Das Füllen der Form mit Betongemenge bei der Formgebung und Verdichtung von Betonsteinen in Steinformmaschinen

Mothes, Steffen

Bei der Produktion von Betonsteinen mit vollautomatischen Steinformmaschinen ist das Füllen der Form mit Betongemenge die erste Phase des Formgebungs- und Verdichtungsprozesses. Trotz langjähriger praktischer Erfahrungen mit Steinformmaschinen wird der Formgebungs- und Verdichtungsprozess nicht ausreichend stabil beherrscht. Im industriellen Routinebetrieb erweist sich insbesondere die Realisierung einer gleichmäßigen Füllung als das primäre Problem. Die in dieser Phase entstehenden Defizite beeinflussen direkt die Qualität der zu erzeugenden Betonsteine. Eine Kompensation dieser Mängel ist mit den nachfolgenden Prozessphasen nicht mehr möglich. Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit ist es, ausgehend von einer systematischen Analyse des Formgebungs- und Verdichtungsprozesses im Allgemeinen und der Analyse des Füllvorganges im Besonderen, die tatsächlich an Steinformmaschinen erreichbare Füllungsgüte zu ermitteln, Einflüsse auf die erreichte Füllungsgüte und deren Wechsel-beziehungen zu untersuchen sowie ein Modell zur Beschreibung und Simulation des Füllvorganges zu entwickeln und zu verifizieren. Als wesentliche Voraussetzung für eine systematische Analyse der Füllstufe(n), wird eine Methode zur Berechnung und Bewertung der Füllungsgüte entwickelt. Grundlage der Methode bildet dabei die systematische Erfassung der Steinmassen mi von vollständigen, aufeinander folgend gefertigten Einheiten. Entsprechend der Lage innerhalb der Form und der Folge der gefertigten Einheiten werden die Massen als quantitatives stetiges Merkmal der zu untersuchenden Grundgesamtheit in eine Urliste editiert und für die weitere Auswertung genutzt. Unter Anwendung der entwickelten Methode zur Berechnung und Bewertung der Füllungsgüte wird das tatsächlich im industriellen Routinebetrieb erreichbare Niveau analysiert. Dafür werden in einem erstmals durchgeführten, umfangreichen Feldversuch an elf Steinformmaschinen in Deutschland und der Schweiz die erreichten Füllungsgüten erfasst, die Prozessabläufe dokumentiert und die Wechselbeziehungen zwischen den eingefüllten Massen mi und den Einflussgrößen mit Hilfe der Varianzanalyse nach Variationsursache untersucht. Darüber hinaus werden ausgewählte Festbeton-eigenschaften der Proben bestimmt und deren Korrelation zu den jeweils erreichten Massen mi mit Hilfe der empirischen Regression analysiert. Basierend auf den systematischen Prozessbeobachtungen im industriellen Routinebetrieb wird unter Berücksichtigung der Füllwagenkinematik, des Gemengefüllstandes im Füllwagen und der sukzessiven Übergabe diskreter Massen in die Formzellen ein phänomenologisches Modell zur Beschreibung der ersten Füllstufe entwickelt. Das Bewegungsverhalten des Füllwagens und das Fließverhalten des zu verarbeitenden Betongemenges werden dabei zunächst stark vereinfacht dargestellt. Unter Berücksichtigung der zeilenabhängigen Überdeckungszeit und des Füllstandes im Füllwagen werden koordinatenabhängige Druckprofile im Füllraum, so genannte Zellendruck-Zeit-Funktionen, entwickelt. Als Arbeitshypothese wird formuliert, dass mit diesen Funktionen die unterschiedlichen Bedingungen während des Füllvorgangs im Prozessraum beschrieben werden können und diese Funktionen darüber hinaus mit den im Ergebnis des Vorgangs eingefüllten Massen mi korrelieren. Zur numerischen Nachbildung der ersten Füllstufe bei der Betonsteinherstellung wird die auf der Diskrete-Elemente-Methode basierenden Simulationssoftware Particle Flow Code in 3 Dimensions genutzt. Damit wird es möglich, den Verlauf des Füllprozesses und die sich im Prozessraum ausbildenden Fließprofile durch eine realitätsnahe Computeranimation detailliert und gut einsehbar darzustellen. An Hand der numerisch erzeugten Füllungsgüten wird eine Gegenüberstellung mit den empirischen Ergebnissen möglich. Gleichzeitig erfolgt die Berechnung der Druck-Zeit-Funktionen am Boden aller Formzellen, um kausale Wechselbeziehungen zwischen der Füllaufgabe, der Füllausrüstung und dem Prozessverlauf bzw. dem Prozessergebnis aufzeigen zu können. Zur Verifizierung des der Simulation zu Grunde gelegten Gesamtmodells wird das numerische Experiment an einer speziellen Versuchseinrichtung nachgestellt. Um die Aufnahme der Zellendruck-Zeit-Funktionen während des Füllens vornehmen zu können, ohne dadurch den Füllvorgang zu stören, wird ein eigens für den Verifizierungsversuch entwickelter Drucksensor genutzt. Auf allen Abstraktionsebenen werden die Ergebnisse mit den für den industriellen Routinebetrieb entwickelten Methoden ausgewertet und gegenübergestellt. Mit Hilfe von Varianzanalysen wird die Einflussstärke verschiedener Parameter verglichen. Zur Überprüfung der Arbeitshypothese werden die Zellendruck-Zeit-Funktionen während der numerischen und der realen Experimente aufgenommen und die Korrelationen zu den eingefüllten Massen mi überprüft.

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Mothes, Steffen: Das Füllen der Form mit Betongemenge bei der Formgebung und Verdichtung von Betonsteinen in Steinformmaschinen. 2010.

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