Fabrik der Zukunft: intelligent und ressourceneffizient Regionalkonferenz Ressourceneffizienz, 24. Juni 2014

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1 Fabrik der Zukunft: intelligent und ressourceneffizient Regionalkonferenz Ressourceneffizienz, 24. Juni 2014 Dr. Sebastian Thiede (IWF), Professur Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering

2 Gliederung Vorstellung Einleitung Ausgewählte Methoden und Werkzeuge Zusammenfassung und Ausblick

3 Gliederung Vorstellung Einleitung Ausgewählte Methoden und Werkzeuge Zusammenfassung und Ausblick

4 (IWF) Forschungsschwerpunkte Prof. Dröder Fertigungstechnologien & Prozessautomatisierung Prof. Herrmann Nachhaltige Produktion & Life Cycle Engineering Lab Factories Fertigungstechnik Dr. Hoffmeister Montage & Fertigungsautomatisierung Dr. Dietrich Nachhaltige Produktion Dr. Thiede Life Cycle Engineering Dr. Dettmer Open Hybrid LabFactory Battery LabLactory Spanende Fertigungsverfahren Präzisionsbearbeitung Holz- und Faserverbundwerkstoffe Werkzeugentwicklung und Simulation Handhabungs- und Montageprozesse Robotertechnik und Montagezellen Maschinen- und Steuerungskonzepte Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion Industrie 4.0 Urbane Fabriken Flexible und skalierbare Fabriksysteme - von der Maschine bis zum Gesamtsystem Zielgruppengerechte Lebensweganalysen Life Cycle Assessment and Life Cycle Costing for everyone Nachhaltige Produkt (&) Service Systeme End-of-Life- Management Lernfabrik

5 Nachhaltige Produktion Ausgewählte Projekte Verbundforschung EMC²-Factory - Eco Manufactured transportation means from Clean and Competitive Factory (EU FP7 FoF, ) Joint German-Australian Research Group Sustainable Manufacturing and Life Cycle Management, mit University of New South Wales (UNSW), Sydney, BMBF ESIMA Mehr Energieeffizienz durch energieautarke Sensorik und Interaktion mit mobilen Anwendern (BMBF) EnHiPro - Energie- und Hilfsstoffoptimierte Produktion (BMBF) ExtREMe - Energy and Resource Efficiency in Manufacturing (EUREKA E!5398) ProGRess - Gestaltung ressourceneffizienter Prozessketten am Beispiel Aluminiumdruckguss (BMBF) EnoPA - Energieeffizienz durch optimierte Abstimmung von Produktion und technischer Gebäudeausrüstung (TGA) (BMWi) LPSN (Lean Production System Network, gegründet vom IWF) Lean & Green Efficiency and Effectiveness in Production (DAAD, BITS Pilani, India) Sustainable Manufacturing through Ubiquitous System Engineering (DAAD, mit POSTECH Südkorea) Sustainability Cockpit: An Integrated Tool for Assessment and Improvement of Sustainability in Manufacturing (ARC Linkage Australia) verschiedene Industrieprojekte zum Thema Energieeffizienz (Spritzguss, Gießerei, Werkzeugmaschinen)

6 Gliederung Vorstellung Einleitung Ausgewählte Methoden und Werkzeuge Zusammenfassung und Ausblick

7 Zwei wichtige Trends beeinflussen derzeit die produzierende Industrie Energie- und Ressourceneffizienz verschiedene Treiber: u.a. steigende Energie- und Rohstoffpreise, stärkeres Umweltbewusstsein bei Unternehmen, Kunden/Gesellschaft, Politik etc., Verfügbarkeit neuer Technologien Digitalisierung in der Produktion / Industrie 4.0 Intelligente Maschinen/Fabriken (Smart Factories), Produkte (Smart Products) starke Vernetzung virtueller und realer Inhalte dezentrale, kontextbezogene Handlungen durch innovative Sensorik, Visualisierungs- und Steuerungskonzepte Wirtschaftliche Produktion in Losgröße 1, Verbesserte Energie-/Ressourceneffizienz Bildquellen: VW Think Blue.Factory, Plattform Industrie 4.0

8 Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion Ganzheitliches Fabrikverständnis Erneuerbare Ressourcen Produktionsplanung und -steuerung Technische Gebäudeausrüstung Externe Infrastruktur Interne Infrastruktur zur Verteilung Materialflüsse (Inputs) Materialflüsse (Produkte und Abfälle) Produktionssystem Gebäudehülle Bildquelle: IWF

9 Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion Generelle Vorgehensweise Ambient influences (cooling, heating) Crude materials Waste Emissions Auxiliary equipm ent Energy Integration Products Machine Tool Simulation von Szenarien/Ableitung Maßnahmen 12 S120 Innenrundschleifen Werkzeug: CBN Werkstück: 100Cr6 (62HRC) Wirkleistung [kw] Wirkleistung [kw] 10 Q'w = 1,5 mm³mm-1s-1 V'w = 200 mm³mm-1 vc = 60 ms Prozessleistung Grundleistung Energie ein Abluf t an 150 Spindel Zeit [s] an (5-stuf ig) 200 Materialabnahme Zeit Abluf t / Energien aus Analyse / Bewertung Modellierung 12 Wirkleistung [kw] Wirkleistung [kw] Datenerfassung / Messen S120 Innenrundschleifen Werkzeug: CBN Werkstück: 100Cr6 (62HRC) 10 Q'w = 1,5 mm³mm-1s-1 V'w = 200 mm³mm-1 vc = 60 ms Prozessleistung 2 Grundleistung 0 0 Energie ein 50 Abluft an Spindel Zeit [s] an (5-stufig) 200 Materialabnahme Zeit Abluft / Energien aus [Herrmann, Thiede, Heinemann 2010: A Holistic Framework for Increasing Energy and Resource Efficiency in Manufacturing, in: Global Conference on Sustainable Manufacturing, Abu Dhabi]

10 Gliederung Vorstellung Einleitung Ausgewählte Methoden und Werkzeuge Zusammenfassung und Ausblick

11 Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion Ganzheitliches Fabrikverständnis - Energieflüsse W W t t W W t t W W t t

12 Industrie 4.0 EnyFlow Energy Flows Made Transparent Leistung (W) Energie Zeit (s) Aktuatoren Messsysteme Antriebe Verkabelung Steuerung Sensoren 12 S120 Innenrundschleifen Werkzeug: CBN Werkstück: 100Cr6 (62HRC) Datenerfassung auf Feldebene irkleistung [kw] leistung [kw] 10 8 Sebastian Thiede Regionalkonferenz Ressourceneffizienz 6 (Echtzeitfähig oder auch zeitgetaktet) Q'w = 1,5 mm³mm-1s-1 V'w = 200 mm³mm-1 vc = 60 ms-1

13 Unternehmen Linie Anlage process chain/ production system Power [kw] process / machine Wirkleistung [kw] Wirkleistung [kw] Energetische Betrachtung von Produktionsmaschinen Bsp. Werkzeugmaschine Internal cylindrical grinding Grinding wheel: CBN Workpiece: 100Cr6 (62HRC) > evaluation, design and Q' control w = 1,5 of mm³mm processes -1 s -1 and V' w = 200 mm³mm machines including -1 v c = 60 ms -1 peripheral equipment > consideration of all relevant input and output flows 12 S120 Innenrundschleifen Werkzeug: CBN Werkstück: 100Cr6 (62HRC) 10 Q'w = 1,5 mm³mm -1 s -1 V'w = 200 mm³mm -1 8 vc = 60 ms Prozessleistung 2 Grundleistung Zeit Energie Abluft Spindel Zeit [s] Materialabnahme Energien Abluft / ein an an (5-stufig) aus Input electricity, compressed air, lubricants, process power basic power Transformationsprozess production system transformation process Output products, scrap/waste, emissions, 0 > evaluation, design and Time 300[s] Machine Exhaust air Spindle control Machining of production Spindle and process startup system startup air system startup chains (e.g. factory, stopped supply chain) > consideration of time aspects/ interdependencies load profile total machine 1 gas, oil, electricity technical building Service (TBS) cooling heating allocation of media (e.g. compressed air, steam, cooling water) machine 2 of single processes Messen Analyse/Modellierung Benchmarking water (e.g. steam,water) backflow of media local climate need for defined production conditions (e.g. temperature, moisture, purity) production machines waste heat electricity Messen von Lastprofilen, Zuordnung von Maschinenzuständen wertschöpfende Verbrauchsanteile relativ klein, hoher Anteil Standby Ableitung von Parametermodellen für Maschinen zur energetischen Beschreibung Bewertung der Prozess- bzw. Maschineneffizienz und Benchmarking Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen [Zein, A. - Transition Towards Energy Efficient Machine Tools, Springer 2013]

14 Laufendes Forschungsprojekt ESIMA Verbesserte Ressourceneffizienz in der Produktion durch energieautarke Sensorik und Interaktion mit mobilen Anwendern Konzept / Arbeitsprogramm Kooperationspartner Erstellung Systemarchitektur Prozessanalyse und -optimierung Konzepte und Umsetzung mobiler Interaktion Entwicklung Sensorik Systemtest und -evaluation Demonstratorumgebung Teilziele Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz und der Wettbewerbsfähigkeit durch ergonomische Kommunikation zwischen Mensch und Maschine Kürzere Reaktionszeiten der Instandhaltung und bessere Anlagenverfügbarkeit durch nahtlose Kommunikation und gezielt aufbereitete Handlungsempfehlungen Geringfügiger Eingriff in bestehende Systeme durch miniaturisierte und energieautarke Funksensorik Projektrahmen 07/ /2016

15 ESIMA Verbesserte Ressourceneffizienz in der Produktion durch energieautarke Sensorik und Interaktion mit mobilen Anwendern Maschinenbediener Instandhaltung Fehler 5 Elektr. Masch. steht Heizungsanlage Heizstab2 heizt nicht :52 Fehler 5 Elektr. Masch. steht Heizungsanlage Heizstab2 heizt nicht :52 Elektr. Leistung Druckluft Elektr. Leistung Druckluft Dynamische Kennwerte Dynamische Kennwerte Ganzheitliche Anlagenbetreuung (GAB): säubern :00 Uhr MP 57 Maschine Standard-Instandhaltung: IH 23 Antrieb wechseln :56 Uhr Produktionsprogramm: 263 ZKG Actros Startzeit :00 Uhr Management level / ERP Ganzheitliche Anlagenbetreuung (GAB): MP 57 Maschine säubern :00 Uhr Standard-Instandhaltung: IH 23 Antrieb wechseln :56 Uhr New maintenance task Produktionsprogramm: 263 ZKG Actros Startzeit :00 Uhr Fehler 5 Elektr. Masch. steht Heizungsanlage Heizstab2 heizt nicht :52 Elektr. Leistung Druckluft 315 kw Dynamische Kennwerte Ganzheitliche Anlagenbetreuung (GAB): MP 57 Maschine säubern :00 Uhr Standard-Instandhaltung: IH 23 Antrieb wechseln :56 Uhr Produktionsprogramm: 263 ZKG Actros Startzeit :00 Uhr

16 3D Emission Monitoring für Fabriken 3D Indoor-Klimamodell zur Prognose der Innentemperatur und Luftbewegung in der Fabrik Zur Realisierung eines Echtzeit- Monitorings Kombination von Messungen und Simulation verteilte drahtlose Sensorknoten zur Erfassung von Temperatur/ Luftströmung Einsatz von Modellierung/ Simulation zur Bestimmung der Daten an nicht-gemessenen Positionen Ziele: verbesserte Fabrikgestaltung und Planung/Steuerung der technischen Gebäudeausrüstung [cooperation with TNO in FP7 EMC2 Factory]

17 failure W power [kw] steam [kg/h] comp. air [m³/h] power [kw] elec. power [kw] Energieorientierte Simulation von Fabriken Einsatzfelder Produktionssystem Konfiguration über generische Prozessmodule, parametrisierbares Betriebsverhalten und Energiebedarf post-production MTTF post p. time process time MTTF MTTR Zeitbezogener Bedarf aller Energieträger der Fabrik process time defined end processing standby/idle ramp up setup off entity occurs ramp up time setup time defined start time [s] time [sec.] Cumulative load profiles for electricity, compressed air and steam Process modules structured according to manufacturing system logic Production output, composition of absolute energy consumption (kwh), energy consumption costs ( ) and related CO2 emissions and relative efficiency indicators (different base units) Lastprofile (zeitbezogener Bedarf an Energie/Medien) Detailed analyses of electricity consumption estimation of monthly electricity costs (based on contract) composition of consumption Mögliche Versorgung mit Energie/Medien Electricity Oil Technische Gebäudeausrüstung (TGA) parametrisierbare TGA- Module zur Simulation der Energie-/Medienbereitstellung Druckluft Heat Compressed air Gesamtlastprofile Energiebedarfe einzelner Anlagen time [sec] Electricity Sankey-Visualisierung time [sec] time [sec] Steam Heat Dampf Basis für realistische ökologische und ökonomische Bewertung von Effizienzmaßnahmen im Gesamtkontext Fabrik Dimensionierung und Steuerung von TGA Planung und Steuerung von Lean & Green Prozessketten (Rapid Simulation Tool vereinfachte EVSM- Simulation) [Thiede, S. Energy Efficiency in Manufacturing Systems, Springer 2012]

18 13:41:09 13:41:16 13:41:23 13:41:30 13:41:37 13:41:44 13:41:51 13:41:58 13:42:05 13:42:12 13:42:19 13:42:26 13:42:33 13:42:40 13:42:47 13:42:54 13:43:01 13:43:08 13:43:15 13:43:22 13:43:29 13:43:36 13:43:43 13:43:50 13:43:57 13:44:04 13:44:11 13:44:18 13:44:25 13:44:32 13:44:39 13:44:46 13:44:53 13:45:00 13:45:07 13:45:14 13:45:21 13:45:28 13:45:35 13:45:42 13:45:49 13:45:56 13:46:03 13:46:10 13:46:17 13:46:24 13:46:31 13:46:38 13:46:45 13:46:52 13:46:59 13:47:06 13:47:13 13:47:20 13:47:27 13:47:34 13:47:41 13:47:48 13:47:55 13:48:02 Leistung [kw] power [kw] power kw] Energieorientierte Simulation von Fabriken Lean vs. Green in Prozessketten, Beispiel Aluminiumdruckguss CNC-milling CNC-milling Druckgusszellen (3x) Abrasive blasting Palletizing Säge, Roboter (3x) CNC- Fräsbearbeitung (2x) Strahlen Palettieren W t time [sec] Zeit [Sek.] hohe Grundlast kontinuierlicher Betrieb Lastspitzen bei Bearbeitung von Teilen Kapazität bis zu 20 Teile Energy oriented manufacturing system simulation environment Datenreihen1 time [sec] Integration gemessener Energiedaten, simulative Analyse der Prozesskette 110% 105% 100% 95% 90% 85% 80% optimum, scenario B* base scenario A scenario B Energiebedarf Energy consumption Ausbringung Product output Energie/Teil Energy Efficiency lot size blasting process Lean: Produktion muss fließen, one piece flow Losgröße Green: Batchbildung und autom. Abschalten -7% Energie, / Jahr, Ausbringung konstant [Thiede, S. Energy Efficiency in Manufacturing Systems, Springer 2012]

19 Gliederung Vorstellung Einleitung Ausgewählte Methoden und Werkzeuge Zusammenfassung und Ausblick

20 Zusammenfassung und Ausblick Energie- und Ressourceneffizienz von steigender Bedeutung in der Industrie, aber es gibt noch erhebliche Barrieren zur breiten Verbesserung Industrie 4.0 bietet Chancen für eine energie- und ressourceneffiziente Produktion bzw. Fabriken adäquate Methoden und Werkzeuge wichtig - kein Selbstzweck, möglichst wenig zusätzlicher Aufwand Die TU Braunschweig Prototypische Umsetzung von Methoden, Werkzeugen und Technologien (Experimentierplattform) Lernumgebung, z.b. für studentische Lehre

21 Fabrik der Zukunft: intelligent und ressourceneffizient Regionalkonferenz Ressourceneffizienz, 24. Juni 2014 Dr. Sebastian Thiede (IWF), Professur Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering

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