Von Harald Schwickal und Hartmut Hoffman, München, sowie Wolfgang Blümlhuber und Emmerich Weisenbek, Landshut

Unter den Überbegriffen „geruchlose Gießerei“ oder „nachhaltig umweltschonende Produktionsverfahren“ können die seit der Jahrtausendwende in unterschiedlichen Industrie- und Forschungsprojekten laufenden Untersuchungen von neuen bzw. modifizierten anorganischen Bindersystemen zusammengefasst werden. Bei gleichen, teilweise auch gestiegenen Anforderungen bezüglich Produktivität, Qualität und Kosten wird versucht, die umweltfreundlichen anorganischen Bindersysteme weiter zu entwickeln und wieder in den Markt einzuführen. Darunter fallen anorganische Salzbinder, Wasser- gläser und modifizierte Silicatbinder. Ziel der Entwicklungsarbeiten ist eine Verbesserung der Bindersysteme, bezogen auf die aus der Vergangenheit bekannten Nachteile einer geringen Sofortfestigkeit, schlechter Zerfallseigenschaften, einer begrenzten Lager- fähigkeit und einer niedrigen Wiederverwendungsrate des mechanisch regenerierten Altsandes. Dieser Beitrag beschreibt aktuelle Entwicklungen zur Regenerierung der anfallenden Altsande als abschließenden Schritt für eine erfolgreiche Markteinführung.

Anorganische Bindersysteme – Vorteile, Nachteile und Kosten

Anorganische Bindersysteme, deren Verfestigungsmechanismus größtenteils auf einem Entzug von Wasser beruht, weisen bei einem Einsatz in der Gießerei drei wesentliche Vorteile auf: Reduktion von Emissionen, Verbesserung der Qualität, Kosteneinsparung. Dem entgegen stehen ein erhöhter Aufwand in der anorganischen Kernfertigung und teilweise noch fehlende Erfahrungen mit den Eigenschaften der verwendeten Systeme. Insbesondere müssen die Reaktionen des Bindersystems bei extremen Lager- bedingungen und der Einfluss von Veränderungen der Sandqualität im geschlossenen Materialkreislauf der Regenerierung auf die Qualität der gesamten anorganischen Prozesskette weiter untersucht werden.

Soll der Einsatz anorganischer Bindersysteme in einer Gießerei bewertet und mit bestehenden Systemen verglichen werden, ist eine Betrachtung der gesamten Prozesskette unerlässlich. Eine isolierte Kostenabschätzung einer anorganischen Kernfertigung führt gezwungenermaßen zu einem wirtschaftlichen Nachteil (Bild 1).
Die Gründe dafür sind ein erhöhter Investitionsaufwand durch den Einsatz beheizter Metallwerkzeuge zur Kernfertigung und die erforderlichen Erweiterungen der Anlagentechnik (Heizgeräte für Kernkästen und Spülluft). Im Vergleich zu den aktuell eingesetzten Kernfertigungsverfahren (z. B. EGH, Cold-Box) bewegen sich die Betriebs- und Instandhaltungskosten auf einem vergleichbaren Niveau (Bild 1).

Deutliche Einsparungen können beim Gießen erzielt werden. Da keine organischen Bestandteile vorhanden sind, liegen zwei entscheidende Vorteile beim Gießen und Abkühlen der Bauteile vor. Zum einen entstehen nur geringe Ablagerungen durch einen minimalen Rest an Verbrennungsprodukten auf den Gießwerkzeugen (Kokillen), wodurch die Reinigungsintervalle deutlich verlängert werden können; zum anderen entfällt der Aufwand der Abluftabsaugung und -nachbehandlung (thermische Nachverbrennung). Bezogen auf die Fertigung bewirkt das wiederum eine Erhöhung der Standzeit und der erreichbaren Ausbringung. Dies wirkt sich auch direkt auf die anfallenden Instand- haltungskosten aus. Weiterhin können durch ein Absenken der Kokillentemperatur, ebenfalls bedingt durch die fehlende Kondensatbildung, die Abkühlgeschwindigkeit der flüssigen Schmelze erhöht und sowohl die mechanischen Eigenschaften der Gussteile verbessert als auch die Taktzeit verkürzt werden. Die Einsparungen bei den Prozessschritten Gießen und Kühlen gleichen den Mehraufwand in der Kernfertigung aus und ermöglichen, über den gesamten Fertigungsprozess betrachtet, eine deutliche Kosteneinsparung.
Dies gilt vor allem bei einem Aufbau neuer Fertigungslinien, wenn noch keine Investitionen für Abluft- und Nachverbrennungssysteme getätigt wurden. Die noch folgenden Prozessschritte des Entkernens, der mechanischen Bearbeitung und der Bauteilprüfung sind aus Kostensicht unabhängig vom Verfahren der Kernfertigung und damit im Vergleich kostenneutral.

In der Leichtmetallgießerei der BMW Group in Landshut wird im Laufe des nächsten Jahres die Umstellung der Kernfertigung aller Bauteile auf das anorganische Bindersystem Inotec der Ashland Südchemie Kernfest GmbH, Hilden, abgeschlossen sein. Bis zu diesem Zeitpunkt ist auch der Abschluss der Entwicklungsarbeiten des Lehrstuhls für Umform- technik und Gießereiwesen der Technischen Universität München zur Regeneration der anfallenden Altsande geplant. Damit wird erstmalig seit der Einführung der organischen Cold-Box-Bindersysteme 1972 die gesamte Prozesskette einer Leichtmetallgießerei zur Fertigung von Zylinderköpfen, Kurbelgehäusen und Strukturbauteilen im Schwerkraft- und Niederdruckkokillengießen auf ein anorganisches Bindersystem umgestellt und der Grundstein für einen breiten Einsatz dieser umweltfreundlichen Technologie gelegt.

Regenerierung von anorganischen Kernsanden

Bild 2 zeigt den Ausgangspunkt, die Vorgehensweise und Ziele des Projektes. Nach einer Recherche bereits vorliegender Kenntnisse und Versuchsergebnisse zur Regenerierung anorganisch gebundener Kernsande wurde die Zielsetzung des Projektes festgelegt. Dabei standen folgende Anforderungen an das Verfahren im Vordergrund:

• materialschonender, stabiler Regenerierungsprozess
• konstant hohe Qualität des Regenerats im Kreislaufbetrieb
• minimaler Restbinderanteil
• minimale Neusandzugabe sowie
• niedrige Investitions- und Betriebskosten.

Das Erreichen einer Neusandqualität ist bei einer Verwendung anorganischer Systeme nicht möglich und aus Sicht der Projektbeteiligten auch nicht erforderlich. Die Qualität des regenerierten Sandes muss eine problemlose und fehlerfreie Kernfertigung erlauben, die möglichst geringen Schwankungen und wenigen Einflüssen unterworfen ist. Dieser Gesichtspunkt wurde mit der Forderung nach einer konstanten Qualität des regenerierten Sandes beachtet. Die angestrebte Neusandzugabe liegt derzeit bei 10 % und ist mit organischen Systemen vergleichbar. Generell ist der Einsatz einer kostengünstigen und umweltfreundlichen Verfahrenstechnik als Ziel gesetzt.

Machbarkeitsstudie, Verfahrensauswahl.

Entsprechend der Projektziele erfolgte eine Machbarkeitsstudie, die ein breit gefächertes Feld an Behandlungsrichtungen erprobte. Darunter fallen mechanische, pneumatische, thermische und nasse Verfahren, teilweise auch mit chemischen Zusätzen. Beispiele dafür sind eine mechanische Behandlung mit Schleifscheiben, eine pneumatische Behandlung mit Prallplatten, eine trockene und nasse Attrition (= eine Form der Abrasion = Abkratzung), eine nasse Hochdruckbehandlung und unterschiedliche Öfen. Bild 3 zeigt eine zusammenfassende Bewertung.

In Summe haben die mechanischen Verfahren ein unbefriedigendes Ergebnis gebracht. Mit einem gemessenen Staubanteil von bis zu 20 % wurde bei vielen Verfahren auch eine starke Zerstörung der Sandkörner festgestellt. Bei der Verarbeitung in der Kernfertigung zeigten sich weiterhin eine stark reduzierte Verarbeitungszeit des mit Bindemittel gemischten Regenerats und eine herabgesetzte Kernfestigkeit bei den angefertigten Prüfkörpern. Der Binderanteil konnte maximal um etwa 20 % reduziert werden. Eine rein mechanische Behandlung ist für das angestrebte Projektziel nicht ausreichend.

Die thermischen Verfahren beeinflussten dagegen die Verarbeitungszeit des Regenerats sehr positiv. Es konnten Werte in einem Bereich erzielt werden, der mit dem von Neusand vergleichbar ist. Gleiches gilt für die Festigkeiten, deren Mittelwert aus allen thermischen Versuchen um etwa 2 % unter dem eines vergleichbaren Neusandgemisches lag. Teilweise wurden auch höhere Festigkeitswerte erzielt (siehe auch Ergebnisse des Kreislaufverhaltens). Der geringe Staubanteil erklärt sich durch eine schwache mechanische Belastung des Sandes bei einer thermischen Behandlung. Der erhöhte Aufwand dieser Behandlungsart rechnet sich durch die erreichten Eigenschaften und die gemessene Reduktion des Binderanteils um bis zu 40 %. Derzeit laufen noch Untersuchungen zum chemischen Reaktionsmechanismus bei einer thermischen Behandlung anorganischer Kernsande, da die anorganischen Bestandteile bei den eingestellten Temperaturen nicht verbrennen und der Grund für eine Abnahme des Binderanteils derzeit noch nicht vollständig interpretiert werden kann. Das thermische Regenerat wies trotz des noch vorhandenen Restbinderanteils hervorragende Verarbeitungseigenschaften auf.

Bezogen auf den Restanteil anorganischer Bestandteile im Regeneratsand erzielten die nassen Verfahren das beste Ergebnis. Bis zu 89 % der Binderanteile konnten entfernt werden. Die Staubanteile wurden als Schlämmstoffe beseitigt und die Regenerate nach einem erneuten Spülen mit Wasser getrocknet. Nachteilig erwiesen sich die Nassbehandlungen hinsichtlich der Verarbeitungszeit, der Kernfestigkeit und der notwendigen Abwasseraufbereitung. Abschließend wurden diese Verfahren aus ökologischen und ökonomischen Gründen nicht weiter verfolgt.

Die mit den getesteten Verfahren erzeugten Regenerate konnten größtenteils erfolgreich in der Kernfertigung eingesetzt werden. Dadurch konnte die Machbarkeit bei einer einmaligen Behandlung der Altsande bestätigt und die Voraussetzungen für den Aufbau eines Pilotbetriebs erfüllt werden.

Pilotbetrieb.

Um weitere Untersuchungen durchführen und den Serienprozess mit einem geschlossenen Materialkreislauf abbilden zu können, wurde auf Basis der Ergebnisse ein Pilotbetrieb mit einem mechanisch-pneumatischen und einem thermischen Verfahren aufgebaut. Mit einem Chargengewicht von 250 kg konnten damit erstmals größere Mengen an Regenerat erzeugt, geprüft und in der Kernfertigung verarbeitet werden. Neben der Analyse des Regenerats im Sand- und Chemielabor wurden Versuchskerne dem Gießprozess zugeführt und die Qualität der gegossenen Bauteile mit dem Serienstand verglichen. Der modulare Aufbau der Pilotanlage ermöglicht eine Variation der Behandlungsreihenfolge, der Behandlungsparameter und der Anzahl an Behandlungsschritten. Die Zielsetzung dieses Projektabschnitts beinhaltet folgende Punkte:

• Regenerierung ohne Nassbehandlung
• Ermittlung der optimalen Prozessparameter bei einmaliger Behandlung
• Festlegung der Prozessreihenfolge
• Untersuchung des Kreislaufverhaltens
  (Serieneinsatz: mehrmalige Behandlung) sowie
• Definition der relevanten Prüfgrößen und deren Wertebereich.

Ergebnisse – Untersuchung des Kreislaufverhaltens.

Das umfangreiche Versuchsprogramm wird in den nächsten Monaten abgeschlossen sein. Ein wichtiger Schwerpunkt ist die Absicherung der geplanten Serienanlage. Um die Auswirkungen einer hohen Anzahl an Regenerierungsdurchläufen des späteren Serienprozesses auf die Qualität des Sandes beurteilen zu können, wurden mehrere Kreislaufversuche mit einer mechanischthermischen und einer thermisch-mechanischen Behandlung in der Pilotanlage durchgeführt. Im Folgenden sind die Ergebnisse einer mechanisch-thermischen Behandlung mit fünf Umläufen dargelegt.

Bild 4 zeigt den gemessenen Na2O-Gehalt des kornvereinzelten Altsandes und der Regenerate von Umlauf 1 bis 5 im Vergleich. Der Messwert beschreibt den Anteil an alkalischem Material (Restbinder) in den untersuchten Sandproben. Der Mittelwert aller Altsande aus dieser Versuchsreihe von 0,26 % dient als Vergleichsbasis. Das Regenerat wies nach der ersten Behandlung einen Anstieg des Na2O-Gehalts auf und pendelte sich dann in einem Bereich um 0,17 % ein. Eine Beobachtung dieses Verhaltens war für die Prozessentwicklung entscheidend, da sich der Restanteil an alkalischem Material nicht aufsummiert, sondern einen endlichen Wert und damit konstanten Zustand einnimmt. Der Restbinderanteil ist im Kreislaufbetrieb kontrollierbar. Die Regenerate aus allen Umläufen dieses Kreislaufversuchs wurden erfolgreich für eine Herstellung von Kurbelgehäusen und Zylinderköpfen im Serienprozess verwendet. Der Betrag des entfernten Binderanteils kann durch eine noch ausstehende Optimierung der mechanischen Einheit weiter gesteigert werden.

Neben den Restbinderanteilen wurden auch Standardanalysen im Sandlabor durchgeführt. Bild 5 zeigt als Beispiel die Korngrößenverteilung vom Ausgangsmaterial H32-Neusand und der Regeneratsande.
Betrachtet man die einzelnen Kornfraktionen, so war eine leichte Verfeinerung des Sandes festzustellen, die allerdings innerhalb der Grenzwerte für H32-Sand lag. Die Fraktionen >0,5 mm und >0,355 mm nahmen ab, die Fraktionen >0,125 mm bis >0,25 mm dagegen zu. Durch eine im Prozess integrierte Sichtung fanden sich kaum noch Feinanteile im Regenerat. Die ausgewählte mechanische Behandlung zerstörte das Sandkorn nicht. Eine Optimierung bzw. Intensivierung der mechanischen Behandlung ist noch möglich und notwendig, um eine weitere Abnahme des Restanteils alkalischen Materials im Regenerat zu erreichen.

Für den Fertigungsprozess in der Kernmacherei ist zum einen die Sofortfestigkeit und zum anderen der Festigkeitsverlauf über die Lagerzeit der Kerne wichtig. Mithilfe der bekannten Prüfmethode – dem 3-Punkt-Biegeversuch – wird ein geschossener Prüfriegel bis zum Bruch belastet und die Bruchfestigkeit bestimmt. Dies erfolgte mit Neusand und Regenerat bei gleicher Binderzusammensetzung und gleichen Fertigungsparametern. Bild 6 zeigt den Festigkeitsverlauf. Die ersten vier Werte sind bei einer sofortigen Verarbeitung der hergestellten Sandmischung und die letzten beiden Werte bei einer Verarbeitung nach drei Stunden gemessen worden. Die Prüfzeitpunkte sind auf der Abszisse angetragen. Die Sofortfestigkeit des regenerierten Sandes, hier am Beispiel mit Regenerat aus dem zweiten Umlauf, lag etwas über der Sofortfestigkeit von Neusand. Dieser Wert ist für eine bruchfreie Entnahme der Kerne aus dem heißen Werkzeug bei der Kernfertigung wichtig und sollte 150 N/cm² nicht unterschreiten. Im späteren Verlauf bis 24 h stieg die Festigkeit weiter an. Es fand eine Nachhärtung statt, wobei das Niveau etwas über dem von Neusand lag. Nach einer Verarbeitungszeit von drei Stunden zeigte sich ein leicht abweichendes Bild. Hier entsprach sowohl die Sofortfestigkeit als auch die Festigkeit nach 24 h den Werten derer von Neusand. Dennoch lag die Festigkeit des Regenerats auf einem guten und vergleichbaren Niveau. Im späteren, eingelaufenen Serienprozess mit Regeneratsand kann das Festigkeitsniveau durch eine Anpassung der Binderzusammensetzung bzw. Bindermenge angeglichen werden. Dabei ist auf eine eventuell niedrigere Festigkeit bei längeren Verarbeitungszeiten zu achten.

Abschließend ist in Bild 7 die Verformung unter thermischer Belastung, der Hot Distortion, dargestellt, die das Verhalten des Kernes in der Umgebung von heißer Schmelze (während der Formfüllung und Erstarrung) beschreibt. Die Zeit bis zu einer Verformung, die letztendlich im Bruch des Prüfkörpers endet, wurde gemessen. Diese Zeit muss ausreichend sein, damit bis zum Erstarren des Gussteils (der Randschale) keine nennenswerte Verformung des Kerns auftritt. Hinsichtlich der Regenerierung ist wiederum entscheidend, dass sich dieser Wert über die Zahl der Umläufe nicht oder nur gering ändert. Das Bindersystem Inotec, das als Baukastensystem aufgebaut ist, stellt mehrere Promotoren zur Verfügung, um unterschiedliche Eigenschaften einzustellen.

Der Verlauf in Bild 7 zeigt diese Unterschiede sehr deutlich. Promotor 1 erzeugt einen steifen, thermostabilen Kern mit längerer Haltezeit. Promotor 2 unterstützt die Elastizität, wobei die Thermostabilität abnimmt. Grundsätzlich bleiben die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Promotoren im Kreislaufversuch erhalten. Allerdings nahm die Zeit bis zur eintretenden Verformung bei diesem Versuch leicht ab. Dieser Zusammenhang muss bei einer höheren Umlaufzahl weiter untersucht werden.

Zusammenfassung und Ausblick.

In einer ersten Studie wurde die Machbarkeit der Regenerierung anorganischer Kernsande bestätigt und die ausgewählten Verfahren in einer Pilotanlage umgesetzt. Neben einer Optimierung der Behandlungsparameter erfolgten erste Kreislaufversuche, um den späteren Serienbetrieb zu simulieren und abzusichern. Dieser Schwerpunkt wird in einem weiteren, derzeit laufenden Großversuch mit optimierten Prozessparametern und einer Neusandzugabe von maximal 10 % bestätigt.

Alle im Pilotbetrieb erzeugten Kreislaufregenerate konnten erfolgreich in der Serienfertigung von Zylinderköpfen und Kurbelgehäusen eingesetzt werden. Anfang 2010 wird der Aufbau der Serienanlage erfolgen. Bis zu diesem Zeitpunkt sind weitere Untersuchungen zur Qualitätssicherung geplant. Ziel ist die Definition der relevanten Prüfparameter und deren Grenzwerte zur Sicherung eines stabilen Fertigungsprozesses.

Für einen Ausbau der gewonnenen Erkenntnisse läuft in Zusammenarbeit mit der Becker GmbH CAD-CAM-Cast, Steffenberg- Quotshausen, eine qualitative und wirtschaftliche Bewertung des entwickelten Regenerierungsverfahrens für anorganische Bindersysteme durch den Einsatz der anorganischen Regenerate in der Kleinserienfertigung. Erste Ergebnisse werden Ende 2009 erwartet. Dieses Projekt wird von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert und von der Ashland Südchemie Kernfest GmbH und der BMW Group, Leichtmetallgießerei Landshut, unterstützt.

Dipl.-Ing. Harald Schwickal, Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Technische Universität München, Fakultät Maschinenwesen, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen

Dr.-Ing. Wolfgang Blümlhuber, Dr. techn. Emmerich Weissenbek, BMW Group, Leichtmetallgießerei Landshut

Dieser Fachartikel basiert auf einem Vortrag, der am 14. Mai 2009 auf dem Deutschen mehrere Promotoren zur Verfügung, um Gießereitag in Berlin gehalten wurde.

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