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Anorganik – Die neueste Generation

Exklusiv
GP 04/2018

In deutschen Automobil-Aluminium-Gießereien ist der Einsatz anorganisch gefertigter Kerne mittlerweile in weiten Bereichen etabliert. Die aktuellen Forschungen und Weiterentwicklungen richten sich nun auf den effizienten Einsatz der anorganischen Technologie in bestehenden und zusätzlichen Anwendungsfeldern. Die Entwicklungen in Deutschland und die erzielten umwelt- und produktionstechnischen Vorteile der anorganischen Bindersysteme werden nicht nur von den Gießereien in Europa, sondern auf der ganzen Welt aufmerksam beobachtet und verfolgt. Die technischen Voraussetzungen und Produktionsstandards sind aber von Region zu Region teilweise sehr unterschiedlich. Besonders die klimatischen Bedingungen stellen eine große Herausforderung dar. Nachfolgend soll ein weiterentwickeltes anorganisches Bindersystem hinsichtlich seiner technologischen Vorteile speziell bei ungünstigen klimatischen Bedingungen beleuchtet werden. Weiterentwickeltes anorganisches Bindersystem: hohe Stabilität und geringe Feuchtigkeitsaufnahme Der Einsatz anorganischer Bindersystem ein den Gießereien hat in letzten Jahren deutlich zugenommen. Wurden im Jahr 2010 weltweit rund 600 Tonnen anorganische Bindemittel eingesetzt, waren es 2015 bereits 8 000 Tonnen. Diverse deutsche Automobilhersteller sowie einige global aufgestellte Gießerei-Konzerne haben die Anorganik in ihrer Serienfertigung erfolgreich etabliert. Inzwischen sorgt auch in anderen wichtigen Industrienationen ein stärker werdendes Umweltbewusstsein für ein Umdenken in der Gießereiindustrie. Strengere Emissionsstandards werden zum Beispiel in Asien zum Treiber für Produkt- und Prozessinnovationen. Darüber hinaus tragen Technologietreiber wie die deutschen Automobilhersteller VW, Daimler und BMW dazu bei, dass sich in Europa etablierte Technologien auch global als „State of-the-Art“ durchsetzen.  Doch auch wenn die anorganischen Bindersysteme inzwischen den Kinderschuhen entwachsen sind und wirtschaftliche,qualitativ hochwertige Ergebnisse liefern, ist die Entwicklung bei Weitem nicht zu Ende. Gießerei-Fachleute und Chemiker bei Hüttenes- Albertus haben in den vergangenen Jahren intensiv daran gearbeitet, die Produkte weiter zu verbessern. Dabei hat das Unternehmenverschiedene Herausforderungen im Blick. Zu diesen Herausforderungen gehört unter anderem die Optimierung de rLagerstabilität der Kerne unter schwierigen klimatischen Bedingungen (sprich:feucht-warmer Umgebung), wie sie z. B. in asiatischen Ländern, im Sommer aber auch in Deutschland herrschen. Auf grundder hydrophilen Eigenschaften der auf der Basis von Wasserglas gebundenen Kernen eigen diese dazu, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen und damit instabil zu werden. Zur Erklärung ein kurzer Blick auf das Funktionsprinzip des anorganischen Bindersystems von Hüttenes-Albertus: Bei dem anorganischen Binder Cordis handelt es sich um eine modifizierte Silikatlösung. Diese wird vermischt mit Kernsand und dem Additiv Anorgit. Unter Temperaturbeaufschlagung in beheizten Kernkästen bildet sich durch einen physikalischen Prozess ein dreidimensionales Netzwerk aus, das dem Sandkern seine Festigkeit verleiht. Zusätzlich werden die Kerne mit erwärmter Luft begast. Das in den Kernen befindliche Wasser wird in die Gasphase überführt und ausgetrieben. Der auf einer thermischen Dehydrierung beruhende Härtemechanismus ist allerdings reversibel (Bild 1). Daher kann es durch eine hohe Luftfeuchtigkeit zur Rückreaktion kommen: Die Bindungen werden geschwächt, was zu reduzierten Festigkeiten,Kernbruch oder Abrasion führen kann.

Im Fokus der Entwicklung: Optimierung der Lagerstabilität

Ein wichtiges Ziel der Forschung und Entwicklung von Hüttenes-Albertus war daher in den vergangenen Jahren die Verbesserung der Lagerstabilität. Es entstanden neue Produktgenerationen, die die Leistungsmerkmale der emissionsfreien anorganischen Bindersysteme Schritt für Schritt weiter optimieren. So konnte im Vergleich zur früheren Produktgenerationen bereits eine deutlich bessere Vernetzung zwischen Additiv und Binder erreicht werden.  Spezielle Zusatzstoffe in Binder und Additiv beeinflussen gezielt den hydrophilen Charakter der Kerne und machen sie resistenter gegen erhöhte Luftfeuchten. 

Produkte der aktuellen Cordis-Generation enthalten bereits Komponenten zu Erhöhung der Kernlager stabilität. Man hat jedoch festgestellt, dass eine weitere Erhöhung des Anteils an diesen Komponenten zu einer Instabilität des Binders führen kann.

Im gemischten Zustand kann es zu rBildung von Gel/Schleim und somit zu einem Niederschlag in der Verpackungsbzw. Lagereinheit kommen.

Auf klimatische Bedingungen angepasst

Zur Lösung des beschriebenen Problems hat Hüttenes-Albertus ein wirkungsvolles Konzept entwickelt. Dieses besteht in einem neuen, flexiblen 3-Komponenten-System, welches anpassbar ist auf wechselnde Klimabedingungen: Die Additive zur Erhöhung der Lagerstabilität werden dabei nicht wie bisher direkt ab Werk in die Cordis Silikat lösung integriert, sondern separat geliefert – in einer Variante „Sommer“-Additiv für hohe Luftfeuchtigkeiten > 60 % und in einer Variante „Winter“-Additiv für niedrige Luftfeuchtigkeiten.

Das 3-K-System besteht somit aus:

 

 

Die einzelnen Binderkomponenten für sich sind langzeit stabil. Je nach klimatischer Situation werden der Permanentbinder, das jeweilige flüssige Additiv sowie das Pulveradditiv dem Sand direktzugemischt. Man verwendet somit ein hoch leistungsfähiges Bindersystem, das perfekt an die individuellen Bedingungen anpassbar ist und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme sowie eine hohe Lagerstabilität der gefertigten Kerne aufweist.

Bei entsprechenden Laboruntersuchungen und Gießversuchen konnte dies verifiziert werden: So wurden beider Bestimmung der Wasseraufnahme (Bild 2), der Festigkeiten und der Stabilitätseigenschaften in Abhängigkeit von Temperatur und Luftfeuchtigkeit hervorragende Ergebnisse erzielt.

Erfolgreicher Einsatz in der Gießerei 

Auch bei anschließenden Praxisversuchen in einer Gießerei, die bereits das Cordis-Bindersystem einsetzt, konnte das 3-K-System neben der Lagerstabilität der Kerne auch in weiteren relevanten Punkten überzeugen:

  • Performance bei der Kernfertigung,
  • Maßhaltigkeit der Kerne,
  • Ausschussanteil der gefertigten Gussteile,
  • Maßhaltigkeit der Gussteile und
  • bei der Entkernung.

In der Praxis kann die Mischung der beiden Binderkomponenten an der zentralen Bindemittelversorgung erfolgen. Dies geschieht durch die Dosierung der flüssigen Komponenten direkt in die Sandmischung.

Sollte die entsprechende Anlagentechniki n der Gießerei nicht vorhanden sein (Dosierpumpe, zweiter Vorlage behälter), hat Hüttenes-Albertus einen passenden Lösungsvorschlag.

Fazit

Das anorganische 3-Komponenten-System befindet sich seit September 2017 im Serieneinsatz in einer Automobil-Gießerei. Auch bei anderen Gießereien stößt das zum Patent angemeldete System auf großes Interesse.

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