Ausgabe - 36 - 2011 - Produktion

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32 · Trends & Reports · Produktion · 8. September 2011 · Nr. 36 Know How Teilereinigung Effizientes Reinigen mit Ultraschall In der Regel gewährleistet eine Ultraschallleistung von acht bis zehn Watt pro Liter Flüssigkeit im Reinigungsbad ein gutes Reinigungsergebnis. Bild: Fisa-Schall Wilfried Kipp-Weike, Produktion Nr. 36, 2011 Energie-Effizienz ist in jeder Hinsicht das Topthema der deutschen Gießereibranche. Damit ist Energie-Effizienz der eigenen Prozesse und Produkte gemeint, die zur Energie-Effizienz im Maschinenbau, Fahrzeugbau, Flugzeugbau und anderen Branchen beitragen. Eine weitere wichtige Rolle spielt auch der Rohstoffverbrauch. so Schmidt. „Bei einem Energiebedarf von etwa einer Megawattstunde pro Tonne gutem Guss würde dies eine Reduzierung des Energiebedarfs für die Herstellung gegossener Maschinenkomponenten von 100 000 Megawattstunden pro Jahr ermöglichen“, so Schmidt. Das entspreche aber immerhin dem Strombedarf von etwa 30 000 Haushalten. Mit dem CO 2 -Ausstoß beim aktuellen Energiemix von etwa 600 g CO 2 / kWh ließe sich der deutsche CO 2 - Ausstoß durch die prognostizierten Gewichtseinsparungen um etwa 60 000 t pro Jahr reduzieren, so Schmidt. Doris Schulz, Produktion Nr. 36, 2011 Auf das Reinigen von Bauteilen und Oberflächen kann heute kaum ein Unternehmen verzichten. Mit Ultraschall lässt sich dieser Arbeitsschritt oft ausgesprochen effektiv, wirtschaftlich und umweltgerecht erledigen. Landsberg (ba). Ihre reinigende Wirkung entfalten Ultraschallwellen in einem Flüssigkeitsbad. Sie basiert auf dem physikalischen Effekt der Kavitation: Bei der Beschallung einer Flüssigkeit mit Ultraschall kommt es durch die hohe Intensität des Schallwechseldrucks in der Zugphase der Schwingung zu einem Aufreißen der Flüssigkeit – die Kohäsionskräfte werden überwunden. Dadurch bilden sich Millionen mikroskopisch kleiner Bläschen. In der anschließenden Druckphase werden die Kavitationsblasen instabil, implodieren und erzeugen hydraulische Stöße mit erheblichen Energiedichten, die in der Flüssigkeit Mikroströmungen auslösen. Treffen diese auf eine Oberfläche, sprengen sie dort die mit der richtigen Reinigungschemie angelösten Verunreinigungen ab und spülen den Schmutz weg. Effektiv ist Ultraschall dadurch, dass Kavitation an Grenzflächen auftritt – also dort, wo Verunreinigungen an der Oberfläche haften. Dieser Reinigungseffekt wird auch als „Mikro-Schrubben“ oder „Elektronisches Bürsten“ bezeichnet. Selbst empfindliche Flächen bleiben dabei unversehrt. Erzeugt werden die Schallwellen durch einen Generator, der die normale Netzfrequenz von 50 bis 60 Hz Die Gewichtsreduzierung führt aber nicht nur bei der Produktion von Gussteilen zu Einsparungen. Auch bei den Anwendungen schlägt ein geringeres Gewicht in der Energiekostenabrechnung positiv zu Buche. So unternimmt beispielsweise der Flugzeugbau immense Anstrengungen, leichter zu bauen, denn in hochfrequente Schwingungen umwandelt. Maßgebend für die Arbeitsfrequenz der Schwinger sind deren Abmessungen. Wesentlichen Einfluss auf das Reinigungsergebnis hat die Ultraschallfrequenz. Je niedriger diese ist, desto größer sind die Kavitationsblasen und die von ihnen freigesetzte Energie. Vor allem bei Bauteilen mit sehr komplexen Geometrien werden immer häufiger auch Multi- oder Mischfrequenz-Ultraschallsysteme mit mehreren Frequenzen eingesetzt. Wesentlich für die Leistung eines Ultraschall-Reinigungssystems ist die Anzahl der Schwinger. In der Regel gilt, dass mit einer Leistung von acht bis zehn Watt pro Liter ein gutes Reinigungsergebnis erzielt wird. Dies bedeutet, dass bei einem Reinigungsbad mit 100 Litern eine Ausgangsleistung von 800 bis 1 000 Watt erforderlich ist, die sich über den Generator in Stufen oder stufenlos zwischen 10 und 100 % regeln lässt. Durch die longitudinale Ausbreitung der Schallwellen von der schallabstrahlenden Fläche hat die Anordnung der Schwingelemente großen Einfluss auf das Reinigungsergebnis. Die Ultraschallreinigung kann mit wässrigen Reinigungsmedien oder Lösemitteln erfolgen. Das Reini- Rohstoffbedarf Gussteile werden material- und energieeffizient Landsberg (ba). „Der weltweiten Entwicklung der Rohstoff- und Energiekosten haben die Gießereien und deren Zulieferer eine enorme Steigerung der Energie- und Materialeffizienz entgegengestellt. Möglich wurde dies durch Fortschritt in der Gießereitechnologie, welche die Machbarkeitsgrenzen für innovative Gussteile deutlich erweitert haben“, stellt BDG-Präsident Hans-Dieter Honsel fest. Material zu sparen ist in der Tat wichtig, denn der Jahresbedarf an Eisengussteilen für den deutschen Maschinenbau liegt bei circa 1 Mio. „Wir wissen aus unserer Erfahrung aus mehr als 500 Entwicklungsprojekten, dass die meisten Teile deutlich überdimensioniert sind. Im Schnitt liegt das Potenzial zur Gewichtsreduzierung durch anforderungsgerechte Gestaltung bei mindestens 10 %“, sagt Dr. Thorsten Schmidt, Leiter Technik der Gießerei Heidenreich & Harbeck. Durch den Einsatz intelligent konstruierter, materialeffizienter Komponenten ergäbe sich ein Einsparpotenzial von jährlich 100 000 t, So sieht das Entwicklungsergebnis eines durch Topologie-Optimierung und Formoptimierung gestalteten Bauteils aus. Bild: Heidenreich & Harbeck Gewichtsersparnis von 100 kg kann eine Einsparung von 100 000 l Kerosin pro Jahr und Flugzeug bringen. Auch im Maschinenbau wirken sich geringere Gewichte der Komponenten positiv auf den Energieverbrauch aus. Hier bergen das größte Potenzial beschleunigte Komponenten wie die Fahrständer oder Schlitten einer Werkzeugmaschine. Erreichen diese in der Serienfertigung 8 000 Betriebsstunden und minütlich 10 Beschleunigungszyklen, ergibt sich eine Einsparung von 6 000 kWh. Maschinenkonstrukteure sehen sich daher zunehmend einem Zielkonflikt ausgesetzt. Sie sollen einerseits Herstellungskosten einsparen, und andererseits anspruchsvolle funktionale Anforderungen wie erhöhte Lasten, Genauigkeiten und gungsmedium wird auf den Werkstoff und die Verschmutzung abgestimmt. Kommen wässrige Reinigungsmedien zum Einsatz, sind Spülvorgänge zum Entfernen der waschaktiven Substanzen von der Oberfläche sowie eine anschließende Trocknung erforderlich. Bei brennbaren Lösemitteln muss die Ultraschallanlage explosionsgeschützt sein oder unter Vollvakuum arbeiten. Hochsiedende Lösemittel erfordern entsprechend temperaturbeständige Ultraschallschwinger. Durch den Einsatz von Ultraschall in Kombination mit einem auf die Verschmutzung abgestimmten Reinigungsmedium lässt sich die Reinigungszeit um bis zu 90 % reduzieren. Gleichzeitig kann der Verbrauch von Reinigungschemie verringert werden. parts2clean Welche Frequenz ist für die jeweilige Reinigungs- beziehungsweise Entfettungsaufgabe optimal? Welche Anlagentechnik und Reinigungsmedien stehen zur Verfügung? Antworten auf diese und viele weitere Fragen zur Ultraschallreinigung bietet die parts2clean. Die internationale Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung findet vom 25. bis 27. Oktober 2011 auf dem Messegelände in Stuttgart statt. www.parts2clean.de Die Topologie-Optimierung trägt zur Entwicklung funktionsgerechter und gleichzeitig materialsparender Bauteile bei. Bild: Heidenreich & Harbeck Beschleunigungen erfüllen. Bei dynamisch bewegten Komponenten müssen hinsichtlich der Betriebskosten zusätzlich Gewichtsvorgaben erfüllt werden. Gießereien wie Heidenreich & Harbeck in Mölln und Class-Guss in Gütersloh setzen auf Topologie und Formoptimierung mittels Bionik, um dieses Ziel zu erreichen. Die Topologie-Optimierung trägt zur Entwicklung funktionsgerechter und gleichzeitig materialsparender Bauteile bei. Die vom Optimierungsprogramm erzeugten Gestaltungsvorschläge für formoptimierte Bauteile lassen sich im Gießereiprozess sehr wirtschaftlich in reale Durch Gießen wirtschaftlich in reale Bauteile umsetzen Bauteile umsetzen. Dr. Schmidt: „Das Ziel ist, nicht etwa Bauformen aus der Natur zu kopieren, sondern ihre Wachstumsregeln anzuwenden. Wir wollen unseren Kunden hochwertige optimale Lösungen mit einem guten Kosten-Nutzen- Verhältnis bieten.
Wärmeübertragung 8. September 2011 · Nr. 36 · Produktion · F&E · 33 Strukturrohre sorgen für Effizienzsprung Produktion Nr. 36, 2011 Bei einem neuen Hochleistungskondensator aus Brandenburg sollen Rohre mit gezielt veränderten Oberflächen für bisher unerreichte Effekte sorgen. Ein Klimatechnik-Spezialist aus Baden-Württemberg nutzt das Material bereits für Wärmetauscher zum Einsatz in Trocknungs-, Lackierungs- oder Pulverbeschichtungsanlagen. Königs Wusterhausen (ba). Wissenschaftler der TFH Wildau (Brandenburg) entwickeln gemeinsam mit Forschungsingenieuren des ortsansässigen Wärmetauscher- Spezialisten La Mont-Kessel einen multifunktionalen Rohrbündelkondensator, der sich inzwischen als Superkondensator erweist. Nach Angaben des Entwicklerteams soll die für Kraftwerks- und Industrieanwendungen konzipierte Kondensatorfamilie gegenüber herkömmlichen Systemen mit Glattrohr eine mehrfach höhere Wärmeübertragungsleistung bei halbiertem Anlagenvolumen haben. Auch die unerwünschte Materialablagerung in oder an den Rohren soll um rund 80 % sinken. Damit verlängern sich die Wartungsintervalle erheblich. Ermöglicht wird dies durch Verwendung so genannter „industrial power tubes“, also von Strukturrohren mit differenziert ausleg- bzw. strukturierbarer Oberfläche. Nach patentierten Verfahren werden dazu Halbzeuge mit Durchmessern von acht bis 60 mm aus Stahl, Edelstahl oder Kupfer durch gleichmäßige Prägungen unterschiedlicher Tiefe und Gestalt umgeformt und mit bedarfsangepassten kristallinen Kupfer- oder Nickelstrukturen bestückt. Die Siedeleistung steigt um den Faktor sechs Die Wandverformung erzwingt in durchströmenden Medien wie Wasserdampf oder organischen Substanzen Turbulenzen. So lässt sich die Intensität der Wärmeübertragung gegenüber geradlinig, laminar strömenden Stoffen um den Deutscher Zukunftspreis Zwei Fraunhofer-Forscher in der Endrunde Produktion Nr. 36, 2011 Gleich zwei Teams mit Beteiligung von Fraunhofer-Wissenschaftlern, wurden für den Deutschen Zukunftspreis 2011 nominiert. München (ba). Hansjörg Lerchenmüller (Soitex Solar GmbH), Dr. Andreas Bett (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE) und Dr. Klaus-Dieter Rasch (AZUR SPACE Solar Power GmbH) haben Solarzellen, -module und -systeme entwickelt, die doppelt so viel Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln wie dies auf Basis von Silizium möglich ist. Dazu werden Mehrfachsolarzellen, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Sonnenlichts aufnehmen, mit Linsen kombiniert, die das Sonnenlicht konzentrieren. Dr. Bett leitet den Bereich „Materialien – Solarzellen und Technologie“ und ist stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer ISE in Freiburg. Im Jahr 2009 erzielten die am Fraunhofer ISE entwickelten Mehrfachsolarzellen einen Rekordwirkungsgrad von 41,1 %. Dafür erhielt Dr. Bett den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2010. Prof. Karl Leo, einer der beiden Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden, ist gemeinsam mit Dr. Jan Blochwitz-Nimoth (Novaled AG) und Dr. Martin Pfeiffer (Heliatek GmbH) nominiert. Sie wurden ausgewählt aufgrund ihrer Arbeiten auf dem Gebiet der organischen Halbleiter, die in energieeffizienten Flächenleuchten und neuartigen Photovoltaiksystemen Umwelt- und Ressourcen schonend eingesetzt werden. Professor Leo arbeitet seit 2001 am Fraunhofer IPMS. Sein aktuelles Arbeitsgebiet sind organische Halbleiter, von den Grundlagen bis hin zu Anwendungen, zum Beispiel als organische Leuchtdioden (OLED) und organische Solarzellen. www.deutscher-zukunftspreis.de. Organische Elektronik – mehr Licht und Energie aus hauchdünnen Molekülschichten. (v.l.n.r. Prof. Dr. rer. nat. Karl Leo, Dr. rer. nat. Martin Pfeiffer, Dr. rer. nat. Jan Blochwitz-Nimoth) . Bild: Deutscher Zukunftspreis / Ansgar Pudenz Faktor drei bis fünf erhöhen, wie realitätsnahe Tests unter Beweis gestellt haben. „Das gestattet drastisch geringere Abmessungen und einen erheblich reduzierten Materialeinsatz in der Produktion“, erklärt LaMont-Geschäftsführer Dr.-Ing. Udo Hellwig. Mikrostrukturen wirkten dagegen nach anderen physikalischen Prinzipien; sie verbesserten massiv und nachhaltig Tempo sowie Intensität der Dampfkondensation. Die besten Ergebnisse seien durch Kombination beider Technologien zu erzielen. So umgesetzt, steige die Siedeleistung von ‚ip tube‘-Material mit Makro- und Mikrostrukturierung um den Faktor sechs. Ein Vergleichstest mit Zementschlamm habe zudem ein deutlich überlegenes Anti-Foulingverhalten der Strukturrohe gezeigt: Während ein Glattrohr bereits nach einer Woche weitgehend zugesetzt und unbrauchbar war, wiesen ‚ip tube‘- Vergleichsstücke keine bzw. nur minimale Ablagerungen auf. Einsatzfelder für die Neuentwicklung mit einem Leistungsvermögen bis zu mehreren Megawatt finden sich überall dort, wo in vertikaler oder horizontaler Anwendung Temperaturdifferenzen effizienter Belastbar. Genau wie unsere Anwendungsberatung. Bei Pöppelmann KAPSTO ® warten kompetente, freundliche Mitarbeiter auf Sie, die jede Ihrer Fragen beantworten und Sie gern beraten. Wir stehen Ihnen jederzeit zur Seite unter +49 4442 982-9100 Entdecken Sie, was dahintersteckt unter www.poeppelmann.com Die modifizierten Rohre ‚ip tube‘ bewähren sich in der thermischenNachverbrennung in Chemieindustrie und Automobilbau oder bei der Bauteilkühlung. Bild: La Mont-Kessel bzw. unter beengten Raumverhältnissen genutzt werden sollen. Partnerfirmen setzen bereits auf die vorteilhaften Eigenschaften der strukturierten Rohre. Die Bleher Klimatechnik GmbH & Co. KG in Pliezhausen (Baden-Württemberg) beispielsweise hat in den letzten zwei Jahren mehrere Versuchsanlagen mit dem Material gebaut, umfangreiche Tests zu seinem Deh- Deutlich längere Bautiefen erzielbar nungsverhalten durchgeführt und jetzt ein eigenes System entwickelt. „Wir können bei unseren Edelstahl- Wärmetauschern mit den ‚ip tubes‘ deutlich längere Bautiefen erzielen“, sagt Firmenchef Werner Bleher. Bei konstantem Rohrdurchmesser erhöhten sich Heizfläche und Leistung, das Einbauvolumen sinke gegenüber Glattrohr-Lösungen erheblich. Obendrein werde gravierend weniger Material für die Sekundärheizflächen benötigt, einige Schweißnähte entfielen – und die Systeme erwiesen sich zudem als wesentlich schwingungsresistenter. Pöppelmann GmbH & Co. KG · Kunststoffwerk-Werkzeugbau · Bakumer Straße 73 · 49393 Lohne Deutschland · Telefon +49 4442 982-9100 · Fax +49 4442 982-9150 · kapsto@poeppelmann.com www.poeppelmann.com
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