Es werden die Voraussetzungen für die Anwendung statistischer Methoden in Seriengießereien dargestellt. Dazu wurde zunächst anhand einer umfangreichen Literaturrecherche aufgezeigt, dass der Stand der Technik deutliche Defizite aufweist. Für die Verwendung statistischer Methoden, mit dem Ziel der Ausschussreduktion oder Prozessoptimierung, ist eine Datenbank anzulegen, in der jedem Gussteil eindeutig alle qualitätsrelevanten Prozessparameter zugeordnet sind. In Gießereien werden eine Vielzahl von Prozessdaten gemessen und auf unterschiedlichen Computern gespeichert, jedoch ohne Zusammenhang zum Gussteil und dessen Qualität. Eine Zusammenführung der ungenutzten Daten im Nachhinein ist nicht möglich. Die Stoffströme (Sande, Kerne etc.) wurden vom Rohmaterial bis hin zur Gussteilqualität verfolgt (z. B. mit RFID, Infrarotpyrometer). Es wurde ein Ablaufplan über die Vorgehensweise erstellt und in mehreren Gießereien angewandt. Das Ergebnis war eine vollständige Datenbank der Prozessparameter und Gussteilqualitäten, an der mittels statistischer Methoden die Ursachen für Gussfehler identifiziert worden sind.

Die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffaktivität mittels EMK-Messung in hochlegierten Stählen und zugleich die Online-Berechnung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff mittels geeigneter Modelle, ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Entwicklung einer kontinuierlichen Messsonde vollzog sich in mehreren Stufen, begleitet von experimentellen Untersuchungen. Resultat ist eine Messeinheit, die zuverlässig die Sauerstoffaktivität in allen Stahlschmelzen, bis 1600°C, über mehrere Stunden messen kann. Da der in der Schmelze vorliegende Sauerstoffgehalt um ein vielfaches höher ist als die gemessene Aktivität, ist der Einsatz von thermodynamischen Modellen notwendig. Es wurden drei Modelle basierend auf einer Taylor-Reihenentwicklung unter Einbeziehung der bekannten Wechselwirkungsparameter aufgestellt und mittels experimenteller Untersuchungen angepasst. Mit Hilfe dieses Auswerteformalismus können schnell und zuverlässig Aussagen über den Verlauf von Stahlherstellungsprozessen getroffen werden. Einer erfolgreichen Implementierung dieser Messeinheit (EMK-Messsonde und Auswerteeinheit) steht daher nichts mehr im Wege.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

Bei der Arbeit stellte sich heraus, dass die Verwendung von aktiviertem Calciumbentonit oder von natürlichem Natriumbentonit als Formstoffbinder zu deutlich geringeren Porositäten im Gussstück führt als die Verwendung eines Calciumbentonits. Ein hoher Wassergehalt im Formstoff, z.B. bedingt durch einen hohen Schlämmstoffanteil, führt zu einer Erhöhung der Porosität. Stärker als der Formstoff jedoch wirkte sich die Formfüllung auf die Porosität im Gussstück aus, da bei einer Überschreitung der kritischen Gießgeschwindigkeit eine verstärkte Turbulenzbildung verursacht wird. Bei Dauerschwingfestigkeitsuntersuchungen zeigte sich, dass bei bearbeiteten Proben, trotz Verwendung verschiedener Nassgusssande ein vergleichbares Dauerfestigkeitsniveau auftritt. Unterschiede ergaben sich jedoch bei Verwendung verschiedener Gießverfahren und somit unterschiedlicher Formfüllbedingungen. Beim turbulenzarmen Niederdruckguss wurde eine höhere Dauerfestigkeit erzielt als beim Schwerkraftguss.

Bei der Arbeit stellte sich heraus, dass die Verwendung von aktiviertem Calciumbentonit oder von natürlichem Natriumbentonit als Formstoffbinder zu deutlich geringeren Porositäten im Gussstück führt als die Verwendung eines Calciumbentonits. Ein hoher Wassergehalt im Formstoff, z.B. bedingt durch einen hohen Schlämmstoffanteil, führt zu einer Erhöhung der Porosität. Stärker als der Formstoff jedoch wirkte sich die Formfüllung auf die Porosität im Gussstück aus, da bei einer Überschreitung der kritischen Gießgeschwindigkeit eine verstärkte Turbulenzbildung verursacht wird. Bei Dauerschwingfestigkeitsuntersuchungen zeigte sich, dass bei bearbeiteten Proben, trotz Verwendung verschiedener Nassgusssande ein vergleichbares Dauerfestigkeitsniveau auftritt. Unterschiede ergaben sich jedoch bei Verwendung verschiedener Gießverfahren und somit unterschiedlicher Formfüllbedingungen. Beim turbulenzarmen Niederdruckguss wurde eine höhere Dauerfestigkeit erzielt als beim Schwerkraftguss.

Es werden die Voraussetzungen für die Anwendung statistischer Methoden in Seriengießereien dargestellt. Dazu wurde zunächst anhand einer umfangreichen Literaturrecherche aufgezeigt, dass der Stand der Technik deutliche Defizite aufweist. Für die Verwendung statistischer Methoden, mit dem Ziel der Ausschussreduktion oder Prozessoptimierung, ist eine Datenbank anzulegen, in der jedem Gussteil eindeutig alle qualitätsrelevanten Prozessparameter zugeordnet sind. In Gießereien werden eine Vielzahl von Prozessdaten gemessen und auf unterschiedlichen Computern gespeichert, jedoch ohne Zusammenhang zum Gussteil und dessen Qualität. Eine Zusammenführung der ungenutzten Daten im Nachhinein ist nicht möglich. Die Stoffströme (Sande, Kerne etc.) wurden vom Rohmaterial bis hin zur Gussteilqualität verfolgt (z. B. mit RFID, Infrarotpyrometer). Es wurde ein Ablaufplan über die Vorgehensweise erstellt und in mehreren Gießereien angewandt. Das Ergebnis war eine vollständige Datenbank der Prozessparameter und Gussteilqualitäten, an der mittels statistischer Methoden die Ursachen für Gussfehler identifiziert worden sind.

Auf der Grundlage eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Druckentwicklung in pneumatischen Verdichtungsanlagen, welche zur Herstellung von Kernen und Formen dienen, wurden Computerprogramme erstellt. Mit deren Hilfe können Parameteridentifikationen zur Ermittlung maschinentechnischer Größen (Durchflusskoeffizienten, Ventilfunktionen) durchgeführt und Druckverläufe berechnet werden. Es erfolgt der Nachweis, dass das mathematische Modell die Prozesse hinreichend genau wiedergibt. Im theoretischen Teil werden Betrachtungen zu Einflussgrößen auf die Druckentwicklung angestellt. Dabei wurde festgestellt, dass das Maschinenbehältervolumen den größten Einfluss ausübt. Weiterhin sind Untersuchungen bzgl. der Druckentwicklungsabhängigkeit von Ventileigenschaften durchgeführt worden. Als Kriterium zur Bewertung von pneumatischen Anlagen wurden die Energiebilanz und der Druckanstieg über dem Formstoff diskutiert.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffaktivität mittels EMK-Messung in hochlegierten Stählen und zugleich die Online-Berechnung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff mittels geeigneter Modelle, ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Entwicklung einer kontinuierlichen Messsonde vollzog sich in mehreren Stufen, begleitet von experimentellen Untersuchungen. Resultat ist eine Messeinheit, die zuverlässig die Sauerstoffaktivität in allen Stahlschmelzen, bis 1600°C, über mehrere Stunden messen kann. Da der in der Schmelze vorliegende Sauerstoffgehalt um ein vielfaches höher ist als die gemessene Aktivität, ist der Einsatz von thermodynamischen Modellen notwendig. Es wurden drei Modelle basierend auf einer Taylor-Reihenentwicklung unter Einbeziehung der bekannten Wechselwirkungsparameter aufgestellt und mittels experimenteller Untersuchungen angepasst. Mit Hilfe dieses Auswerteformalismus können schnell und zuverlässig Aussagen über den Verlauf von Stahlherstellungsprozessen getroffen werden. Einer erfolgreichen Implementierung dieser Messeinheit (EMK-Messsonde und Auswerteeinheit) steht daher nichts mehr im Wege.

Heutzutage werden im Mittel- und Großguss, durch die technologischen Vorteile, vorrangig kaltharzgebundene Formstoffe eingesetzt. Die organischen Formstoffbinder emittieren jedoch im Gießereibetrieb leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe. Der Zementformstoff stellt demzufolge auf Grund fehlender organischer Emissionen eine umweltfreundliche Alternative dar. Im Projekt „RapidZem“ wurde ein konkurrenzfähiger Schnellzement mit entsprechenden technologischen Eigenschaften entwickelt. Für den industriellen Einsatz war es jedoch zwingend erforderlich, dass dessen Regenerierbarkeit und Anwendung im Kreislauf nachgewiesen wird. Dementsprechend wurden in dieser Arbeit Methoden zur Regenerierung und Wiederverwendung des umweltfreundlichen Schnellzementformstoffes untersucht. Dabei wurde im industriellen Maßstab aufgezeigt, dass unter der Verwendung von Regenerat im Formstoffkreislauf beim Vollformverfahren gute Gussteile hergestellt werden können. Deren Qualität entspricht Gussstücken, die in Furanharzformen produziert wurden. Zur Regenerierung des Schnellzementformstoffes empfehlen sich mechanische Regenerierungsanlagen, die im Chargenbetrieb mit eingebauten Schleifkörpern arbeiten. Auf Grund der starken Haftung des Zementbinders am Sandkorn hat sich die Prallbelastung als ungeeignet erwiesen, da es entweder zu einer geringen Regenerierungsintensität oder einer Zerstörung der Sandkörner kommt. Mit der in dieser Arbeit erzielten Regeneratqualität kann ein Formstoff mit max. 93,3 % Regeneratanteil hergestellt werden, bei entsprechender Prozessführung ist ein Regeneratanteil von 93,3 bis 100 % als theoretisch realisierbar einzustufen. Der Schnellzementformstoff erzielt gegenüber furanharzgebundenen Formstoffen derzeit keine vollständige Kostenneutralität. Aber durch die Tatsache, dass der Schnellzement keinerlei leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe emittiert, stellt dieser dennoch eine Alternative zum Furanharz dar und zwar für Gießereien die sich an ihrem Standort mit verschärften Anforderungen gegenüber Emissionen und Geruchsausbreitung konfrontiert sehen. Im Zusammenhang mit der TA-Luft kann es in mittel- bis langfristiger Zukunft zu Beschränkungen oder sogar einem eventuellen Genehmigungsverweigerung des Einsatzes von kaltharzgebundenen Formstoffsystemen kommen. Es ist abzusehen, dass der Umstieg auf den Schnellzementformstoff eine kostengünstigere und umweltfreundliche Alternative darstellen wird. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt muss dem Schnellzement als Formstoffbinder noch ein Prototypen-Status zugeordnet werden. In Hinblick auf die industrielle Anwendung ist von einer weiteren Optimierung durch den Hersteller auszugehen.