Das Verfahren der dualen Energiesignaturen zur Identifikation von Energieverschwendung in Fertigungsprozessen hat sich gut bewährt [2]. Dabei erfolgt die Einteilung des Zeit- und Energieeinsatzes ausschließlich dual in wertschöpfend und nicht wertschöpfend. Wertschöpfender Energiebedarf führt zu einem Mehrwert am Produkt [2]. Dieser Ansatz ist an etablierte Klassifizierungsmethoden (Einteilung der Prozessabläufe mittels der vier Leistungsarten [3] oder der Refa-Lehre [4]) angelehnt. Bei den Leistungsarten wird die Nutzleistung als wertschöpfend definiert (Bild 1 oben). Stützleistung ist aus technischen Gründen teilweise erforderlich, jedoch wie Blind- und Fehlleistung per Definition nicht wertschöpfend [5]. Bild 1 zeigt Beispiele für die Leistungsarten.
 

Diese Logik auf die Refa-Lehre übertragen bedeutet:

• Die Hauptzeit, der Betriebszustand Produktivbetrieb/Bearbeitung, wird als wertschöpfend definiert (Bild 1 unten).
• Nebenzeiten, wie die Betriebszustände „Aus“, „Stand by“ und „Fertigungsbereit“, tragen nicht unmittelbar zum Mehrwert am Produkt bei und sind damit nicht wertschöpfend.

In diesem Beitrag wird ein Verfahren zur Berechnung des wertschöpfenden Energieeinsatzes beim Aluminiumdruckgießen vorgestellt.

Durch Gegenüberstellung mit dem tatsächlich gemessenen Gesamtenergiebedarf der Druckgießmaschine können ein energetischer Wertschöpfungswirkungsgrad η_Eva berechnet und Verbesserungspotentiale abgeleitet werden. Gleichzeitig wird der zeitliche Wertschöpfungswirkungsgrad η_tva bestimmt.

Druckgießmaschinen werden vorwiegend hydraulisch betrieben. Dies ermöglicht eine hohe Dynamik zum Beschleunigen der Massen während des Formfüllens.

In einer mittelständischen Gießerei wurde mit einer hydraulischen Kaltkammer-Druckgießmaschine (Frech DAK 720) ein Kühlkörper mit den Abmessungen ca. 450 mm × 300 mm × 5 mm aus Aluminiumdruckguss hergestellt.

Bild 2 zeigt die elektrische Leistungsaufnahme der Druckgießmaschine in den einzelnen Prozessabschnitten. Der Gesamtenergiebedarf innerhalb eines Zyklus beträgt 338,1 Wh. Dieser setzt sich aus dem Bedarf der Antriebe, der Steuerung und der Schaltschrankkühlung zusammen. Neben der konstanten Grundlast (ca. 15 000 W) fallen die hohen Leistungsspitzen (ca. 70 000 W) auf. Diese werden durch die Maschinenbewegung und das Aufladen des Druckspeichers hervorgerufen.
 

Zur Erstellung dualer Energiesignaturen beim Aluminiumdruckgießen wird folgendes Verfahren vorgeschlagen:

a) Aufnahme des Gesamtenergiebedarfs der Druckgießmaschine und Beschreibung der Prozessabschnitte (Bild 2),
b) Berechnung eines „idealen Druckgießprozesses“,
c) Gegenüberstellung des gemessenen Gesamtenergiebedarfs und des „idealen Druckgießprozesses“ auf der Basis der Wertschöpfungsdefinition.

Definition von Wertschöpfung beim Druckgießen
Der Füllprozess ist in drei Phasen eingeteilt [6]. Als wertschöpfend kann jedoch nur der Energieeinsatz, der zum Formfüllen benötigt wird, angesehen werden [7]:

• In der 1. Phase wird die Schmelze langsam bis zum Anschnitt geführt. Der Energieeinsatz ist nicht wertschöpfend.
• In der 2. Phase wird die Schmelze mit hoher Geschwindigkeit in die Form gefüllt. Die hohe Kolbengeschwindigkeit wird durch Zuschalten eines Druckspeichers realisiert. Wertschöpfend ist der unmittelbare Energieeinsatz für das Formfüllen aus dem Druckspeicher (Speicherenergie) und das Urformen, um die Schmelze in die gewünschte geometrische Form zu bringen (Urformenergie).
• In der 3. Phase wird die erstarrende Schmelze unter hohem Druck verdichtet. Dies dient der Volumenkontraktion von Gasen und dem Ausgleich der Schwindung. Der hohe Druck wird oft durch einen zusätzlichen Druckspeicher/ Multiplikator realisiert. Wertschöpfend ist lediglich der Energieeinsatz, der zur Dichtspeisung beiträgt (Verdichtungsenergie).

Berechnung eines „idealen Druckgießprozesses“
Der Kunde ist bereit, für das Bauteil zu bezahlen, für das Angusssystem und die Überläufe nicht. Folglich wird ausschließlich das Bauteil und das dafür benötigte Material als wertschöpfend angesehen. Die Berechnung eines idealisierten Verarbeitungsprozesses erfolgt unter folgenden weiteren Randbedingungen: Die Maschinenbewegungen und das Formfüllen werden als reibungsfrei angenommen. Das Zuhalten der Druckgießmaschine erfolgt kraftfrei und benötigt ebenso keine Energie.

Zur Herstellung eines Formteils wird folglich in einem idealisierten Prozess lediglich die wertschöpfende Energie benötigt, bestehend aus Speicher-, Urformund Verdichtungsenergie (siehe vorhergehender Abschnitt). Diese werden mithilfe der Gleichungen (1) bis (7) berechnet. Bild 3 zeigt das Funktionsprinzip eines Gießaggregats. Die farbigen Markierungen dienen der Verständlichkeit und finden in den nachfolgenden Formeln Snwendung.
 

Der tatsächliche Gießhub (ohne Angusssystem und Überläufe) wird nach den Gleichungen (1) und (2) unter folgenden Annahmen berechnet:

• Masse des Bauteils: 0,419 kg (ohne Anguss),
• Dichte Aluminium: 2700 kg/m3 (hier wird vereinfacht mit der Dichte im erstarrten Zustand gerechnet, im flüssigen ist diese etwas geringer) [6].

Berechnung der Speicherenergie
Die Gusslegierung wird in der zweiten Phase in kürzester Zeit in die Form transportiert. Dies erfordert eine hohe Beschleunigung, da die Schmelze sonst bereits während des Formfüllens erstarrt. Die dafür erforderliche Energie wird in einem Druckbehälter gespeichert (Speicherenergie). Die Hydraulikpumpe fördert entgegen dem eingeschlossenen Gas eine bestimmte Ölmenge in den Druckspeicher, bis der eingestellte Maximaldruck im Speicher erreicht ist. Die Speicherenergie berechnet sich wie folgt.
 

Die berechnete Energie zum Befüllen des Speichers beträgt 2,8 Wh. Diese Energie steht sofort zur Verfügung, wenn das Schussventil öffnet und die Hydraulikflüssigkeit abströmen kann.

Berechnung der Urformenergie
Die Urformenergie wird zum Einfüllen der Schmelze in den Formhohlraum benötigt. Die Berechnung erfolgt mit Hilfe der Bernoulli- Gleichung für quasistationäre Strömungen. Die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit beträgt i. d. R. 30 bis 50 m/s [9]. Hier wurden 45 m/s angenommen.
 

Aus dem errechneten Strömungsdruck und dem Gießvolumen ergibt sich die Urformenergie.

Verdichtungsenergie
Die Erstarrungsschrumpfung stellt beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand eine Volumenabnahme des Bauteils dar. Die direkte Folge ist ein Volumendefizit in Form von Porosität als Lunker [6]. Das Volumendefizit der Schrumpfung kann beim Gießprozess durch Nachspeisen kompensiert werden.

Die Erstarrungsschrumpfung beträgt für Aluminiumlegierungen ca. 4 % [10]. Somit können 4 % des Gießhubes der 2. Phase als Hub der Nachdruckphase angesehen werden. In der Realität ist dieser jedoch meist höher, da das Volumen im Überlauf und dem Angusssystem ebenfalls schwindet.
 

Die Verdichtungsenergie von 0,1 Wh wird lediglich innerhalb der Erstarrungszeit benötigt, da das Material nur bis zur vollständigen Erstarrung des Teils verdichtet werden kann. Zu beachten ist, dass sich die eindringende Wärmestromdichte proportional zum Wärmeeindringkoeffizienten verhält und mit der Zeit abklingt (Chvorinov) [11]. Die Erstarrungszeit für unser Bauteil mit einer maximalen Wanddicke von 3 mm lässt sich somit näherungsweise wie folgt berechnen:
 

Die Verdichtungsenergie wird folglich in der Erstarrungszeit von 225 ms benötigt.

Duale Energiesignatur mittels des „idealen Druckgießprozesses“
Der wertschöpfende Energieanteil ergibt sich aus der o. g. Berechnung und beträgt in Summe 3 Wh: Speicherenergie 2,8 Wh, Urformenergie 0,1 Wh und Verdichtungsenergie 0,1 Wh (Bild 4, dunkelblaue Anteile der Signatur). Der wertschöpfende Zeitanteil von 3,8 s ist oberhalb der Signatur dunkelorange gekennzeichnet. Damit ist zweifelsfrei ersichtlich, dass nur, wenn Energie wertschöpfend eingesetzt wird, auch die Zeit wertschöpfend sein kann.

Die hellblaue Signatur zeigt den nicht wertschöpfenden Energieeinsatz der Druckgießmaschine. Dieser beträgt 335,1 Wh. Der zugehörige nicht wertschöpfende Zeiteinsatz beträgt 50,2 s, hellorange dargestellt.

Mittels dualer Signatur kann nun der zeitliche Wertschöpfungswirkungsgrad η_tva von 7 % (Gleichung (9)) und der energetische Wertschöpfungswirkungsgrad η_Eva von 1 % berechnet werden (Gleichung (10)).

Die Datenbox (Bild 4, rechts) fasst die Ergebnisse zusammen.
 

Die elektrische Energie E ist das Integral der Leistung P über der Zeit t (Bild 5). Um die Prozesseffizienz zu steigern, sind grundsätzlich zwei Ansatzpunkte möglich [12]:

• Absenkung des Leistungsniveaus P und
• Verkürzung der Prozesszeit t.

Im Druckgießprozess lässt sich die Energieeffi zienz durch folgende prinzipielle Ansätze steigern:

a) Verkürzen der Prozesszeit: Eine Prozesszeitverkürzung führt neben einer Produktivitätssteigerung regelmäßig auch zu einer Energieeinsparung. Grund: Um Energie zu verschwenden, wird Zeit benötigt. Wird die Zeit reduziert, wird folglich auch der Energiebedarf reduziert. In der Praxis erfolgt die Einstellung der Prozessparameter Sprüh- und Erstarrungszeit im Allgemeinen nach Erfahrungswerten. Diese nicht wertschöpfenden Zeitabschnitte kritisch zu hinterfragen, zeigt regelmäßig Verbesserungspotenzial (Bild 6).