hier ist zudem deutlich die Druckstrategie zu erkennen. Im Randbereich also dem Kontaktbereich mit der Schmelze wird mehr Binder eingedruckt als in der Mitte. Im Bruchbild ist deswegen eine deutliche Kante innerhalb des Kerns zu erkennen. Insgesamt platzt bei gleicher Einschlagenergie ein größerer Anteil des Kerns ab. Eine exemplarische Messung mit dem Laservibrometer zeigt, dass der Schlag des Hammers bei rund 15 cm Fallhöhe eine mittlere Beschleunigung von m/s² der Probe erzeugt. Diese Beschleunigung führt unter der Annahme, dass der Formstoff mit maximal 1 N/mm² belastbar ist, theoretisch bereits zum Bruch an der Einschlagstelle durch die Trägheitswirkung des Kernes. Ebenso gibt der Messschrieb die Eigenschwingung und die Dämpfung der Schwingung wieder. Qualitativ ist die Schwingung einer intakten Probe mit Kern deutlich unterschiedlich zu einer Probe mit gebrochenem Kern und einer entleerten Probe. Dabei bilden sich bei der gebrochenen und der leeren Probe zusätzliche Frequenzen aus, die den Gesamtverlauf deutlich von einer Sinusform abweichen lassen. Diskussion Die Messergebnisse zeigen, dass verschiedene Spannungen im Kern für das Verständnis des Bruches zu berücksichtigen sind. Zum Ersten deuten die Verschiebungen in der Eigenfrequenz auf eine erhebliche Radialspannung durch den Prozess der Erstarrung der Schmelze hin. Zum Zweiten belegen die Ergebnisse, dass zumindest bei massiven Kernen unter Impulsbelastung die Spannung durch die Beschleunigung nicht vernachlässigt wer- 38

39 Formstoff-Forum 2018 TAGUNGEN UND MESSEN den kann. Insgesamt ergibt sich ein mehrachsiger Spannungszustand für den eine geeignete Modellierung gefunden werden muss. Zudem ist es notwendig, für diesen Spannungszustand Materialkennwerte zur Berechnung des Versagens zur Verfügung zu stellen. Beide Themen werden im Rahmen von Forschungsprojekten am IGCV untersucht. Der Vergleich der geschossenen und gedruckten Proben zeigt, dass die Impulse bei gedruckten Proben deutlich wirksamer sind. Diese für die gesamte Entkernung positive Wirkung scheint für das Drucken charakteristisch zu sein und könnte zum einen auf die geringere Dichte der Kerne zurückgeführt werden. Dabei würden die Radialspannungen auf Grund der geringeren Steifigkeit geringer ausfallen. Ebenso könnte die Druckstrategie diesen Effekt begünstigen. Da im Kernbereich gezielt weniger Binder eingebracht wird und deshalb weniger Festigkeit gebildet wird, bricht der Kern nicht an der Kontaktstelle zwischen Metall und Kern zuerst, sondern im Inneren. Dies kann für das Entkernen von Vorteil sein. Diese Beobachtung kann in zukünftigen Versuchen genutzt werden, um den Effekt gezielt zu überhöhen. Beim Kernschießen kann dies durch die Wahl der Prozessparameter beim Drucken über einfache Anpassungen der Bindermengen geschehen. Ebenso ist es möglich, gezielt Strukturen im Kern über das Drucken zu erzeugen, die das initiale Anbrechen des Kernes begünstigen. Literatur [1] Polzin, H. (2013). Anorganische Binder: Zur Form-und Kernherstellung in der Gießerei. Fachverlag Schiele & Schön. [2] Günther, D., & Mögele, F. (2016). Additive Manufacturing of Casting Tools Using Powder- Binder-Jetting Technology. In New Trends in 3D Printing. InTech. Anorganik Die neueste Generation Ralf Boehm Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH, Düsseldorf auf der ganzen Welt aufmerksam beobachtet und verfolgt. Die technischen Voraussetzungen und Produktionsstandards sind aber von Region zu Region teilweise sehr unterschiedlich. Besonders die klimatischen Bedingungen stellen eine große Herausforderung dar. Nachfolgend soll ein weiterentwickeltes anorganisches Bindersystem hinsichtlich seiner technologischen Vorteile speziell bei ungünstigen klimatischen Bedingungen beleuchtet werden. Weiterentwickeltes anorganisches Bindersystem: hohe Stabilität und geringe Feuchtigkeitsaufnahme Der Einsatz anorganischer Bindersysteme in den Gießereien hat in letzten Jahren deutlich zugenommen. Wurden im Jahr 2010 weltweit rund 600 Tonnen anorganische Bindemittel eingesetzt, waren es 2015 bereits Tonnen. Diverse deutsche Automobilhersteller sowie einige global aufgestellte Gießerei-Konzerne haben die Anorganik in ihrer Serienfertigung erfolgreich etabliert. Inzwischen sorgt auch in anderen wichtigen Industrienationen ein stärker werdendes Umweltbewusstsein für ein Umdenken in der Gießereiindustrie. Strengere Emissionsstandards werden zum Beispiel in Asien zum Treiber für Produkt- und Prozessinnovationen. Darüber hinaus tragen Technologietreiber wie die deutschen Automobilhersteller VW, Daimler und BMW dazu bei, dass sich in Europa etablierte Technologien auch global als Stateof-the-Art durchsetzen. Doch auch wenn die anorganischen Bindersysteme inzwischen den Kinderschuhen entwachsen sind und wirtschaftliche, qualitativ hochwertige Ergebnisse liefern, ist die Entwicklung bei Weitem nicht zu Ende. Gießerei-Fachleute und Chemiker bei Hüttenes- Albertus haben in den vergangenen Jahren intensiv daran gearbeitet, die Produkte weiter zu verbessern. Dabei hat das Unternehmen verschiedene Herausforderungen im Blick. Zu diesen Herausforderungen gehört unter anderem die Optimierung der Lagerstabilität der Kerne unter schwierigen klimatischen Bedingungen (sprich: feucht-warmer Umgebung), wie sie z. B. in asiatischen Ländern, im Sommer aber auch in Deutschland herrschen. Aufgrund der hydrophilen Eigenschaften der auf der Basis von Wasserglas gebundenen Kerne neigen diese dazu, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen und damit instabil zu werden. Zur Erklärung ein kurzer Blick auf das Funktionsprinzip des anorganischen Bindersystems von Hüttenes-Albertus: Bei dem anorganischen Binder Cordis handelt es sich um eine modifizierte Silikatlösung. Diese wird vermischt mit Kernsand und dem Additiv Anorgit. Unter Temperaturbeaufschlagung in beheizten Kernkästen bildet sich durch einen physikalischen Prozess ein dreidimensionales Netzwerk aus, das dem Sandkern seine Festigkeit verleiht. Zusätzlich werden die Kerne mit erwärmter Luft begast. Das in den Kernen befindliche Wasser wird in die Gasphase überführt und ausgetrieben. Der auf einer thermischen Dehydrierung beruhende Härtemechanismus ist allerdings reversibel (Bild 1). Daher kann es durch eine hohe Luftfeuchtigkeit zur Rückreaktion kommen: Die Bindungen werden geschwächt, was zu reduzierten Festigkeiten, Kernbruch oder Abrasion führen kann. Im Fokus der Entwicklung: Optimierung der Lagerstabilität Ein wichtiges Ziel der Forschung und Entwicklung von Hüttenes-Albertus war daher in den vergangenen Jahren die Verbesserung der Lagerstabilität. Es entstanden neue Produktgenerationen, die die Leistungsmerkmale der emissionsfreien anorganischen Bindersysteme Schritt für Schritt weiter optimieren. So konnte im Vergleich zur früheren Produktgenerationen bereits eine deutlich bessere Vernet- In deutschen Automobil-Aluminium-Gießereien ist der Einsatz anorganisch gefertigter Kerne mittlerweile in weiten Bereichen etabliert. Die aktuellen Forschungen und Weiterentwicklungen richten sich nun auf den effizienten Einsatz der anorganischen Technologie in bestehenden und zusätzlichen Anwendungsfeldern. Die Entwicklungen in Deutschland und die erzielten umwelt- und produktionstechnischen Vorteile der anorganischen Bindersysteme werden nicht nur von den Gießereien in Europa, sondern Bild 1: Thermische Dehydrierung und mögliche Rückreaktion 39

40 TAGUNGEN UND MESSEN Formstoff-Forum 2018 Bild 1: Untersuchung der Lagerstabilität im Klimaschrank Bild 2: Verschiedene Cordis-Generationen im Vergleich: Wasseraufnahme und -abgabe bei schwankender Luftfeuchtigkeit (LF) zung zwischen Additiv und Binder erreicht werden. Spezielle Zusatzstoffe in Binder und Additiv beeinflussen gezielt den hydrophilen Charakter der Kerne und machen sie resistenter gegen erhöhte Luftfeuchten. Produkte der aktuellen Cordis-Generation enthalten bereits Komponenten zur Erhöhung der Kernlagerstabilität. Man hat jedoch festgestellt, dass eine weitere Erhöhung des Anteils an diesen Komponenten zu einer Instabilität des Binders führen kann. Im gemischten Zustand kann es zur Bildung von Gel/Schleim und somit zu einem Niederschlag in der Verpackungsbzw. Lagereinheit kommen. Auf klimatische Bedingungen angepasst Zur Lösung des beschriebenen Problems hat Hüttenes-Albertus ein wirkungsvolles Konzept entwickelt. Dieses besteht in einem neuen, flexiblen 3-Komponenten- System, welches anpassbar ist auf wechselnde Klimabedingungen: Die Additive zur Erhöhung der Lagerstabilität werden dabei nicht wie bisher direkt ab Werk in die Cordis Silikatlösung integriert, sondern separat geliefert in einer Variante Sommer -Additiv für hohe Luftfeuchtigkeiten > 60 % und in einer Variante Winter -Additiv für niedrige Luftfeuchtigkeiten. Das 3-K-System besteht somit aus: Flüssiger Binder Cordis Permanentbinder Flüssiges Additiv Cordis Sommer - Additiv bzw. Cordis Winter - Additiv Additiv (Pulver) Anorgit Permanent Additiv Die einzelnen Binderkomponenten für sich sind langzeitstabil. Je nach klimatischer Situation werden der Permanentbinder, das jeweilige flüssige Additiv sowie das Pulveradditiv dem Sand direkt zugemischt. Man verwendet somit ein hoch leistungsfähiges Bindersystem, das perfekt an die individuellen Bedingungen anpassbar ist und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme sowie eine hohe Lagerstabilität der gefertigten Kerne aufweist. Bei entsprechenden Laboruntersuchungen und Gießversuchen konnte dies verifiziert werden: So wurden bei der Bestimmung der Wasseraufnahme (Bild 2), der Festigkeiten und der Stabilitätseigenschaften in Abhängigkeit von Temperatur und Luftfeuchtigkeit hervorragende Ergebnisse erzielt. Erfolgreicher Einsatz in der Gießerei Auch bei anschließenden Praxisversuchen in einer Gießerei, die bereits das Cordis-Bindersystem einsetzt, konnte das 3-K-System neben der Lagerstabilität der Kerne auch in weiteren relevanten Punkten überzeugen: Performance bei der Kernfertigung, Maßhaltigkeit der Kerne, Ausschussanteil der gefertigten Gussteile, Maßhaltigkeit der Gussteile und bei der Entkernung. In der Praxis kann die Mischung der beiden Binderkomponenten an der zentralen Bindemittelversorgung erfolgen. Dies geschieht durch die Dosierung der flüssigen Komponenten direkt in die Sandmischung. Sollte die entsprechende Anlagentechnik in der Gießerei nicht vorhanden sein (Dosierpumpe, zweiter Vorlagebehälter), hat Hüttenes-Albertus einen passenden Lösungsvorschlag. Fazit Das anorganische 3-Komponenten-System befindet sich seit September 2017 im Serieneinsatz in einer Automobil-Gießerei. Auch bei anderen Gießereien stößt das zum Patent angemeldete System auf großes Interesse. Mikrostrukturbasierte Vorhersage von Materialeigenschaften anorganischer Formstoffe Philipp Lechner (V), Prof. Dr. Ing. Wolfram Volk Technische Universität München, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen Florian Ettemeyer Fraunhofer IGCV, Garching Matti Schneider Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Technische Mechanik Tobias Hofmann, Heiko Andrä Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern Der Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der TU München und das Fraunhofer ITWM arbeiten in einem gemeinsamen Forschungsprojekt an einer mikrostrukturellen Berechnungsmethode, die es ermöglicht, technologische Eigenschaften basierend auf den Eigenschaften von Sand und Binder zu simulieren. Die numerische Methode basiert dabei auf einem dreidimensionalen Modell der Mikrostruktur. Dieses wird eingesetzt, um mit einer Mehrskalen-Simulation makroskopische Eigenschaften des Formstoffs vorherzusagen. Im Vortrag werden Messmethoden und Ergebnisse zur Materialcharakterisierung von anorganisch gebundenen Sand- Binder-Systemen auf Mikro- und Makroebene vorgestellt. Des Weiteren werden erste Ergebnisse zur Modellierung und Simulation der Mikrostruktur gezeigt. Einleitung Getrieben durch strengere Umweltschutzgesetze und dem Streben nach einer nachhaltigen und emissionsarmen Produktion, sind anorganisch gebundene Kerne in den Interessensfokus vieler Leichtmetallgießereien gerückt. Die mechanische Festigkeit, Gasdurchlässigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität sind entscheidend für die Qualität des erzeugten Gussteiles. Die Abhängigkeiten zwischen den Aus- 40

41 Formstoff-Forum 2018 TAGUNGEN UND MESSEN Analyse der Mikrostruktur (CT, REM, Lichtmikroskop) 3D-Modellierung der Mikrostruktur (basierend auf CT-Daten) Berechnung der Makro-Eigenschaften Validierung der Makro-Eigenschaften Einflussanalyse der Eingangsparameter auf die Makroeigenschaften Bild 1: Vorgehen zum Aufbau des Mikrostrukturmodells Bild 2: REM Aufnahme mit gebrochenen Binderbrücken (links) und μ-ct Aufnahme (rechts) gangsmaterialien (Sand und Binder) und den geschossenen Kernen sind bisher ausschließlich mit heuristischen Methoden ermittelt worden. In diesem Forschungsprojekt wird eine Berechnungsmethode entwickelt und validiert, welche die technologischen Eigenschaften von anorganisch gebundenen Sandkernen aus denen der Ausgangsmaterialen bestimmt. Dieser Ansatz basiert auf einem dreidimensionalen Modell der Mikrostruktur. Ziele Im Projekt werden anorganisch gebundene Formstoffe auf Wasserglasbasis untersucht. Mit Hilfe einer Mikrostrukturanalyse wird ein dreidimensionales Modell der Struktur des Formstoffes erstellt, welches es mit Hilfe mathematischer Methoden (Homogenisierungsverfahren) ermöglicht auf die makroskopischen Eigenschaften zu schließen. Damit wird es möglich, die Eigenschaften beliebig gestalteter Formstoffe virtuell zu bestimmen. Ein Fokus liegt dabei auf der Berechnung von Festigkeiten. Daher wird als weiteres Ziel ein Kontinuumsschädigungsmodell auf der Mikroskala erstellt werden, welches das makroskopische Werkstoffversagen beschreibt. Mit den erarbeiteten Methoden ist es möglich, die technologischen Eigenschaften anorganisch gebundener Formstoffe erstmals mathematisch zu beschreiben. Das bisherige, rein heuristische Wissen, wird um ein physikalisches Modell erweitert, welches die Formstoffeigenschaften anhand der Gestalt der Mikrostruktur und der physikalischen Eigenschaften der Konstituenten erklärt. Das Vorgehen zur Zielerreichung im Projekt ist in Bild 1 dargestellt. Bild 3: FEM Modell von anorganisch gebundenem Quarzsand Mikrostrukturanalyse und Modellbildung Um das zentrale Ziel eines Mikrostrukturmodells zur erreichen, wird an geschossenen anorganisch gebundenen Kernen eine Analyse durchgeführt, die auf verschiedenen Verfahren basiert: Die Anordnung und Packungsdichte der Sandkörner werden mit μ-ct Aufnahmen bestimmt. Bild 2 zeigt beispielhaft eine dreidimensionale Aufnahme. Die Form der Sandkörner wird in einem optischen Partikelmessgerät bestimmt. Die Gestalt und das Bruchverhalten der Binderbrücken werden mittels Rasterelektronenmikroskop analysiert. Eine Aufnahme ist ebenfalls in Bild 2 zu sehen. Die elastischen Parameer der Binderbrücken werden mit der Nanoidentation an Schliffen von Kernen gemessen. Aus diesen Daten werden im Anschluss repräsentstive Geometrien erzeugt, die die Basis der Berechnungsmethode darstellen. Wichtige Parameter der Kernherstellung wie Bindermenge, Kornform, Sieblinie und Verdichtung können variiert und so an die Heterogenität von anorganiasch gebundenen Sanden angepasst werden. Simulation des Elastizitätsmoduls und der Festigkeit Basierend auf der Mikrostrukturanalyse werden mit repräsentativen Kornformen Strukturen generiert, deren Packungsdichte und Bindermenge mit geschossenen Kernen übereinstimmt. Bild 3 zeigt die FEM Spannungsanalyse einer solchen Struktur. Deutlich sind in rot die Spannungsspitzen in den Binderbrücken an den Kontakten zwischen den Körnern zu erkennen. In dieser Simulation können Verdichtung, Kornform und Bindermenge variiert werden, um die Auswirkungen dieser Parameter auf das mechanische Verhalten des Kerns zu untersuchen und vorherzusagen. Aktueller Stand und Ausblick Sowohl die experimentellen, als auch die simulativen Methoden sind fertig entwickelt und die Simulation konnte durch experimentelle Ergebnisse validiert werden. So wurden Elastizitätsmoduli erfolgreich errechnet und ein makroskopisches Berechnungsmodell für das Versagen von anorganisch gebundenem Quarzsand aufgebaut. Damit ist die Grundlage zur Simulation von Festigkeiten auf Mikrostrukturebene geschaffen. Als abschließenden Schritt im Forschungsprojekt sollen die erarbeiteten Methoden für Parameterstudien (Verdichtung, Kornform und Bindermenge) eingesetzt werden, um so ein tiefgreifendes Verständnis der mechanischen Wirkzusammenhänge im anorganischen Formstoff zu erlangen. Das Forschungsprojekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert (AN 341/9-1 und VO 1487/16-1). i Zusammenstellung und Bearbeitung der Beiträge: Dr.-Ing. habil. Hartmut Polzin 41

42 TAGUNGEN UND MESSEN Additive Manufacturing Der 3D-Druck revolutioniert die Wertschöpfungskette Rückblick auf das 2. Additive Manufacturing Forum Berlin am 5. und 6. März 2018 Fotos: IPM Namhafte Vertreter aus der Industrie, der Automobil- und der Logistikbranche schilderten in ihren Vorträgen die Bedeutung des 3D-Drucks für ihre Unternehmen. Wer sich bereits vor zwanzig Jahren mit Additive Manufacturing (AM) beschäftigte, mochte vielleicht ahnen, dass dieses Verfahren Einzug in die industrielle Fertigung hält. Aber dass AM die Produktionsfahren in nahezu allen Branchen geradezu revolutioniert, war seinerzeit kaum abzusehen. Von vernetzten Produktionsverfahren und Industrie 4.0 war noch nicht die Rede. Doch gerade die Digitalisierung gab dem Additive Manufacturing den entscheidenden Schwung, der seit einigen Jahren dafür sorgt, dass AM nicht nur die Produktion, sondern auch die vor- und nachgelagerten Bereiche völlig umkrempelt. Das wurde auch auf dem 2. Additive Manufacturing Forum deutlich, welches das Institut für Produktionsmanagement (IPM) am 5. und 6. März dieses Jahres im Estrel Congress & Messe Center in Berlin veranstaltete. Redner namhafter Firmen wie z. B. Trumpf, Daimler, Audi, Deutsche Bahn, Airbus, Stratasys oder UPS informierten die Teilnehmer darüber, wie weit der 3D-Druck heute das Design und die Konstruktion beeinflusst. Selbst in der Serienfertigung können Bauteile zunehmen individualisiert werden. Additive Manufacturing generiert völlig neue Geschäftsmodelle und Wertschöpfungsketten. Darauf machte auch Reinhold Achatz, CTO bei der thyssenkrupp AG, in seinem Vortrag aufmerksam. Das additive Produktionsverfahren sei unter anderem deshalb so wertvoll, weil es die Konstruktion komplexer Bauteile und die Integration zusätzlicher Funktionen ermögliche. Außerdem könne durch den kombinierten Materialeinsatz oder durch einen gitterartigen Aufbau Gewicht bei den Bauteilen eingespart werden, ohne an Stabilität zu verlieren. Kürzere Entwicklungsdauer Ingo Ederer, CEO der voxeljet AG in Friedberg, schilderte in seinem Vortag über die Reproduzierbarkeit der Prozesse im 3D-Druck, dass die Herstellungskosten gerade im Modellbau bei kleinen Stückzahlen auch in Zukunft noch weiter gesenkt werden können. So sei auch die On-Demand-Fertigung wirtschaftlich darstellbar. Außerdem können mit Anlagen von voxeljet präzise Sandformen und Kerne per 3D-Druck hergestellt werden. Zwei Tage lang konnten sich die Teilnehmer des Forums in Vortragsveranstaltungen, Workshops und in der Ausstellung über den Stand des 3D-Drucks informieren. Stephan Kühr, CEO des Unternehmens 3yourmind in Berlin, beschrieb in seinem Vortrag wie additive Technologien die Geschäftsmodelle produzierender Unternehmen auf den Prüfstand stellen und deren Geschäftsprozesse radikal digitalisieren. Dazu zählt unter anderem, dass der Zeitraum für die Entwicklung neuer Produkte verkürzt und die Markteinführung dadurch früher erfolgen kann. Gegebenenfalls kann ein Produkt auch länger auf dem Markt bleiben. Selbst bei sinkenden Stückzahlen ist die Wirtschaftlichkeit noch gegeben. Begleitet wurde die zweitägige Vortragsveranstaltung von einer umfangreichen Fachausstellung aus allen Bereichen des 3D-Drucks. Sie ermöglichte den Teilnehmern den direkten Kontakt zu namhaften Herstellern der AM-Branche Am zweiten Veranstaltungstag fanden außerdem mehrere Workshops statt. Hier erfuhren die Teilnehmer, wie sie den 3D-Druck für ihr eigenes Unternehmen nutzen können, wie das Verfahren in den eigenen Betrieb eingeführt werden kann und welche Anforderungen OEMs in Zukunft an die Zulieferer stellen. Das 3. Additive Manufacturing Forum findet am 14. und 15. März 2019 statt, wieder im Estrel Congress & Messe Center in Berlin. Weitere Infos: Gerd Theißen 42

43 Leichtbau TAGUNGEN UND MESSEN Internationales Laser- und Fügesymposium und 28. Februar 2018 in Dresden [1] Das 10. Internationale Laser- und Fügesymposium im Internationalen Congress Center Dresden stand unter dem Leitmotiv Digitalisierung und Industrie 4.0. Mit dem Blick auf die moderne Fertigung von morgen spielt die Digitalisierung von Laserbearbeitungsprozessen eine immer wichtigere Rolle. Über 400 Wissenschaftler und Anwender verfolgten das Vortragsprogramm. 46 Vorträge und ergänzende Posterbeiträge wurden in den Fachgruppen diskutiert. Produktkontrollsysteme, Kennzeichnung der Bauteile, Oberflächenstrukturen und die Bewertung, Verfolgung und Dokumentation von kritischen Prozessparametern waren die Leitlinien der Vortragsreihen: Neue Lasersysteme und Anwendungen Laserdirektstrukturierung Laserbearbeitung und -funktionalisierung Hochgeschwindigkeits-Laserverfahren Systemtechnik und Komponenten Laserbeschichtung Laserstrahlschweißen und -schneiden Festphasenfügen Misch- und Leichtbauweisen Additive Fertigung Eine fachbezogene Ausstellung vom Produkten, Geräten und Anwendungsbeispielen ergänzten die Tagung. Am Vortag des Symposiums bot das Fraunhofer IWS Einführungsseminare an und öffnete seine Labore für alle interessierten Symposium-Teilnehmer. Zahlreiche Besucher nutzten die Gelegenheit, sich über aktuelle Entwicklungen zu informieren und neue Ideen und Ergebnisse auszutauschen. Innovative Lösungen im Beispiel: Schnelles stoffschlüssiges Fügen von Metall und Thermoplast Kleben ohne Klebstoff [2] Über 400 Teilnehmer besuchten das Internationale Laser- und Fügesymposium Prof. Dr. Koji Sugioka (u.l.) referierte über die 3D-Mikrobearbeitung mit Femtosekunden- Laser zum Herstellen neuartiger Biochips. Fotos (3): Frank Höhler, Dresden Moderner Leichtbau erfordert häufig die Kombination von Metall mit Kunststoffen. Für den Einsatz in der industriellen Fertigung sind zusätzlich effiziente Prozessketten notwendig, um die Vorbehandlung und Fügetechnologie auf den konkreten Lastfall abgestimmt in Einklang bringen. Ebenso spielen Werkzeuge zur Prozesssimulation und Eigenschaftscharakterisierung eine wichtige Rolle. Eine neue Entwicklung des Fraunhofer IWS Dresden erfüllt diese Anforderungen: Das Verfahren "HeatPressCool-Integrative" (HPCI) vereint langjährige Erkenntnisse der Klebetechnik mit modernen systemtechnischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Laser-Remotetechnologie. Damit erreichten die Forscher ihr selbstgesetztes Ziel, produktive Lösungen zum stoff- und formschlüssigen Fügen zu erarbeiten. Vorbehandlung ist wichtig Da Thermoplast und Metall sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen wie etwa Schmelztemperatur oder Wärmeausdehnungskoeffizient kommt der Optimierung der Anhaftungskraft zwischen beiden Fügepartnern eine herausragende Bedeutung zu. Deshalb entwickelten die IWS-Forscher einen Laserabtragprozess, der Strukturtiefen von 100 Mikrometern und mehr bei Flächenraten von bis zu 30 Quadratzentimetern pro Sekunde erzeugt. Eine Remote- beziehungsweise Scanneroptik fokussiert den kontinuierlich strahlenden Leistungslaser auf das Metall und lenkt ihn dabei schnell ab. Das reinigt die Oberfläche von anhaftenden Ölen oder Verschmutzungen in der Grenzschicht. Gleichzeitig kann der 43

44 TAGUNGEN UND MESSEN Leichtbau Bild 1: Fügezange für das HPCI-Verfahren [2] Grafik: Fraunhofer IWS, Dresden Bild 2: Technologiedemonstrator für das thermische Direktfügen von Metall mit thermoplastischen Faserverbundbauteilen [2] Foto: Fraunhofer IWS, Dresden später eindringende Kunststoff die Strukturen ausfüllen, sodass ein Formschluss zwischen Kunststoff und Metall entsteht. Somit entfällt die Notwendigkeit, die Oberfläche mit Lösungsmitteln oder Beizbädern chemisch zu reinigen. Schnelle Wärme sorgt für stoffschlüssige Verbindung Der eigentliche Verbindungsprozess gestaltet sich simpel: Der vorstrukturierte metallische Fügepartner wird mit dem Kunststoff verpresst. Gleichzeitig wird das Metall an der Fügestelle erwärmt und Jahresabo Inland 161,50 Jahresabo Ausland 183,0 Studentenabo 77,00 FACHZEITSCHRIFT FÜR ALLE BEREICHE DER GIESSEREI-TECHNIK Außerdem: Kostenloser Newsletter Das Wichtigste aus der Branche der Thermoplast partiell aufgeschmolzen. Um dieses Verfahren für den industriellen Einsatz fit zu machen, entwickelten die Wissenschaftler eine modular aufgebaute Fügezange, die sich beispielsweise anstelle einer Punktschweißzange (Bild 1) an einem Roboterarm montieren lässt. So kann bewährte Anlagentechnik auch für Multimaterial-Anwendungen zum Einsatz kommen. Eine besondere Herausforderung besteht in der gleichmäßigen Erwärmung der metallischen Fügepartner. Neben der induktiven Erwärmung ist ein ebenfalls erarbeiteter Lösungsansatz die Lasererwärmung. Der Einsatz einer zweidimensionalen Laserstrahloszillation ermöglicht eine extrem schnelle Bewegung und Steuerung des Strahles. Diese erlaubt es, das Temperaturfeld dynamisch anzupassen, um die spezifischen Wärmeableitungsbedingungen der Fügeteile zu kompensieren. Technologische Umsetzung Gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern evaluierte das Fraunhofer IWS das entwickelte Verfahren anhand eines komplexen Technologiedemonstrators. Dabei ersetzten die Forscher eine reine Schweißbaugruppe aus Baustahl durch ein Multimaterialdesign aus Organoblech *) und metallischem Deckblech, um das Leichtbaupotenzial aufzuzeigen (Bild 2). Neben dem thermischen Direktfügen erzeugten sie auch formschlüssige Verbindungen im Steg-Schlitz-Design zwischen Metall und Organoblech. Die Grundsatzstudie erwies, dass sich das thermische Direktfügen für Multimaterial- und Bauteilkonstruktionen eignet, insbesondere aufgrund geringer Prozesszeiten, robuster Prozessführung sowie guter Automatisierbarkeit Quellen [1] Tagungsprogramm 10th International Laser Symposium 2018 [2] Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, Presseinformation 3 (2018) *) Organoblech: dünnwandiges Faser-Matrix- Halbzeug, wobei das Fasergewebe in einem thermoplastischen Kunststoff eigebettet ist 44

45 Wissen aus einem Guss! Alle Bücher als ebook Bestell-Nr.: 755 Bestell-Nr.: 849 Bestell-Nr.: 796 GEFÜGE DER GUSSEISENLEGIERUNGEN Dr. mont. Stephan Hasse 212 Seiten, gebunden in deutscher und englischer Sprache ISBN Bestell-Nr.: ,00 GIESSEREI- CONTROLLING Mark M. Rösch 170 Seiten, gebunden ISBN Bestell-Nr.: ,00 THEORIE UND PRAXIS DES DRUCKGUSSES Dr. Ing. Boris Nogowizin 997 Seiten, gebunden ISBN Bestell-Nr.: ,00 Bestell-Nr.: 897 Bestell-Nr.: 907 Bestell-Nr.: 824 Bestell-Nr.: 884 Bestell-Nr.: 919 Bestell-Nr.: PRAXISHANDBUCH BENTONITGEBUNDENER FORMSTOFF/HANDBOOK ON BENTONITE-BONDED MOULDING MATERIAL Werner Tilch, Hartmut Polzin, Michael Franke 376 Seiten, gebunden ISBN: Bestell-Nr.: ,00 in englischer Sprache: 372 Seiten, gebunden ISBN Bestell-Nr.: ,00 ANORGANISCHE BINDER / INORGANIC BINDERS Hartmut Polzin 240 Seiten, broschiert ISBN Bestell-Nr.: ,00 in englischer Sprache: 210 Seiten, broschiert ISBN Bestell-Nr.: ,00 TASCHENBUCH DER GIESSEREI-PRAXIS / POCKET GUIDE FOUNDRY Simone Franke ISBN Bestell-Nr.: ,90 in englischer Sprache: ISBN: Bestell-Nr.: ,90 service@schiele-schoen.de Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)

46 SERVICE Termine Veranstaltungen Buchtipps 18. und 19. April 2018 Hybrid Materials and Structures 2018 Die Konferenz Hybrid Materials and Structures, die am 18. und 19. April 2018 im Atlantic Hotel Universum in Bremen stattfindet, bietet eine vielfältige Mischung aus Vortragsveranstaltungen, Diskussionsforen und Ausstellungsangeboten. Zudem ermöglicht der disziplinübergreifende Austausch zwischen Wissenschaft und Industrie die erweiterte Vernetzung untereinander. Um die spezifischen Eigenschaften eines Werkstoffs voll nutzen zu können, ist vor allem bei leichten Strukturbauteilen die Kombination verschiedener Werkstoffe unentbehrlich. Wenn diese Kombination durch unlösbare Verbindungen erfolgt, spricht man von Multi-Material-Design oder Hybriden Strukturen. Der Begriff Hybrid kommt dabei aus dem Griechischen und bedeutet gemischt. Bei der Mischung unterschiedlicher Werkstoffe ergeben sich besondere Anforderungen an die Füge- und Fertigungstechnologien, die Konstruktionsmethoden und zahlreiche weitere Aspekte. Die Hybrid Materials and Structures 2018 behandelt die gesamte Bandbreite an Themen, von den Grundwerkstoffen bis zur Konstruktion, von der Fertigung bis zur Anwendung und liefert damit die Basis für ein tiefgehendes Verständnis des anwendungsspezifischen Werkstoff- und Bauteilverhaltens. Die Kombination von unterschiedlichen metallischen Werkstoffen in einer Konstruktion bietet besondere Möglichkeiten, wenn es um Aspekte der Fertigung und um die Rezyklierbarkeit geht. Mischbauweisen mit mehreren Metallen werden daher erstmals gesondert aufgegriffen und in der Special Session Multi-Metal-Design diskutiert. Foto: DGM BUCHTIPP Gießerei-Controlling Erfolgsfaktoren von Gießereien und deren Steuerung Was macht die Wirtschaftlichkeit einer Gießerei aus? Welche Maßnahmen sind zu treffen, an welchen Stellschrauben kann gedreht werden, um einen Gießereibetrieb langfristig erfolgreich zu führen? Der Diplom-Betriebswirt und Dr. rer. oec. Mark Matthias Rösch beschäftigte sich in seiner Dissertation mit diesen für ein Unternehmen existenziellen Fragen und legt hier in kompakter, leicht verständlicher Form seine Lösungsvorschläge für erfolgreiches Controlling in der Gießereibranche vor. Anhand zahlreicher Interviews mit Unternehmensleitern und Geschäftspartnern der Gießereiindustrie zeigt er die verschiedenen Steuerungsinstrumente auf, die effektiv zum Ziel führen können, identifiziert Hindernisse und Schwierigkeiten und bietet Anregungen und Lösungsvorschläge. So werden die verschiedenen, zur sinnvollen Steuerung eines Fertigungsbetriebes anwendbaren Controllingmechanismen erläutert, Faktoren für ein nachhaltig erfolgreiches Management aufgezeigt und ein Ausblick auf deren Weiterentwicklung sowie die zukünftigen Herausforderungen des Gießereimanagements gegeben. Über den Autor: Mark Matthias Rösch Jahrgang 1976, Dipl.-Betriebswirt (BA) und MBA, war lange als kaufmännischer Leiter sowie als Berater in mittelständischen und großen Gießereiunternehmen tätig und legt mit diesem Werk seine Dissertation zum Dr. rer. oec. vor. Derzeit ist er mit dem Schwerpunkt Finanzen, Controlling, IT und insbesondere Restrukturierung in Deutschland, Großbritannien und China tätig. Gießerei-Controlling Erfolgsfaktoren von Gießereien und deren Steuerung Mark M. Rösch Gebundene Ausgabe (Hardcover): ISBN: ,00 e-book: ISBN: ,99 46

47 Termine Veranstaltungen Buchtipps SERVICE 5. Juni 2018 Forum Konstruktion: Additive Stärken ausspielen Das Forum Konstruktion ist Teil der Internationalen Messe und Konferenz für additive Technologien Rapid.Tech + FabCon 3.D vom 5. bis 7. Juni 2018 in der Messe Erfurt. Das Forum thematisiert den Paradigmenwechsel vom fertigungsgerechten Design zur designgerechten Fertigung. Um die Potenziale des industriellen 3D- Drucks hierbei optimal auszureizen, ist ein Umdenken im Produktentwicklungsprozess notwendig. Die additive Fertigung spielt ihre Stärken aus, wenn sich Konstrukteure deren gestalterischer Freiheiten und Vorteile bewusst sind und Bauteile sowie ihre Aufgaben im Gesamtsystem unter diesem Aspekt neu denken. Auf diesem Weg können beispielsweise ganz neue Lösungen für eine hohe Funktionsintegration in Produkten geschaffen werden. Dafür ist jedoch ein verändertes methodisches Vorgehen im Konstruktionsprozess bei gleichzeitiger Beachtung herstellungstechnischer Aspekte notwendig, betont Prof. Dr.- Ing. Detmar Zimmer, Inhaber des Lehrstuhls für Konstruktions- und Antriebstechnik an der Universität Paderborn und verantwortlich für die inhaltliche Gestaltung des Forums Konstruktion am 5. Juni 2018 zur Rapid.Tech + FabCon 3.D. Die Anpassung der Konstruktionsmethodik an die Möglichkeiten der additiven Verfahren bildet einen thematischen Schwerpunkt in den Vorträgen des Forums. Aufgezeigt wird das Vorgehen u. a. für die Technologie des Laserstrahlschmelzens. Ebenso steht die Bündelung des in jüngster Vergangenheit rasant gewachsenen Wissens aus der Anwendung additiver Technologien auf der Agenda. Mehr als 200 Aussteller werden auf der Rapid.Tech + FabCon 3.D die neuesten Entwicklungen, Produkte und Leistungen rund um Additive Manufacturing vorstellen. Christian Seeling Messen und Veranstaltungen 16. und 17. Mai 2018 AALENER GIESSEREI KOLLOQUIUM Fachtagung und Ausstellung Audimax der Hochschule Aalen und 19. Mai 2018 METAL + METALLURGY CHINA 2018 Ausstellung China Int. Exhibition Center, Beijing 5. bis 7. Juni 2018 CASTFORGE Fachmesse für Guss- und Schmiedeteile mit Bearbeitung Messegelände Stuttgart und 28. Juni 2018 DRITEV GETRIEBE IN FAHRZEUGEN Internationaler Kongress World Conference Center, Bonn und 20. September 2018 Symposium Composites thematisiert Vielfalt des Leichtbaus Bereits zum dritten Mal lädt die Messe Augsburg am 19. und 20. September 2018 im Rahmen des Symposium Composites Entscheider, Interessierte und Endanwender aus den Schlüsselbranchen wie Automotive, Transport, Luftund Raumfahrt sowie Maschinen- und Anlagenbau in die Fuggerstadt ein. Das Symposium wurde im Jahr 2016 in Kooperation mit dem Carbon Composites e.v. auf Basis der Fachtagung Carbon Composites entwickelt und wendet sich an den gesamten deutschsprachigen Wirtschaftsraum. Das Symposium vermittelt in zahlreichen Vorträgen und anwendungsbezogenen Präsentationen nützliches Wissen und wertvolle Kontakte für Experten und Noch-Nicht-Anwender. Hochkarätige Referenten präsentieren die Themenvielfalt an Faserverbundwerkstoffen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Hersteller/OEMS (Erstausrüster), Groß- und Einzelhändler, Distributoren, Zulieferer, Berater, Wissenschaftler, Verbände und Dienstleister gehören zur anvisierten Zielgruppe, die sich auch in einer begleitenden Ausstellung präsentieren können. Der praxisüblichen Verflechtung mit anderen Fachgebieten, etwa Design und Recycling, wird ebenfalls Rechnung getragen. Zum Konzept des Events gehören darüber hinaus praxisorientierte Module, die zugebucht werden können. Der Science Shuttle bringt Wissbegierige zum fachlichen Austausch mit dem Fraunhofer IGCV, der Universität Augsburg, dem DLR und dem Institut für Textiltechnik Augsburg ITA. Wer Best Practice live erleben möchte, bucht den Industry Shuttle zu Airbus Helicopters in Donauwörth oder Voith Composites in Garching. 47

48 SERVICE Termine Veranstaltungen Buchtipps Rund 200 Aussteller sollen für die Messe indometall 2018 bis zur Eröffnung gewonnen werden. Foto: Messe Düsseldorf 17. bis 19. Oktober 2018 Internationale Metall- und Stahlmesse indometal 2018 Für indometal, die internationale Metall- und Stahlmesse für Südostasien, die vom 17. bis 19. Oktober 2018 bei JI Expo, Kemayoran, stattfindet, sind die Aussichten nach Angaben des Mitveranstalters Messe Düsseldorf Asia sehr vielversprechend. Rund 200 Aussteller sollen für die Messe gewonnen werden, von denen schon ein Großteil zugesagt hat. Es wird damit gerechnet, dass über 75 Prozent der indometal-aussteller aus Ländern außerhalb Indonesiens stammen werden ganz abgesehen von der Teilnahme internationaler Unternehmen an Länderbeteiligungen wie die aus China, Deutschland, Italien und Taiwan. Laut Beattrice J. Ho, Projektdirektorin der indometal entwickelt sich Indonesien zu einer Hochburg für den Exportmarkt, da die Stahlherstellung von den Industrieländern in die Schwellenländer verlagert wird. Für Indonesien und die Region ist das eine gute Nachricht, weil die Industrie ein Wegbereiter für Wachstum und Entwicklung darstellt. Auch wenn damit zu rechnen ist, dass Stahl aus China noch viele Jahre dominieren wird, treibt die starke globale Nachfrage Bemühungen in Ländern wie Indonesien und Vietnam voran, modernere Werke zu bauen, um mit den riesigen Werken Chinas besser konkurrieren zu können, erläutert sie. Maßnahmen werden bereits ergriffen, um die einheimische Verarbeitungsindustrie und das landeseigene Hüttenwesen zu verbessern und damit die Abhängigkeit des Landes von Importen zu verringern. Da einheimische Hersteller lediglich in der Lage sind, einen Bruchteil des indonesischen Stahlbedarfs zu decken, importiert das Land knapp die Hälfte der im Land benötigten Stahlmenge. Das Ziel der indonesischen Regierung besteht darin, die einheimische Stahlproduktionskapazität auf 12 Mio. Tonnen bis 2019, auf 17 Mio. Tonnen bis 2024 und auf 25 Mio. Tonnen bis 2035 zu steigern bis 25. Oktober 2018 parts2clean 2018 auf Kurs Die Fachmesse parts2clean, die vom 23. bis 25. Oktober 2018 auf dem Stuttgarter Messegelände veranstaltet wird, präsentiert sich als internationale Informations- und Beschaffungsplattform. Den Unternehmen gehe es darum, die erforderliche Bauteilsauberkeit so kostengünstig wie möglich zu erreichen. Gelingen könne dies jedoch nur durch kontinuierliche Prozessoptimierung. Die Relevanz der parts2clean verdeutliche unter anderem der mit 87 Prozent sehr hohe Anteil an Entscheidern unter den Fachbesuchern. 81 Prozent der Fachbesucher kamen 2017 mit der Absicht zu investieren zur parts2clean, sagt Olaf Daebler, Global Director parts2clean bei der Deutschen Messe AG. Knapp die Hälfte von ihnen plante Investitionen in Höhe von mehr als Euro waren rund Fachbesucher aus 41 Ländern zur internationalen Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung angereist. Für die Aussteller resultierten daraus nicht nur intensive Gespräche und erstklassige Kontakte, sondern auch direkte Vertragsabschlüsse, teilt die Messe Stuttgart mit. Daher sei es nicht verwunderlich, dass bis Mitte Februar schon mehr als 80 Unternehmen ihre Standfläche für die kommende Veranstaltung fest gebucht haben. Sie belegen damit rund 45 Prozent der Nettoausstellungsfläche der Messe 2017, darunter nahezu alle Markt- und Technologieführer aus den verschiedenen Ausstellungssegmenten. Wirtschaftliche Bauteilreinigung gelingt nur durch kontinuierliche Prozessoptimierung. Foto: Messe Stuttgart Diese umfassen Anlagen, Verfahren und Prozessmedien sowie deren Aufbereitung für das Entfetten, Reinigen und Vorbehandeln von Bauteilen, Handling und Prozessautomatisierung, Warenkörbe und Werkstückträger, Sauber- und Reinraumtechnik, Qualitätssicherung, Prüfmethoden und Analyseverfahren für die Sauberkeitskontrolle, Korrosionsschutz, Konservierung und Verpackung, Lohnreinigung. Neben dem breiten Angebot entlang der gesamten Prozesskette setzt die parts2clean Schwerpunkte auf Themen wie Entgraten, Reinigen in der Elektronikfertigung und in der Medizintechnik sowie Feinstreinigung und Qualitätskontrolle im Sauber-/Reinraum. 48

49 Das besondere Gussteil Die Leipziger Passagen in den Messehäusern mit ihren edlen Geschäften, Cafés und Restaurants sind Architektur von europäischem Rang, gleichwertig mit Adressen in Paris oder Mailand. Die vor AUERBACHS KELLER in der Mädler-Passage aufgestellten Bronzeplastiken Faust und Mephisto aus Goethes Faust I geben den Moment wieder, in dem Mephisto die drei Studenten Siebel, Brander und Altmayer mit dem Satz Falsch Gebild und Wort verändern Sinn und Ort! Seid hier und dort! in seinen Bann zieht. Die ca. 210 cm hohen Bronzeskulpturen wurden 1912 bis 1913 von der Gladenbeck AG Berlin-Friedrichshagen gegossen und im September 1913 am Eingang zu AUERBACHS KELLER aufgestellt. Der Entwurf stammt von dem Maler, Graphiker und Plastiker Mathieu Molitor ( ). Wie in Goethes Dichtung erscheinen Faust und Mephisto als ungleiches Figurenpaar, unterschieden durch Mimik, Körperhaltung und Gewand: Mephisto diabolisch, schlank, gewandt und angespannt, während Faust s zögernd ruhige Haltung Skepsis und inneren Abstand zu seinem Begleiter und dem Treiben der Studenten ausdrückt. Bilder und Text: Dr. Klaus Peukert, Freiberg DEUTSCHLAND LEIPZIG

50 SERVICE Vorschau Impressum CALL FOR PAPERS WISSENSCHAFTLICHE BEITRÄGE / PRAXISBERICHTE Vorschau Themenschwerpunkte und Termine für die Einreichung: GIESSEREI PRAXIS 1-2 Fachzeitschrift für alle Bereiche der Gießereitechnik 2018 GIESSERE PRAXIS DRUCK Ulrich Recknagel: Formgrundstoff für die Formenund Kernherstellung Teil 1: Geologie, Mineralogie, Modifikationen, Verwendung Jingjing Qing u. a.: Das gestufte Wachstum der Graphitkugeln in Gusseisen mit Kugelgraphit Hartmut Polzin: 2. Formstoff-Forum 2018 in Aachen Teil 2 Klaus Röhrig: Legiertes Gusseisen Teil 33 GIESSEREI-PRAXIS 6/2018 Themen: Nichteisengusswerkstoffe, Kokillengießverfahren, Kernherstellungsanlagen, Werkstoffprüfung Frist: 9. Mai 2018 GIESSEREI-PRAXIS 7-8/2018 Themen: Nichteisengusswerkstoffe, Kokillengießverfahren, Kernherstellungsanlagen, Druckguss Frist: 4. Juni 2018 Muster_GP_Titel.indd 1 Fachzeitschrift für alle Bereiche der Gießereitechnik Die GIESSEREI-PRAXIS erscheint am 22. Mai 2018 Wir suchen technisch anspruchsvolle und wissenschaftliche Beiträge aus der Forschung und Praxis. Nehmen Sie Kontakt zu uns auf: chefredaktion@giesserei-praxis.de IMPRESSUM DRUCKGUSS 69. Jahrgang Redaktion Chefredaktion: Gerd Theißen Genfeld 13, Erkelenz gerd.theissen@giesserei-praxis.de Beirat Dr.-Ing. Hartmut Polzin Gartenstraße 2a, Striegistal-Marbach beirat@giesserei-praxis.de Redaktion Druckguss Dr.-Ing. Michael Franke Barlachstr Dresden m.franke@franke-giessereitechnik.de Verlagsanschrift Fachverlag Schiele & Schön GmbH Markgrafenstr. 11, Berlin Telefon: +49 (30) service@schiele-schoen.de Internet: Anzeigenverkauf Dr. Hans-Gerd Conrad Telefon: +49 (30) hans-gerd.conrad@schiele-schoen.de Anzeigen Gültig ist die Anzeigenpreisliste vom 1. Januar Anzeigendisposition: Diana Stahn Telefon: +49 (30) stahn@schiele-schoen.de Vertrieb GIESSEREI-PRAXIS erscheint zehnmal jährlich. Abo- und Vertriebsservice: Helga Leuchter leuchter@schiele-schoen.de Telefon: +49 (30) Abonnenten-Service Jahresabonnement: In Deutschland 161,50 inkl. Versandkosten, außerhalb Deutschlands 183,- inkl. Versandkosten. Studentenabo 77,- inkl. Versandkosten (Nachweis). Einzelheft 15,00. Bestellungen nehmen jede Buchhandlung und der Verlag entgegen. Abonnementskündigungen sind zum Ende des jeweiligen Bezugszeitraums möglich und müssen bis 6 Wochen vor Ende des Bezugszeitraumes beim Verlag eingetroffen sein. Andernfalls verlängert sich das Abonnement um ein weiteres Jahr. Höhere Gewalt entbindet den Verlag von der Lieferungspflicht. Ersatzansprüche können nicht anerkannt werden. Die Deutsche Post AG ist berechtigt, Anschrift enänderungen an den Verlag weiterzuleiten. Herstellung Layout: Karen Weirich Grafiken: Udo Bolinski, Falkensee Druck Druckhaus Gera GmbH, Gera Copyright 2018 by Fachverlag Schiele & Schön GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmung und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Mitteilungen von Firmen und Organisationen erscheinen außerhalb der Verantwortung der Redaktion. Printed in Germany. ISSN Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird auf die gleichzeitige Verwendung männlicher und weiblicher Sprachformen verzichtet. Sämtliche Personenbezeichnungen gelten gleichermaßen für beiderlei Geschlecht. 50