Gestaltung ressourceneffizienter Prozessketten am Beispiel Aluminiumdruckguss (ProGRess)

Problemstellung
In 2005 wurden bei der deutschen Alunminiumgussproduktion von 715.725 t ca. 400.679 t als Aluminiumdruckguss hergestellt. Die jährliche Steigerungsrate liegt in Deutschland bei etwa 10%. Da der Druckgießprozess durch einen hohen Energiebedarf in Kombination mit hohen Energieverlusten gekennzeichnet ist, muss der Umweltverträglichkeit dieses Verfahrens eine hohe Bedeutung beigemessen werden. Derzeit gilt, dass 50 % des Gesamtenergiebedarfs zum Erwärmen und Schmelzen des Aluminiums und weitere 50 % für die Druckgießmaschine mit den Peripheriegeräten und für die Formtemperierung benötigt werden. Als eine Folge des hohen Energiebedarfs ist die Erzeugung von Aluminiumdruckguss mit einer verarbeiteten Menge von über 400.300 t endverarbeiteten Bauteilen in Deutschland für Emissionen von ca. 200 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten verantwortlich. Verluste beim Blockeinschmelzen in Höhe von 2 bis 5% tragen zusätzlich zu weiteren ca. 300 Tausend Tonnen CO2-Äquivalenten bei. Ca. 4% der gesamten Treibhausgasemissionen in der EU-27 sind damit auf diese Prozesskette zurückzuführen. Die Wärmebilanz des Gesamtprozesses ist somit durch hohe Energieverluste gekennzeichnet, die im Verbundvorhaben ProGRess reduziert werden sollen. Hierfür war eine ökologische und ökonomische Bewertung und Optimierung aller beteiligten Einzelprozesse sowie der gesamten Prozesskette zu entwickeln, um maximale Einspareffekte sowohl bei Kosten (Energie, Material) als auch bei Emissionen (CO2-Äquivalente) zu erzielen.

Projektziele
Mit der im Projekt ProGRess entwickelten und validierten Vorgehensweise werden branchenübergreifend energieintensiv produzierende Unternehmen in die Lage versetzt, die Nutzungseffizienz von Energie und Ressourcen unter Einbeziehung sowohl von vor- als auch von nachgelagerten Bearbeitungsschritten signifikant zu steigern. Dadurch wird ein wesentlicher Beitrag zur Senkung des Energiebedarfs und der damit verbundenen Emission von CO2-Äquivalenten erreicht. Durch Betrachtung der einzelnen Teilprozesse wie Schmelze, Druckguss, Zerspanung, Wärmebehandlung, sowie Nachbearbeitung und ihrer technologischen Optimierung, und durch die Simulation der Energie- und Stoffströme und ihrer Optimierung über die Grenzen einzelner Teilprozesse hinaus, kann eine Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz von ca. 10-15% für die gesamte Prozesskette erreicht werden. Der Effizienzfaktor kann dabei sowohl an der Senkung der Energie- und Ressourcenbedarfe als auch an der Steigerung der Ausbringungsmenge bei definierter Qualität der Endprodukte gemessen werden. Auf diese Weise kann durch integrierte Betrachtung und Weiterentwicklung aller Teilprozesse einer Wertschöpfungskette eine Steigerung sowohl der ökologischen als auch der ökonomischen Gesamteffizienz erreicht werden, die durch die aktuell vorherrschende, singuläre Betrachtung von Einzelprozessen bisher nicht erreichbar war.

Vorgehensweise
Das Projekt ProGRess war in sieben inhaltliche Arbeitspakete gegliedert:
– Datenerfassung, Potenzialanalyse und ganzheitliche Bewertung (Ist-Situation)
– Verbesserung von Einzelprozessen und Anlagen
– Simulation der Wärmebehandlung
– Simulation des Gießprozesses
– Simulation der Prozesskette
– Legierungs- und Metallmanagement
– Ableitung von Handlungsfeldern und Maßnahmen zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz auf Prozesskettenebene
Neben zwei Forschungspartnern, die sich mit der Entwicklung der Methoden und Werkzeuge beschäftigen, waren drei Anwenderunternehmen eingebunden, die sich hinsichtlich Produktpalette, eingesetzten Produktionstechnologien und Fertigungstypologie (von Klein-/ Mittelserien mit schwankender Auslastung bis kontinuierliche Produktion) unterscheiden und eine hohe Anwendervielfalt abdecken. Weiterhin umfasste das Konsortium Unternehmen, die in den Einzelprozessen Optimierungsansätze entwickeln und umsetzen, angefangen bei der Optimierung der Schmelze über den Druckgussprozess bis hin zur Nachbearbeitung. Damit war das Verbundvorhaben ProGRess in die Lage, durch integrative Analyse der ökonomischen und ökologischen Auswirkungen potenzielle Maßnahmen und Handlungsfelder zur Energiebedarfssenkung abzuleiten, die im Sinne einer ganzheitlichen Entscheidungsunterstützung bewertet wurden, angefangen bei der Auslegung des Einzelprozesses bis zur strategischen Gestaltung und operativen Steuerung der Prozesskette.

Ergebnisse und Anwenderpotenzial
Die Erfahrungen und Ergebnisse des Projektes wurden zunächst angepasst in den drei Anwendungspartnern des Konsortiums umgesetzt und erprobt. Aufgrund differierender Leistungsspektren und Produktionsbedingungen ist die Entwicklung eines übertragbaren Lösungskonzeptes sichergestellt. Durch den modellbasierten und praxisnahen Ansatz einer integrativen Prozess- und Prozesskettenoptimierung wurde eine Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auch branchenübergreifend auf andere themennahe, energie- und rohstoffintensive Prozessketten möglich, die aufgrund der hohen Kostenbelastung für Energie und Rohstoffe sehr ähnliche Problemstrukturen aufweisen. Durch das im Projekt ProGRess entwickelte Lösungskonzept können lokale technische Maßnahmen in einem globalen prozesskettenspezifischen Fokus analysiert und optimale Gestaltungskonfigurationen simuliert, abgeleitet und erprobt werden. Damit werden technische und organisatorische Chancen und Risiken von Maßnahmen zu Effizienzsteigerungen in der Prozesskette Aluminiumdruckguss transparent und bewertbar gemacht.

• Bühler GmbH
• Chem-Trend (Deutschland) GmbH
• G. A. Röders GmbH & Co. KG
• HONSEL AG
• KSM Castings Group GmbH
• MAGMA Gießereitechnologie Gesellschaft für Gießerei- Simulations- und Regeltechnik mbH
• Technische Universität Braunschweig
• TRIMET Aluminium SE