1 Einleitung und Aufgabenstellung

1 Einleitung und Aufgabenstellung
Ein Teil unserer Abschlussarbeit bestand darin, in Teamarbeit ein
Projekt zu erarbeiten. Hierfür mussten wir unser erlerntes Wissen der
vergangenen vier Jahre anwenden.
Als erstes stand die Wahl eines Projektteams an. Da wir unsere erste
Gruppenarbeit bereits in dieser Konstellation ausgearbeitet haben und
sich die Zusammenarbeit über die Jahre sehr positiv entwickelt hat,
haben wir auch die Projektarbeit gemeinsam entwickelt.
Im Anschluss daran haben wir eine Projektfirma gewählt. Da die
Georgsmarienhütte GmbH als zuverlässiger Projektpartner gilt, haben
wir uns entschlossen, diese zu wählen.
Diesbezüglich haben wir bei der Abteilung Neubau/Planung und
Konstruktion angefragt, ob wir dort unser Abschlussprojekt realisieren
können. Herr Brune stellte uns folgendes Projekt vor:
Die Kokillen im Blockgussbetrieb der Georgsmarienhütte GmbH
haben eine Standzeit von ca. 50 Guss und müssen danach
kostenintensiv
nachgeschliffen
werden.
Dafür
sollte
eine
Kokillenschleifmaschine entwickelt und konstruiert werden.
Unseren
Vorschlag,
die
Standzeiten
der
Kokillen
mit
einem
innovativen Verfahren deutlich zu erhöhen, befürwortete Herr Brune
sehr.
Darauf hin haben wir uns für die Ausarbeitung einer automatisierten
Kokillenreinigungsmaschine
mittels
CO2-Trockeneisstrahltechnik
entschieden.
Kokillenreinigungsmaschine
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4 Problemstellung
Im Blockgussbetrieb der Georgsmarienhütte GmbH werden Rohblöcke von
4,5 t bis 38 t gegossen.
Nach dem Gießen wird die Kokille vom Rohblock getrennt und es bleiben in
der Kokille Gießpulver- und Schlackenreste zurück.
Um diese Reste zu entfernen, wird die Kokille mit Hilfe eines Kranes, über
eine „große Drahtbürste“ hin und her geführt.
Bei dieser Reinigung wird die Oberfläche der Kokille angegriffen, dadurch
bleiben nach jedem Guss mehr Gießreste zurück.
Nach ca. 50 Abgüssen muss die Kokille durch Schleifen nachprofiliert werden,
da sonst die Qualität des Rohblockes nicht mehr gegeben ist.
Unser Ziel ist es, das „Bürsten“ der verschiedenen Kokillenformen durch CO2
Trockeneisstrahlen zu ersetzen und die Standzeit der Kokillen deutlich zu
erhöhen. Der Schleifprozess wird somit weit nach hinten verlagert.
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5 Pflichtenheft
Nach der Aufgabenstellung wurde dieses Pflichtenheft erstellt:
Die Kokillenreinigungsmaschine muss „stahlwerkstauglich“ sein.
Alle gängigen Kokillenformen müssen zu reinigen sein.
Das CAD Programm „Inventor“ ist zu verwenden.
Aus sicherheitstechnischen Aspekten muss eine CO2 Absaugung
vorhanden sein, gleichzeitig muss diese die anfallenden Gieß- und
Schlackenreste absaugen.
Ein Messgerät zur kontinuierlichen Überwachung der CO2
Konzentration muss installiert sein.
Die Kokillenreinigungsmaschine sollte möglichst wartungsfrei sein.
Die Kosten der Kokillenreinigungsmaschine müssen aufgelistet
werden.
Verwendung vieler Norm- und Kaufteile.
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7 Lösungsvorschläge
7.1 Reinigungsverfahren
Die Problemstellung unserer Projektarbeit liegt nicht zum größten Teil in der
Konstruktion und Ausführung der Reinigungsvorrichtung, sondern im
Reinigungsverfahren
selber.
Wir
haben
mehrere
Verfahren
zur
Oberflächenreinigung in Betracht gezogen und uns über diese Gedanken
gemacht. Nach intensiver Überlegung und Recherche sind wir auf das
Medium Trockeneis gestoßen. Die Entscheidung für das Trockeneisstrahlen
wurde durch folgende Gegenüberstellung bestätigt. Weitere Vorteile folgen
in der Beschreibung.
Gegenüberstellung der Reinigungsverfahren
Quelle: http://www.coldjet.com/de/information/cleaning-comparison.php
Kokillenreinigungsmaschine
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7.2 Konstruktion
Lösungsvorschlag Portalwagen
Unsere erste Idee war es, einen Portalwagen zu entwerfen, der auf
Schienen über die Kokille fährt. Diese Konstruktion wäre sehr
flächenintensiv, teuer und groß geworden. Aus diesen Gründen
haben wir uns für einen Schwenkkran entschieden, der über die
Kokille geschwenkt wird.
Lösungsvorschlag Hydraulikzylinder
Wenn der Kran über die Kokille geschwenkt worden ist, sollte der
Zylinder von oben mit der CO2 Strahlpistole in die Kokille fahren und
diese dann reinigen. Bei dieser Idee fehlte uns die rotierende
Bewegung, um die Kokille umlaufend zu säubern. Als Lösung haben
wir uns dann für ein Spindelhubgetriebe entschieden, welches die
Auf- und Abwärtsbewegung mit der gewünschten Rotation erfüllt. Um
das Einschlauchsystem durch die rotierende Trapezspindel zu führen,
haben wir den Schlauch mit einer Drehdurchführung unterbrochen
und zur Strahldüse weitergeleitet.
Besonders schwierig gestaltete sich die Findung einer geeigneten
Drehdurchführung, die sowohl groß genug sein muss, sowie auch
unter tiefkalten Bedingungen zuverlässig funktionieren muss.
Kokillenreinigungsmaschine
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8 CO2 Trockeneisstrahlen
8.1 Die Firma Cold Jet
Cold Jet ist weltweiter Marktführer der Trockeneisreinigungs- und
Produktionstechnologie. Das umweltfreundliche Reinigungsverfahren arbeitet
ohne Lösungsmittel oder anderen Zusätzen, bei denen Sekundärabfälle
entstehen können. Cold Jet blickt auf 20 Jahre Erfahrung in der Konstruktion
und Gestaltung von Trockeneisanlagen zurück. Die Firma gehört damit zu
den Vorreitern dieser Technologie.
Kokillenreinigungsmaschine
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8.2 Was ist Trockeneisstrahlen?
Trockeneisstrahlen
ist
ähnlich
wie
Sandstrahlen
oder
Kunststoffperlenstrahlen, wobei Trockeneispellets in einem Druckluftstrom so
beschleunigt werden, dass wenn sie auf eine Oberfläche auftreffen, diese
dabei reinigt oder vorbereitet. Aber damit enden auch schon die
Gemeinsamkeiten.
Anstelle von harten Schleifmitteln, die auf einer Oberfläche reiben (und sie
beschädigen), verwendet das Trockeneisstrahlen weiches Trockeneis, das
Mithilfe von Druckluft auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, MiniExplosionen auf einer Oberfläche erzeugt und so die Verschmutzung von der
Fläche entfernt.
Quelle: http://www.coldjet.com/de/information/what-is-dry-ice-blasting.php
Für dieses Verfahren kann Druckluft bei 5,5 bar verwendet werden. Anders
als andere Strahlmittel hat Trockeneis eine Temperatur von -78,3 °C.
Aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen den Trockeneispartikeln
und der bestrahlten Oberfläche kommt es während des Auftreffens zu
einem Temperaturschock. Dadurch wird die Bindung zwischen zwei
unähnlichen Materialien aufgehoben. Trockeneis-Pellets können vor Ort
hergestellt oder fertig geliefert werden. Kohlendioxid (CO2) ist ein ungiftiges
und preiswertes Flüssiggas, das an den Arbeitsstätten leicht gelagert
werden kann.
Kokillenreinigungsmaschine
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In unserem Fall verwenden wir die Strahleinheit „Aero 80-DX“ von Cold Jet.
Wir verwenden diese Einheit, weil sie unseren Vorstellungen genau
entspricht. Ein Vorteil ist die Flexibilität des Gerätes. Man kann das Gerät
fest an unserer Konstruktion installieren oder auch an anderen Orten
benutzen. Es wird nur eine 220 V Steckdose und ein 1 Zoll Luftanschluss
benötigt.
Merkmale:
Trichtergröße: 36 kg
Strahldruckbereich: 2,9 – 9,7 bar
Luftansaugstutzen: 2,5 cm (1 Zoll)
Durchsatzmenge: 0 – 3,2 kg/min
Abmessungen: 109 x 52 x 118 cm
Gewicht: 181 kg
Führungsvorrichtungen für Schlauch und Düse
12 Monate Gewährleistung
Quelle: Datenblatt Cold Jet Aero 80
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Quelle: http://www.coldjet.com/de/products/dry-ice-blasting/Aero80-DX.php
8.3 Detaillierte Vorteile des Trockeneisstrahlens
Quelle: www.coldjet.de
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8 Gründe für das Trockeneisstrahlen
Es ist ein nicht scheuerndes, nicht entzündbares und nicht leitendes
Reinigungsverfahren.
Es ist umweltfreundlich und verwendet keine sekundären
Schadstoffe wie Lösungsmittel oder Strahlmaterialien.
Es ist rein und für den Einsatz in der Nahrungsmittelindustrie
zugelassen.
Es ermöglicht die Reinigung der meisten Objekte an Ort und Stelle
ohne zeitintensive Demontage.
Es verursacht keine Schäden an aktiven, mechanischen oder
Elektroteilen und erzeugt keine Feuergefahr.
Es eignet sich zur Entfernung von Produktionsrückständen,
Trennmitteln, Schadstoffen, Farben, Ölen und Biofilmen.
Es kann sanft, wie bei der Beseitigung von Rauchschäden an
Büchern und aggressiv, wie bei der Entfernung von
Schweißschlacken sein.
Es eignet sich für zahlreiche allgemeine Anwendungen.
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8.4 Umweltfaktoren
Trockeneis ist sauber und sicher, es entsteht als Nebenprodukt anderer
industrieller Prozesse, d.h. es wird aus wiedergewonnenem CO2 hergestellt.
Es erzeugt weder CO2, noch stößt es CO2 in die Atmosphäre aus und trägt
nicht zum Treibhauseffekt bei.
Trockeneisstrahlen ist umweltfreundlich
Trockeneisstrahlen wurde von EPA (amerikanische Umweltbehörde),
FDA(US-Arzneimittelzulassungsbehörde) und USDA (USLandwirtschaftsministerium) als Reinigungsverfahren zugelassen.
Trockeneisstrahlen ist sicher in der Anwendung bei
Lebensmittelverarbeitungsanlagen.
Trockeneisstrahlen setzt keine schädlichen Gase in die Atmosphäre
frei.
Trockeneisstrahlen erzeugt keine Sekundärabfälle.
Trockeneisstrahlen ist sicher und ungiftig (nach dem Auftreffen auf
die Oberfläche lösen sich die Pellets in der Atmosphäre auf).
Trockeneisstrahlen verringert oder vermeidet die Belastung von
Mitarbeitern (und die Haftung des Unternehmens) durch die
Nichtverwendung von gefährlichen chemischen Reinigungsmitteln.
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8.5 Sicherheitsfaktoren
CO2 ist ein farbloses, nicht brennbares, geruchloses und geschmackloses
Gas, welches etwa um 50 % schwerer ist als Luft.
Die Kokillenreinigungsmaschine darf nur in einem abgesicherten
Bereich in Betrieb genommen werden!
Der abgesicherte Bereich muss mit einem konstanten CO2 Messgerät
überwacht werden!
Beim Überschreiten des zulässigen MAK-Wertes (maximale
Arbeitsplatzkonzentration) von 0,5 Vol % muss das Messgerät ein
Warnsignal abgeben!
Wartungsarbeiten dürfen nur vom Fachpersonal durchgeführt werden!
Der Punkt Arbeitssicherheit war nicht Teil unserer Projektarbeit
und wird nicht weiterbehandelt!
8.6 Einschlauchsystem und Strahldüse
8.6.1 Einschlauchsystem
Aufgrund unserer Konstruktion mit der rotierenden Gewindespindel haben
wir uns für das Einschlauchsystem entschieden, welches auch für tiefkalte
Temperaturen zulässig ist. Die verwendete Drehdurchführung ist nur für das
Einschlauchsystem geeignet.
Beim diesem System führt ein Schlauch vom Trichter zur Düse.
Ein Beschickungssystem führt die Trockeneispartikel und die Druckluft
diesem Schlauch zu. Die Trockeneispartikel werden dann durch den
Druckluftstrom über die gesamte Länge des Schlauches beschleunigt,
wobei die Reinigungsleistung erheblich zunimmt.
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Ein Vorteil der Einschlauchanlage ist die Möglichkeit, einen längeren
Schlauch einzusetzen, wodurch man sich weiter von der Anlage entfernen
kann,
ohne
nennenswert
an
Reinigungsleistung
einzubüßen.
Die
Aggressivität von Einschlauchsystemen ist außerdem besonders geeignet
für stärkere Ablagerungen oder für das Strahlen mit vertikal angehobener
Düse, wobei die Anlage niedriger steht als die abgestrahlte Oberfläche.
Legende:
A: Trockeneis
B: Druckluft
C: Trichter
D: Düse
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8.6.2 Strahldüse
Die Strahleffektivität am Ausgang der Düse ist in unserem Fall sehr wichtig,
weil die Schlacke nach dem Gießen sehr hartnäckig ist. Um eine
großflächige Reinigung zu erzielen, haben wir uns aus folgenden Gründen
für die Düse 413 SL der Firma Cold Jet entschieden.
Quelle: http://www.coldjet.com/de/products/dry-ice-blasting/5E0159.php
Strahlbreite:
4,6 cm
Länge:
30,5 cm
Arbeitsdruck:
5,5 bar
Luftverbrauch:
2,8 m³/min bei 5,5 bar
Trockeneisverbrauch:
1,4 - 2,3 Kg/min
Material:
Aluminium
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9 Funktionsprinzip Kokillenreinigungsmaschine
Nach dem Gießende und einer gewissen Abkühlungsphase wird die Kokille
vom Rohblock getrennt und mit dem sogenannten „Stripperkran“ auf das
Podest der Kokillenreinigungsmaschine gefahren. Dort wird sie mit den vorher
gesteckten Zentrierpuppen mittig positioniert. Der Bediener stellt in der
Grundstellung den Düsenabstand passend zur Kokille ein und startet das
dazugehörige Reinigungsprogramm. Nun fährt die Trapezspindel im Eilgang in
die obere Ausgangsposition und der Pneumatikzylinder schwenkt den
Ausleger mit der Antriebseinheit in die Arbeitsposition mittig über die Kokille.
Jetzt fährt die Düse an den Kokillenrand und die CO2 Trockeneisreinigung
beginnt. Mit der rotierenden Ab- und Aufwärtsbewegung wird der innere
Mantelbereich der Kokille gesäubert.
Die Primärabfälle (Gießreste und CO2) fallen in den Trichter, werden direkt
abgesaugt und in einem Behälter gesammelt.
Am Ende des Reinigungsprozesses fährt die Antriebseinheit in die
Arbeitsposition
und
anschließend
in
die
Grundstellung
zurück.
Die
Kokillenreinigungsmaschine wir über eine SPS gesteuert.
Energiekette
Kokille
Antriebseinheit
Podest
Säulenschwenkkran
Kokillenreinigungsmaschine
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13.2 CO2 Strahlanlage Aero 80 DX
Kokillenreinigungsmaschine
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Kokillenreinigungsmaschine
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16 Schlusswort
Die Projektarbeit, die als Teil der Abschlussprüfung zählt, hat uns auf die Zeit
nach der Technikerschule sehr gut vorbereitet.
In der Projektphase von ca. 6 Monaten und ungefähr 700 Stunden haben wir
unser erlerntes Wissen der letzten Jahre angewendet und vertieft.
Dazu gehörten unter anderem die wichtigen Kompetenzen wie Teamfähigkeit,
Flexibilität, Kreativität, Ausdauer, Motivation, Selbstständigkeit und Rhetorik.
Natürlich konnten wir das vermittelte Wissen aus dem Unterricht anwenden.
Das Fundament dafür war unsere Fachrichtung Entwicklung und Konstruktion,
welche Herr Breite uns außerordentlich gut gelehrt hat.
Selbstverständlich haben die Unterrichtseinheiten bei den anderen Fachlehren
auch einen großen Teil dazu beigetragen, dass wir den heutigen
Wissensstand haben.
Zum Schluss möchten wir uns bei unserem Klassenlehrer und Projektbetreuer
Herrn Breite für die ausgezeichnete Ausbildung und fachliche Hilfestellung bei
der Projektarbeit bedanken.
Außerordentlicher Dank für die Unterstützung gilt auch Herrn Brune von der
Georgsmarienhütte GmbH und Herrn Juchmes von der Firma Cold Jet.
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