Vergleichende Energieeinsatzbetrachtung von Druckguss und Kokillenguss zur Produktion von komplexen Gussteilgeometrien*)

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1 Vergleichende Energieeinsatzbetrachtung von Druckguss und Kokillenguss zur Produktion von komplexen Gussteilgeometrien*) Comparison of Power Requirement of Pressure Die Casting resp. Gravity Die Casting for the Production of complex Castings Johann Hagenauer, Dipl.-Ing. für Gießereitechnik, UNI-GH Duisburg, seit nahezu 30 Jahren in verschiedenen Bereichen der Gießerei (Produktion, Produktentwicklung, Investitionsgüter, Management) tätig. Seit 2003 garantiert er mit seiner praxisorientierten Kompetenz und seinem Vertretungsprogramm für die Gießereiindustrie eine optimale Betreuung bei allen Investitionsprojekten und bei Problemen in und um die Gießerei. Über 40 Jahre Erfahrung im Druckguss und mehr als verkaufte Druckgießmaschinen kennzeichnen die Firma ITALPRESSE. Die zugehörige Automation und der Bau der Kokillengießmaschinen beziehungsweise der Karussellanlagen hat seit den 70iger Jahren die Firma GAUSS durchgeführt. Die Firma +HAGI+ Johann Hagenauer, ein Ingenieurbüro für Gießerei- und Industriebedarf, hat hier die Energiewerte bei diversen Firmen in der Praxis hinterfragt. Mag. phil. Alberto Albertini, Marketingmanager, Vertriebsleiter und Aufsichtsratsmitglied der Fa. ItalpresseS.p.A.,Bagnatica (Bergamo), wo er seit 1986 tätig ist. Schlüsselwörter: Aluminiumgießerei, Energiepotentiale, Energieeinsatzvergleich Druckguss/Kokillenguss, Energieeinsparung Durch die in Zukunft zu erwartenden deutlich steigenden Energiekosten ist der Anreiz für Unternehmen groß, die Energiepotenziale in der Aluminiumgießerei ganzheitlich Abb. 1: Vorteile Kokillenguss Druckguss *) Vorgetragen von J. Hagenauer auf der 57. Österreichischen Gießereitagung am 12. April 2013 In Leoben. 118

2 HEFT 5/6 GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013) Abb. 2 (links): Leistungsdaten der Prozesskette: Schmelzen Gießen (Werte von Fa. StrikoWestofen und Fa. Italpresse) Abb. 3 (oben): Energieverbrauch einer Druckgießerei mit Großmaschinen unter die Lupe zu nehmen. Je nach Bauteileigenschaften und benötigten Teilemengen wird für Aluminiumguss - teile das adäquate Gießverfahren ausgewählt. Auf Grund von Anforderungen und der Gestaltungsfreiheit kommt mit Sandkernen der Sandguss, mit Sandkernen und Metallschieber-Werkzeugen (Kokillen) der Kokillenguss (bzw. Niederdruckkokillenguss) oder, wenn die Ausformung mit hoher Maßgenauigkeit mit Metallschieber in der Druckgussform erfolgt, das Druckgießen zur Anwendung. Der moderne Kokillenguss zeichnet speziell für gute mechanische Eigenschaften, auch bei dickwandigen Teilen, von der Klein- bis zur Großserie. Im Druckguss sind großflächige Teile mit hoher Maßgenauigkeit (z.b. Strukturbauteile) für die Massenproduktion der neue Trend. Die richtige Kombination von Schließund Schussteil ist hier notwendig (Abb. 1). Hier ist bereits der erste Grundstein, je nach Gießverfahren, für den Energieeinsatz gelegt. Vor allem in der Prozesskette Schmelzen und Gießen (Abb. 2) sind zum Teil hohe elektrische Anschlusswerte erforderlich. Auch wenn natürlich das gute Gussstück im Mittelpunkt steht, sollte doch auch die Energieeffizienz aufgrund der steigenden Energiekosten und der zu vermeidenden Umweltbelastung ein ganz wichtiges Thema sein. Dieser Beitrag soll Motivation für Überlegungen und Energieeinsatzbetrachtungen sein, wo im Druck- und Kokillenguss im Allgemeinen und in der automatisierten Gießzelle im Besonderen, Anlagenenergie effizient eingesetzt und auch eingespart werden kann. Vorweg ein kurzer Überblick, wo welches Energiepotenzial benötigt wird (Abb. 3): die Schmelzerei benötigt den wesentlichen Teil des Energieverbrauchs (fast 50%) in der Aluminiumgießerei, gefolgt von der Infrastruktur/Gebäude (rund 35%). Nur rund 20% des Energieverbrauches benötigt die Gießzelle. Vor allem das Schmelzetemperaturniveau (üblich 720 C), das Einsatzmaterial und das ewige Warmhalten (schlechte Ofenauslastung) lassen den üblichen Energieverbrauch von rund 60 m³ Erdgas/t (540 kwh/t) schon auf bis zu 90 m³/t Aluminium (und mehr) zum Schmelzen notwendig werden. Eine richtige Schmelzeführung, wo das Personal eine wichtige Rolle spielt, ist Grundvoraussetzung einer Energieeinsparung in der Aluminiumgießerei (Aluminiumschmelzöfen für Druckgießereien GIESSEREI 97 (2010), Heft 5). In weiterer Folge sind vor allem die Gießzelle, die Druckgieß- oder Gießmaschine mit ihren jeweiligen Heizund Kühlgeräten zu betrachten. In der Gießzelle (Abbn. 4 und 5) zeigt sich vor allem, dass neben der Druck-Gießmaschine ca. 1/3 und für Heizen und Kühlen ebenfalls ca.1/3 des Energieverbrauches benötigt werden. Energieverbrauch in der Druckgießzelle Abb. 4: anteiliger Energieverbrauch einer Druckgießzelle Energieverbrauch einer Kokillengießzelle Abb. 5: anteiliger Energieverbrauch einer Kokillengießzelle Als Anlagenbauer hat Firma ITALPRESSE neben der Bewegungs- und Ablaufoptimierung speziell bei der Zweiplattendruckgießmaschine (kniehebellose TF-Serie) auch die Elektromotore ins Visier genommen: Die seit Juni 2011 gesetzlich geforderten Mindestwirkungsgrade, Effizienzgrad IE2 für Asynchronmotore, brachten bei Untersuchungen der Firma ITALPRESSE gemeinsam mit der Firma ABB ca. 2% Energieeinsparung im Vergleich zu herkömmlichen Motoren IE1 (EFF2) (Abb. 6). 119

3 von oben nach unten: Abb. 6: Energieeinsparung durch Einsatz von IE2-Motoren Abb. 7: Einsparung durch Anwendung eines Inverters Abb. 8: Energieverbrauchswerte aus der Praxis 120 Die erreichbare Energieeinsparung durch Anwendung von IE2-Motoren mit Inverter hingegen betrug bei einem untersuchten Pumpmotor von 37 kw bei der kniehebellosen Druckgießmaschine TF1350 mehr als 30% (Abb. 7). Die Investition eines Inverters amortisiert sich in diesem Fall in weniger als einem Jahr! Der elektrische Energieeinsatz bei den untersuchten Druckgusszellen (DGM, HK) liegt bei ca.1 kw pro kg Aluminiumgussteil (Abb. 8). In der Kokillengießzelle wird die Heizung hauptsächlich mit Gas betrieben, wodurch in Österreich die Kosten für die kwh der Heizung um rund einen Faktor 10 günstiger sind! Der wesentliche Unterschied zwischen Druckgießen und Kokillengießen liegt darin, dass neben meist leistungsstärkeren Druckgießanlagen mit kürzeren Zykluszeiten vor allem die Werkzeugtemperierung elektrisch erfolgt und somit auch wesentlich teurer ist. Deshalb wäre es empfehlenswert, überall dort, wo Wärme benötig wird, möglichst von Strom auf Gas umzustellen. Schmelzen mit Gas (60 m 3 /t = 540 kwh /t Aluminium) ist auf jeden Fall energieeffizienter, und auch

4 HEFT 5/6 GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013) wenn das Gussstück im Mittelpunkt stehen soll, sollten in der Infrastruktur die gesetzlichen Auflagen energieharmonisch erfüllt werden. Die neuesten Gießereianlagen vor allem Druckgießmaschinen sind ein wesentlicher Grundstein für eine energieeffiziente Anlagentechnik. Die Druckgießmaschinen sollen bedienerfreundlich und robust sein und mit hoher Verfügbarkeit produzieren. Die Gießerei darf nicht zum Testfeld für Maschinenhersteller werden, hohe Anlagenverfügbarkeit bedeutet ebenfalls hohe Energieeffizienz. Die Abbn. 9, 10 und 11 zeigen Anwendungen für komplexe Gussteile: Vorausgesetzt, dass Schmelzen und Warmhalten des Aluminiums bereits optimiert sind, dann ist jede Verbesserung der Energieeffizienz eines Gießprozesses eine Verbesserung der Gesamtenergiebilanz! Hoher Anlagenoutput (gute Gussteile) bedeutet geringere kwh/t Guss! Um Heiz- und Kühlenergie vernünftig niedrig zu halten, ist neben der Produktentwicklung die Simulation ein ganz wichtiges Werkzeug zur Optimierung von Druckgussform und Kokille. Gießgerechte Bauteilgestaltung bedeutet meist auch hohe Produktivität und Energieeffizienz! Zur Steigerung der Energieeffizienz muss deshalb der gesamte Prozess betrachtet werden. Abb. 9: Beispiel: Kokille Fahrwerkbauteil (Benteler Honda) Dazu einige Zahlen und Fakten: Der Energieeinsatz bei den untersuchten Gießzellen liegt etwa bei 1 kwh/kg Aluminiumgussteil (Abb. 8) Schmelzen von Aluminiumlegierungen: 0,54 kwh/kg (Erdgas: 60 m³/t) Warmhalten: Tiegelofen: 0,03 kwh/kg; Dosierofen: 0,009 kwh/kg Energieeinsatz pro Verfahren DG/KG bezogen auf 1 kg ist nicht zweckmäßig, da nicht vom Stückgewicht abhängig! Abb. 10: Beispiel: Druckguss Rahmenteil Energieeinsparung durch Inverter IE2-Motoren mit Inverter bei Druckgießmaschinen Energieeinsparung: Kein konstanter Betrieb der Pumpe mit einer maximalen Drehzahl. Die Pumpengeschwindigkeit ändert sich je nach dem tatsächlichen Bedarf für jede Phase der Maschine. Es wird nur die tatsächliche Energiemenge geliefert, die vom Verbraucher gefordert ist. Wartungskostenreduzierung: Die hydraulische Flüssigkeit ist weniger gestresst und deshalb sind die Ölwechselintervalle erheblich verlängert. Einsparung bei Maschinenölkühlung: Reduzierung der verlorenen Energie zur Aufheizung der hydraulischen Flüssigkeit Verringerung der notwendigen Kühlleistung. Reduzierung der installierten Leistung: Die Einstellung durch Inverter gewährleistet einen konstanten cos phi ca. 1; Das reduziert die aufgenommene Blindleistung. Lärmminderung: Als Folge des Pumpenbetriebs mit reduzierter Drehzahl oder sogar Stillstand in der Zykluspause. Voraussetzungen für hohe Energieeffizienz sind aber auch: ordnungsgemäß gewartete Anlagen saubere Schmelzeführung neueste Gießanlagen vor allem Druckgießmaschinen erfüllen gesetzliche Auflagen und sind im allgemeinen energieeffizienter vernünftig ausgelegte Werkzeuge (Wärmehaushalt) ersparen unnötige Heiz- und Kühlenergie (Simulation) Trennmittel (Sprühen) nicht als Kühlmittel verwenden 121

5 Abb. 11: Beispiel: Layout Druckgießzelle Das Gießen gehört zu den energieeffizientesten Verfahren überhaupt. Damit der Gesamtprozess auch energietechnisch überwacht werden kann, sollten daher zukünftig geeignete Messstellen für Langzeitmessungen (unter Berücksichtigung verschiedener Betriebszustände, Verschleiß etc.) installiert werden, welche in den heutigen Gießereien noch unzureichend sind! Vor allem bei leistungsstarken Anlagen würde es wirklich Sinn machen, die elektrische Energieeffizienz zu überprüfen und zu optimieren. Kontaktadresse: +HAGI+ Ingenieurbüro für Gießerei- und Industriebedarf DI Johann Hagenauer A-3143 Pyhra Hauptstraße 14 Tel.: +43 (0)2745/ Fax: DW