Projekt 16933/01

Studie über innovative Verfahren zur Gewinnung und Verarbeitung von Naturwerkstein

Projektdurchführung

Technische Universität DresdenInstitut für Fördertechnik, Baumaschinen u. LogistikProfessur für Baumaschinentechnik
Mommsenstr. 13
01069 Dresden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Es wird eine vielfache Menge Energie zum Aufbereiten von Natur-Zuschlagstoffen eingesetzt, um einen künstlichen Betonstein in minderwertiger Qualität im Vergleich zum Naturausgangsprodukt herzustellen. Im Rahmen dieser Vorstudie werden Verfahren analysiert und durch Vorversuche überprüft, die sich technisch, wirtschaftlich und ökologisch zur Gewinnung und Verarbeitung von Naturwerkstein zwecks Herstellung neuartiger Naturprodukte eignen. Dabei wird neben der Qualitäts- und Quantitätsorientierung (Oberfläche, Schnittleistung) besonderer Wert auf die Reduzierung des Primärenergieverbrauchs gelegt.
Naturwerkstein wird über einen Gewinnungsprozess aus dem anstehenden Fels gewonnen. Anschließend wird der zu einem Natursteinprodukt über Verfahren wie Bohren, Wasserstrahlschneiden, Spalten, Sägen und Brennschneiden verarbeitet. Die benutzten Verfahren sind gekennzeichnet von einer Staub-, Geräusch-, Abgasemission, hohem Primärenergieverbrauch, unflexiblen Maschinensystemen und einem nicht recycelbaren Abfallprodukt. Aus der internationalen Forschung sind neue Methoden bekannt, die eine bedeutende Innovation versprechen. Ihre Tauglichkeit ist noch nicht nachgewiesen worden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDurch Literatur-, Patent- sowie Internetrecherchen, Fachgespräche sowie -briefe und eigene Messungen wurde der Wissensstand auf dem Gebiet der Gewinnung und Verarbeitung von Naturstein analysiert. Die Verfahren EHD (Elektro-Hydrodynamik), GIR (Gebirgsabtrag-Innenriss) und EIV (Elektro-Impuls-Verfahren) kristallisieren sich schon heute als geeignete Gewinnungs- bzw. Bearbeitungsverfahren heraus. Deren Eignung ist durch eigene Recherchen, Analysen sowie experimentelle und teilweise durch mathematisch physikalische Untersuchungen bewertet worden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt dabei auf dem GIR, weil es sich durch sehr gute Gewinnungseigenschaften von Naturstein auszeichnet. Über die Notwendigkeit ergänzender Experimente zum GIR wurde im Laufe der Bearbeitung entschieden. Mittels dieser Experimente konnte die Verfahrensgrundlage zum Einsatz des GIR in der Natursteingewinnung geschaffen werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die herkömmlichen Verfahren zum Bearbeiten und Gewinnen von Naturstein sind in den meisten Anwendungsfällen gekennzeichnet von einer intensiven Geräuschentwicklung, Staubemission, einem hohen spezifischen Primärenergieverbrauch, einem starren unflexiblen Maschinensystem, einem enormen Werkzeugverschleiß und einem bei der Fertigung entstehenden Abfallprodukt (Stein-Schlämme), welches in keinen funktionierenden Stoff- und Materialkreislauf eingegliedert werden kann. Im Ergebnis des Projektes konnte nachgewiesen werden, dass der Einsatz des EIV und des GIR die Lösung zu diesen Problemen bietet. Das EIV ist für die Natursteinbearbeitung und das GIR für die Natursteingewinnung geeignet. Die derzeitige geringe Schnittleistung des EIV bei einer aus dem herkömmlichen Verfahren Spalten bekannten Oberflächenqualität lässt noch keine Maschinenentwicklung zu. Zunächst müssen die anstehenden Aufgabengebiete im Bereich des Hochspannungsimpulsgenerators, Wasserkreislaufsystems, Elektrodensystems und Bewegungssystems mit entsprechender Softwaresteuerung gelöst werden. Die Problembehandlung kann nur über mathematisch physikalische Berechnungs- und Simulationsmodelle sowie umfangreiche Experimente gelöst werden. Dazu ist es unter anderem notwendig, einen universellen Prüfstand zu entwickeln und zu fertigen. In diesem muss ein 3D-fähiges softwaregesteuertes Bewegungssystem, ein regelbarer Hochspannungsimpulsgenerator mit hochwertigen elektrischen Schaltelementen, ein ausreichend mit Selbstreinigung dimensioniertes Wasserkreislaufsystem, ein Mess- und Fernbedienungssystem und ein universelles Elektrodensystem integriert sein. Dieser Prüfstand fungiert gleichzeitig als Demonstrationsobjekt vor zukünftigen Maschinenanwendern, um bestehende Unsicherheiten bezüglich der wirtschaftlichen und umweltverträglichen Nutzung dieser neuen Technologie abzubauen.
Nach erfolgreicher Weiterentwicklung lassen sich mit dem EIV zukünftig Schnittleistungen bi zu 4,5 m2/h bei einem Primärenergieverbrauch von bis zu 0,84 kWh/m2 erzielen. Mit der Schnittleistung und mit dem Primärenergieverbrauch liegt man damit unterhalb gegenwärtiger Fertigungsvorgaben aus der Industrie.
Das EIV ist für alle Natursteinarten geeignet, ausgenommen denen mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und besonders guten plastischen Eigenschaften. Damit kann es im gesamten Bearbeitungs-Prozess der unterschiedlichen Natursteinarten angewandt werden. Neben diesem Vorteil können weitere aufgezählt werden, wie Geräusch- und Staubemissionsfreiheit, der 2D- und 3D- Bearbeitung, dem flexiblen Maschinenkonzept, dem geringen Primärenergieverbrauch und einem kiesähnlichen Abfallprodukt, welches in einen funktionierenden Stoff- und Materialkreislauf eingebunden werden kann. damit bietet das EIV gegenüber den herkömmlichen Verfahren einen ökologischen und ökonomischen Vorteil. Um das EIV zu einer Maschinenherstellung und -anwendung zu führen, bedarf es einer weiterführenden Anwendungsforschung.
Neben diesen innovativen Bearbeitungsverfahren wurden auch neuartige Gewinnungsverfahren analysiert. Dabei bietet der Einsatz des GIR gegenüber dem Einsatz des EHD eine höhere Erfolgsaussicht, da es sich hier um ein gerichtetes Spaltverfahren handelt, das zudem geräuscharm, ökologisch verträglich und auch wirtschaftlich ist. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der Minderung der Staub- und Geräusch- und Schadstoffemission, Reduzierung der Bohrlochanzahl auf bis zu 75%, Reduzierung des Werkzeugverschleißes sowie des Wasserverbrauchs und Einsparungen an Primärenergie (Kerbbohrung 0,51 kWh/dm3 und gerichtete Druckspaltung 0,54 kWh/m2). Auch mit diesem Gewinnungsverfahren kann der jahrelangen Forderung der Natursteinbranche nach einem ökonomischen und ökologischen Anwendungsverfahren nachgekommen werden. Im Gegensatz zum EHD wird für das GIR eine weiterführende Forschungsperiode für sinnvoll erachtet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es wurden Versuchsberichte angefertigt, in denen die Ergebnisse, Erkenntnisse und noch zu lösenden Problemstellungen zusammengefasst wurden.


Fazit

Eine weiterführende Anwendungsforschung auf dem Gebiet des GIR und EIV wird von den Kooperationspartnern als sinnvoll erachtet. Der ökologische Vorteil dieser Verfahren gegenüber den herkömmlichen Verfahren wurde nachgewiesen. Nun müssen aufgezeigte Lösungen umgesetzt werden, damit die ökologischen und ökonomischen Vorteile für die Natursteinbranche als Verfahrensanwender zugänglich gemacht werden. Der Forderung nach neu- und hochwertigen Natursteinprodukten, um den Fertigungsstandort Deutschland zu erhalten, kann nachgekommen werden.