Der zunehmende Kostendruck und der globale Wettbewerb beschäftigen die Verantwortlichen in den Unternehmen und stellen die komplette Gießereibranche vor große Herausforderungen. Mit innovativen Bauteilkonstruktionen und modernen Druckgießverfahren lassen sich der Materialeinsatz reduzieren und damit Kosten sparen. Anstrengungen zur Verringerung des Energieverbrauchs im Produktionsprozess stehen jedoch zusehends im Fokus (Bild 1). Dies geschieht vor dem Hintergrund allgemein steigender Energiepreise, aber auch aufgrund politischer Regularien, nach denen zukünftig in vielen Ländern stromintensive Unternehmen im Rahmen der Energiewende erhöhte Umlagen tragen müssen.
 

In der Consumer-Branche seit langem verbreitet sind die Energieverbrauchskennzeichnungen von Geräten, die sogenannten „Energielabel“. In der Zwischenzeit konnten sich auch in der Gießereibranche Kennzahlen zur Energieeffizienz etablieren: Unter der Führung des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) haben sich Bühler, Uzwil, Schweiz, und weitere Vertreter aus der Industrie zusammengefunden und im VDMA-Normenblatt 24499 einen standardisierten Prozess beschrieben, nach dem sich der Energieverbrauch von Druckgießmaschinen vergleichen lässt. Gemessen und angegeben wird dieser auf Basis eines prozessnahen Zyklus, welcher definierte Wartezeiten für die Funktionen der Peripherie bzw. der Zusatzaggregate der Gießzelle abbildet. Eine Vergleichbarkeit unterschiedlichster Maschinentypen von verschiedenen Herstellern ist auch dadurch gewährleistet, dass die „Wartezeiten“ als Funktion der Zuhaltekraft der Druckgießmaschine und der Prozessverlauf mit klar umrissenen Verfahrbedingungen beschrieben sind (Bild 2).

Der VDMA-Normzyklus folgt exakten Vorgaben und bietet damit eine zuverlässige Grundlage, anhand derer sich leicht die Leistungsaufnahme und damit die Energieeffizienz verschiedener Druckgießmaschinen bewerten lässt (Bild 3). Das Resultat einer VDMA-Messung umfasst nebst den technischen Kennwerten einer Maschine den ausgewiesenen Energieverbrauch einer Druckgießmaschine pro Normzyklus. Dieses „Energie-Zertifikat“ gibt damit der Gießerei noch weitere Sicherheit im Rahmen eines Investitionsentscheids.

Neben diesen Vergleichskennzahlen zur eingesetzten Maschine stellt sich für den Druckgießer natürlich immer die Frage nach dem Gesamtressourcenverbrauch und damit auch nach den Kosten pro produziertem Bauteil in der realen Fertigung. Dies ist der eigentliche Benchmark im Wettbewerb der Gießereien. In der Gesamtoptimierung des Energieverbrauchs zählt dabei deshalb nicht nur die Reduktion der benötigten elektrischen Energie der Maschine, sondern auch jene zur Aufschmelzung des Metalls oder zur Bereitstellung der weiteren Ressourcen wie der Druckluft oder des Kühlwassers. Verschiedene Untersuchungen zeigen auch, dass insbesondere der Sprühprozess aufgrund des hohen Verbrauchs an Druckluftenergie einen überproportional hohen Anteil am Gesamtenergieverbrauch einnehmen kann (Bild 4 und Tabelle 1). Dies wird häufig bei rein elektrischen Energiemessungen in der Gießzelle unterschätzt.
 

Konkrete Aussagen kann dazu ein Energiemessprotokoll liefern, welches die im realen Produktionsumfeld erfassten Daten und deren Bezug zu einem spezifisch produzierten Bauteil darstellt. Unternehmen wie Bühler, welche über das notwendige Know-how und die entsprechende Messtechnik verfügen, bieten dies als Dienstleistung für Gießereien an. Während die benötigte elektrische Energie relativ einfach über ein Energiemessgerät zu erfassen ist, stellen die Messung von Druckluftverbrauch und Kühlwasseraufbereitung erhebliche Anforderungen an den Messaufbau. Zur exakten Bestimmung des Druckluftverbrauches eignen sich insbesondere kalorimetrische Messgeräte, die hohe Gasgeschwindigkeiten über einen großen Messbereich bei gleichzeitig hoher Prozessdynamik abbilden können. Dabei ist die korrekte Positionierung der Messgeräte unter Berücksichtigung der benötigten Beruhigungsstrecken entscheidend für die Qualität der Messresultate. Eine Messung der thermischen Energie ohne Produktionsunterbrechung bedingt außerdem in vielen Fällen eine zusätzliche mobile Messstrecke mit kalibrierten Temperatursensoren und exakter Durchflussmessung.

Zur Beschreibung des Gesamtenergieverbrauchs lassen sich die erhaltenen Einzelwerte in einen äquivalenten, elektrischen Energieverbrauch umrechnen. Dazu werden gießereispezifisch die Umrechnungsfaktoren für Druckluft und Kühlwasser aus den örtlichen Gegebenheiten errechnet. Diese Faktoren beschreiben die benötigte elektrische Energie zur Bereitstellung von einem Normkubikmeter Druckluft respektive einer Kilowattstunde thermischer Energie. Sie sind zudem stark von den installierten Kompressoren wie auch von der Art der Kühlwasseraufbereitung abhängig. Die Resultate einer spezifischen Druckgießzelle können in einem Energiemessprotokoll (Bild 5) im Detail aufgeschlüsselt werden und ergeben in Summe den benötigten Energieverbrauch eines bestimmten Bauteils.
 

Auch wenn die Maschine vorübergehend steht, muss das Schmelzgut weiterhin warm und alle benötigten Aggregate in einem Standby-Zustand gehalten werden. Bis zu 60 % der Leistungsaufnahme während der regulären Produktion fallen heutzutage an, obwohl die Maschine nicht produziert. Die Folge davon ist, dass alle gefertigten Gutteile kostenmäßig diese „Stand-by-Verluste“ mittragen müssen. Oder mit anderen Worten: Eine höhere Gesamtanlageneffektivität reduziert den Energieverbrauch pro Bauteil. Dabei wird deutlich, dass sich die Verbesserung der GAE ungleich stärker auf die Stückkosten auswirkt als die ausschließliche Optimierung der Energiekosten der produzierenden Druckgießzelle selbst. Ein vereinfachtes Berechnungsmodell zeigt den prozentualen Einfluss einer verbesserten GAE auf den Energieverbrauch respektive der Herstellkosten (Bild 6a). Zum Vergleich dient die identische Berechnung bei einer Verbesserung der Energieeffizienz.