Energieeffiziente Reparatur von Glasurfehlern in Sanitärkeramiken (EcoRepair)

Problemstellung
Die Kosten für die Herstellung von Sanitärkeramiken werden zunehmend durch stark steigende Energie und Rohstoffkosten bestimmt. Ökonomisch ist dies vor dem Hintergrund der Standortfrage schwierig, ökologisch jedoch wird der vergleichsweise hohe Energieverbrauch in Anbetracht der Kohlendioxidemissionen untragbar. Mit Hilfe moderner Verfahrenstechniken (z. B. Druckguss) konnte der Fertigungsprozess energetisch optimiert werden. Die Reparatur der im Produktionsprozess unvermeidlich auftretenden Glasurfehler war jedoch weiterhin mit einem Energieaufwand verbunden, der durch die Entwicklung neuartiger, niedrig sinternder Reparaturwerkstoffe drastisch gesenkt werden konnte.

Projektziele
Das Gesamtziel des Verbundprojekts EcoRepair war die Entwicklung einer energieeffizienten und ökonomisch sinnvollen Verfahrenstechnik zur Reparatur von Glasurfehlern an sanitärkeramischen Erzeugnissen. Dies beinhaltete sowohl die Entwicklung eines Reparaturwerkstoffes als auch die Entwicklung eines individuell angepassten Verfahrens. Es wurde eine Verfahrenstemperatur unterhalb des Quarzsprunges bei 573 °C angestrebt. Ein weiteres Ziel des Projektes lag in der Beibehaltung der Produktqualität nach Reparatur. Dies bedeutete insbesondere die Forderung nach einer unverändert guten mechanischen und chemischen Stabilität. Ein wichtiger Aspekt des Projekts war die Entwicklung einer maßgeschneiderten Thermoprozessanlage für den Niedertemperatur-Rückbrand in Form eines Demonstrators, der alle Anforderungen der neu zu entwickelnden Verfahrenstechnik in idealer Weise erfüllt und der im Vergleich zum Stand der Ofenbautechnik 30% weniger Energie benötigt.

Vorgehensweise
Die Werkstoffbasis für das Vorhaben bildeten glasartige Beschichtungen und so genannte Nanobinder. Beide Typen waren prinzipiell geeignet, mussten aber in ihren Eigenschaften -sowohl werkstoffseitig als auch verfahrensseitig- an die individuellen Anforderungen angepasst werden. Bei beiden Werkstofftypen handelte es sich um nanotechnologisch hergestellte, organisch-anorganische Hybridmaterialien, welche bei bedeutend niedrigeren Temperaturen aushärten als herkömmliche Glasuren. Die Anpassung an die Anforderungen wurde durch Einsatz keramischer Füllstoffe erreicht. Welche der beiden Materialtypen hier das größte Erfolgspotential bietet, wurde anhand von Labormustern qualifiziert und validiert.
Auf Basis dieses Sol-Gel-Materials startete die Konstruktion einer neuartigen Thermoprozessanlage für Niedertemperatursintern. Die Materialeigenschaften wurden mit Hilfe von Laboruntersuchungen sukzessive optimiert. Die Herstellung wurde qualitätsgesichert aufskaliert und entsprechend hergestellte Materialien wurden im Rahmen von Funktionstests mit verschiedenen Applikationstechniken unter Produktionsbedingungen als Reparaturwerkstoffe eingesetzt und in der neuentwickelten Thermoprozessanlage eingebrannt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Alleine am Standort des Keramik-Herstellers ist eine Reduktion des Energiebedarfs beim Rückbrand-Verfahren um ca. 15 GWh/a und damit verbunden eine Reduktion des CO2-Ausstoßes um ca. 3.000 to/a möglich.
Die Materialentwickler und der Ofenhersteller haben die erarbeiteten Werkstoffe und Verfahren einem breiteren Kundenstamm zugänglich gamacht, beginnend mit anderen Sanitärkeramikherstellern in Deutschland, Europa und weltweit, dann aber auch in Zusammenarbeit mit weiteren Partnern aus anderen Keramiktechnologien und deren Anwendungsbereichen, z. B. Emaillierung.
Wissenschaftlich relevante Ergebnisse des Projekts wurden in Fachzeitschriften veröffentlicht und auf Tagungen präsentiert. Ebenfalls konnten wichtige Ergebnisse in die Lehre an Universitäten, insbesondere auf dem Bereich der Materialwissenschaften, einfließen.

• inomat GmbH
• Keramischer OFENBAU GmbH
• Leibniz-Institut für neue Materialien gGmbH (INM)
• Villeroy & Boch Aktiengesellschaft