Entwicklung und Erprobung eines neuen, auf konduktiver Erwärmung basierenden hocheffizienten Verfahrens für das Industrie 4.0-konforme Aushärten geschossener, anorganisch gebundener und umweltfreundlicher Sandkerne für die Gießerei-Industrie

Die Gießereiindustrie steht vor der Herausforderung, ihre Produktionsprozesse nachhaltiger und gleichzeitig wirtschaftlich effizient zu gestalten. Insbesondere die Herstellung geometrisch komplexer Gussteile erfordert den Einsatz sogenannter verlorener Sandkerne. Für deren Fertigung werden organische oder anorganische Bindersysteme eingesetzt. Organische Binder ermöglichen kurze Taktzeiten und eine hohe Produktivität, sind jedoch mit Emissionen, Arbeitsschutzanforderungen und aufwendiger Abluftbehandlung verbunden. Anorganische Bindersysteme bieten demgegenüber ökologische Vorteile, erfordern bislang jedoch energieintensive Aushärtungsprozesse und längere Fertigungszeiten.

Beim konventionellen Anorganik-Verfahren erfolgt die Aushärtung der Sandkerne durch thermische Dehydration. Die Wärme wird dabei über den beheizten Kernkasten und temperierte Spülluft eingebracht. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Quarzsandes entstehen insbesondere bei dickwandigen Kernen lange Aufheizzeiten und inhomogene Temperaturverteilungen. Dies kann zu unerwünschter Schalenbildung, Restfeuchte im Kerninneren und nachgelagerten Trocknungsprozessen führen. Gleichzeitig erfordert der Prozess hohe Werkzeugtemperaturen und einen vergleichsweise aufwendigen Werkzeugaufbau.

Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Untersuchung eines neuartigen Ansatzes zur direkten Aushärtung anorganisch gebundener Sandkerne mittels Joulescher Erwärmung. Ausgangspunkt ist die elektrische Leitfähigkeit wasserhaltiger anorganischer Binder. Wird elektrischer Strom gezielt durch die leitfähigen Binderbrücken geführt, kann die Wärme unmittelbar dort entstehen, wo sie für die Wasserabspaltung und die anschließende Aushärtung benötigt wird. Das zugrunde liegende Verfahrensprinzip ist in der zugehörigen Abbildung schematisch dargestellt. Dies soll eine gleichmäßigere Erwärmung des Kernquerschnitts ermöglichen. Zugleich soll der Energieeintrag gegenüber konventionellen, werkzeugseitig beheizten Verfahren effizienter gestaltet werden.
Eine zentrale Voraussetzung für diesen Verfahrensansatz ist ein Kernkastenmaterial, dessen elektrische Leitfähigkeit auf das jeweilige Sand-Binder-System abgestimmt ist. Im Mittelpunkt des Projektes steht daher ein elektrisch leitfähiger, partikelgefüllter Epoxidharz-Verbundwerkstoff, der als funktionelles Kernkastenmaterial eingesetzt werden soll. Neben einer geeigneten Stromführung durch Kernkasten und Sandkern muss der Werkstoff den mechanischen, thermischen und tribologischen Beanspruchungen des Kernschießprozesses standhalten.

Das Forschungsvorhaben untersucht die Eignung dieses Verbundwerkstoffes für den beschriebenen Aushärteprozess und bewertet seine werkstofftechnischen sowie prozessrelevanten Eigenschaften. Die Innovation liegt in der Kombination eines leitfähigkeitsangepassten Kernkastenmaterials mit der direkten elektrischen Erwärmung anorganisch gebundener Sandkerne. Langfristig kann dieser Ansatz zu einer homogeneren, energieeffizienteren und digital überwachbaren Kernfertigung beitragen.

Development and testing of a new, conductive heatingbased, highly effi-cient process for Industry 4.0- compliant curing of shot, inorganically bond-ed (environmentally friendly) sand cores for the foundry industry

The foundry industry faces the challenge of making its production processes more sustainable while maintaining economic efficiency. The production of geometrically complex cast components often requires expendable sand cores to form internal cavities and contours. Organic and inorganic binder systems are used for their manufacture. Organic binders enable short cycle times and high productivity, but are associated with emissions, occupational safety requirements and complex exhaust air treatment. Inorganic binder systems offer ecological advantages, but currently require energy-intensive curing processes and longer production times.

In the conventional inorganic process, sand cores are cured by thermal dehydration. Heat is introduced via the heated core box and heated purge air. Due to the low thermal conductivity of quartz sand, long heating times and inhomogeneous temperature distributions occur, particularly in thick-walled cores. This can lead to undesirable shell formation, residual moisture inside the core and subsequent drying processes. At the same time, the process requires high tool temperatures and a comparatively complex tool design.

The aim of the research project is therefore to investigate a novel approach for the direct curing of inorganically bonded sand cores by Joule heating. The starting point is the electrical conductivity of water-containing inorganic binders. If electric current is directed through the conductive binder bridges, heat can be generated directly where it is required for dehydration and subsequent curing. This is intended to enable more uniform heating of the core cross-section. At the same time, the energy input is to be made more efficient compared with conventional tool-heated processes.

A central prerequisite for this process approach is a core box material whose electrical conductivity is adapted to the respective sand-binder system. The project therefore focuses on an electrically conductive, particle-filled epoxy resin composite intended for use as a functional core box material. In addition to enabling suitable current flow through the core box and the sand core, the material must withstand the mechanical, thermal and tribological loads of the core shooting process.

The research project investigates the suitability of this composite for the described curing process and evaluates its material-related and process-relevant properties. The innovation lies in combining a conductivity-adapted core box material with direct electrical heating of inorganically bonded sand cores. In the long term, this approach may contribute to more homogeneous, energy-efficient core production that is suitable for digital process monitoring.