Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik
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- Maximilian Lorentz
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1 Reimund Neugebauer, Andreas Sterzing Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik ZUKUNFTSFORUM, Energieeffizientes Wirtschaften Frankfurt am Main, 15. April 2010
2 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 2
3 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 3
4 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit Täglicher Weltverbrauch Fossile Brennstoffe 10 Mio. t Erdöl 12,5 Mio. t Kohle 7,5 Mrd. m 3 Erdgas BEGRENZTE verfügbare Reserven! 4
5 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 5
6 2 Relevanz für die Produktionstechnik Verbrauchsanteile der Energie in Deutschland verarbeitende Industrie jährlich: PJ/a 25,6 % Deutschland - gesamt Handel / Nahrung Landwirtschaft Dienstleistungen Verkehr u. Nachrichten Gastgewerbe 26,4% PJ/a Absoluter Primärenergieverbrauch in Deutschland: PJ/a (2005 ) 40,1% PJ/a Industrie 11,9% 2,6% 7,6% Chemíe Glas, Keramik, etc. Metallerzeug. / -bearbeitung Einsparpotenzial der Industrie: 30% (1) 24 Kraftwerke á 1,4 GW Private Haushalte 33,5% PJ/a 18,0% Übriges produzierendes Gewerbe Quellen: Statistisches Bundesamt 2007; Fraunhofer Gesellschaft; (1) Abschätzung aus dem Betrachtungsraum der Untersuchung Energieeffizienz in der Produktion
7 2 Relevanz für die Produktionstechnik Entscheidersicht heute 1. Einfluss der Energiekosten auf Investitionsentscheidungen 46% 2. Amortisationszeiten für ressourcensparende Investitionen 1-3 Jahre 10% 32% 12% 3. Ressourcen-Sensibilität/ Änderungsmotivation stark unterschiedlich - Energieversorger 2/3 - Produktion 1/3 kein Einfl. gering mittel Quelle: Fraunhofer Gesellschaft, Expertenbefragung, Untersuchung zur Energieeffizienz in der Produktion, 2008 hoch 7
8 2 Relevanz für die Produktionstechnik Neue Wettbewerbsfaktoren Rohstoffpreise + Rohstoffverfügbarkeit = Volkswirtschaftliche Spielberechtigung Geschäftserfolg = f (Qualität, Produktivität, Flexibilität + Energiekosten) Effizienztechnologien führen zu nachhaltigen Wettbewerbsvorteilen 8
9 2 Relevanz für die Produktionstechnik Beispiel: Automobilindustrie zu berücksichtigende Forderungen (EU-Kommission): 3-Liter-Auto, 120 g CO 2 pro km Nutzung: Reduzierung Verbrauch Emissionen Ressourcenverknappung Steigende Energie-/Treibstoffkosten Gesetzliche Bestimmungen Steigendes Umweltbewusstsein Fahrzeugfertigung Herstellung: bis zu 20 % des Gesamtenergieverbrauches (Lebenszyklus)! Widerspruch Orientierung zum Individualismus (Komplexität, Varianten ) Widerspruch 9
10 2 Relevanz für die Produktionstechnik Energieaufwand für die Fahrzeugherstellung IST-Stand Bauteilherstellung - Prozesse - Einrichtungen - Werkzeuge Fabrikbetrieb - Infrastruktur - Logistik Karosserie Fahrwerk Antrieb Ausstattung Elektrik 26,6 % 21,4 % 21,9 % 25,7 % 4,4 % KEA H = 71,1 GJ Kumulierter Energieaufwand (KEA H ) bezogen auf Gesamtfahrzeug [TU M] Wesentlicher Energietreiber Karosserieherstellung Halbzeug Presswerk (V 1, V 2,, V n ) Karosseriebau (V 1, V 2,, V n ) Lackierung (V 1, V 2,, V n ) Montage Werkzeug-/Betriebsmittelbaubau 10
![KEA H = 71,1 GJ Kumulierter Energieaufwand (KEA H ) bezogen auf Gesamtfahrzeug [TU M] Wesentlicher Energietreiber Karosserieherstellung](/docs-images/49/19222459/images/page_10.jpg "Halbzeug Presswerk (V 1, V 2,, V n ) Karosseriebau (V 1, V 2,, V n ) Lackierung (V 1, V 2,, V n ) Montage Werkzeug-/Betriebsmittelbaubau")
11 2 Relevanz für die Produktionstechnik Ranking technologiebasierter (End)energie-Einsparungen ( ) Fahrzeugbau Maschinenbau Gummi- u. Kunststoffwaren Handlungsbedarf sonstige Wirtschaftszweige Metallbearbeitung NE-Metalle, -gießereien Gew. von Steinen und Erden; sonst. Bergbau sonstige chemische Industrie Grundstoffchemie Ernährung und Tabak Industrie gesamt Papiergewerbe Verarbeitung von Steinen und Erden Glas u. Keramik Metallerzeugung Quelle: 11 VDMA Forum Energie, Prognos AG Endbericht Energieeffizienz in der Industrie Einsparung [%]
12 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 12
13 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 13
14 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Spitzentechnologiecluster eniprod Vision: quasi energieautarke Fabrik - effizienz-optimiert - geschlossene Energiekreisläufe - erneuerbare Energien Fraunhofer Future Energieeffiziente Powertrain-Technologien Schlüsselprodukte: -Niedrigenergie-Motor - Leichtbau-Getriebe - Leichtbau-Kardanwelle Fraunhofer IWU Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion Vision: Energieautarke Fabrik - Effizienz - Nachhaltigkeit - Substitution Exzellenzzentrum Automobil-Produktion (im Rahmen der Forschungsfabrik) Schwerpunkte: - Presswerk - Werkzeugbau - Karosseriebau Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung Ressourceneffizienz in der Produktion JETZT Identifizierung von Einsparpotenzialen und Bedarf für Forschungsaktivitäten Innovationsallianz Green Carbody Technologies ressourceneffiziente Optimierung von Prozessketten Lackierte Fahrzeugkarosserie MAINE Maschinen- und Automobil- Initiative Next Economy Innovationen für Karosserie und Antriebsstrang 14
15 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Innovations-Allianz Green Carbody Technologies Ressourceneffiziente Optimierung der Prozesskette Lackierte Karosserie HEUTE Werkzeugbau Durchlaufzeit > 10 Wochen Umformen/Schneiden 50 % Beschnitt 12 % Ausschuss/ Nacharbeit 65 % Energieverlust (Ziehkissen) Montage Energiebedarf Fügen mechanisch = thermisch Planung: ganzheitlicher Ansatz 1 3 Lackierung Energiebedarf Platine = Struktur 1 5 Ganzheitliche Planung Systemgrenzen Presswerk Werkzeugbau Karosseriebau Lackierung MORGEN 15 kosten-, zeit- and ressourcenoptimierte Karosseriefertigung (z. B. Prozesskettenverkürzung, Einsparung Umformwerkzeuge, Prozessüberwachung/-regelung, ) 50 % Reduzierung Energieverbrauch
16 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 16
17 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.2 Zellstrukturen/Presswerk Prozesssicherheit: Prozess-Monitoring Ausgangssituation Off-Line-Qualitätsprüfung am Fertigteil n fehlerbehaftete Teile Beispiel: Flanscheinzugsmessung Längsträger 12,3 % Ausschuss (77 Teile von 622) Flanscheinzug s s [mm] 3400 kn 3000 kn Einstellungen Kissenkraft F N Sichtprüfung 3200 kn 3400 kn 3600 kn Teil Gutteilbereich aus Erfahrung 3200 kn Pressenlinie Karosserieteilfertigung (schematische) Umformen/ Beschneiden Gutteilbereich aus Erfahrung Umformen/ Beschneiden Umformen Lösungsansatz On-Line-Prozessüberwachung Detektierung von Tendenzen frühzeitiges Reagieren auf Prozessänderungen Festlegung von Maßnahmen, oder Basis für geregelten Prozess Erreichte Effekte Ausschussreduzierung < 2 % 17
![12,3 % Ausschuss (77 Teile von 622) Flanscheinzug s s [mm] 3400 kn 3000 kn Einstellungen Kissenkraft F N Sichtprüfung 3200 kn 3400 kn 3600 kn Teil Gutteilbereich aus Erfahrung 3200 kn](/docs-images/49/19222459/images/page_17.jpg "Pressenlinie Karosserieteilfertigung (schematische) Umformen/ Beschneiden Gutteilbereich aus Erfahrung Umformen/ Beschneiden Umformen Lösungsansatz On-Line-Prozessüberwachung Detektierung von")
18 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.2 Zellstrukturen/Presswerk Prozesssicherheit: Prozess-Regelung Prototypische Lösung für die B-Säulen-Herstellung basierend auf - Online-Prozessüberwachung - intelligentem Maschinensystem (z. B. Mehrpunkt-Ziehkissentechnik) oder - intelligentem Werkzeug (Piezo-Aktor-System) - geeigneter Niederhalter- Auslegung (flexible Gestaltung) Flanscheinzugsmessung geregelte Bereiche Piezo-Aktor Ziehstufe B-Säule Regelgröße: Blecheinzugsgeschwindigkeit Laser + Mehrpunkt- Ziehtechnik Laser s s aus Vergleich Ist- und Sollkurve p Matrize Niederhalter F N Pinole/ Piezo-Aktor Stellgröße: Niederhalterkraft 18
19 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 19
20 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.3 Werkzeugbau Neue Werkzeugmaschinen-Konzepte Bionisch Inspirierte Werkzeugmaschine Beispiel: Redundanz energieeffizientes Bewegungsprinzip Beispiele aus der Natur: Frosch (Zunge), Elefant (Rüssel), Mensch (Hand) Bewegung in Y-Richtung (mm) Bewegung in X-Richtung (mm) Global niedrig dynamisch (Arm / seriell) Lokal hoch dynamisch (Hand / parallel) Referenzpfad Analogie: Schreiben 20
21 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.3 Werkzeugbau Neue Werkzeugmaschinen-Konzepte Bionisch Inspirierte Werkzeugmaschine Redundanz realisiert mittels Scherenkinematik geeignet für HPC + HSC Bewegungs-Redundanz für Hauptbewegungsrichtung Aktuator-Redundanz für hohe Steifigkeit Sensor-Redundanz für hohe Genauigkeit Z X2 Y VW, Niles-Simmons, IWU X1 tool 21
22 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.3 Werkzeugbau Neue Werkzeugmaschinen-Konzepte Bionisch Inspirierte Werkzeugmaschine Bearbeitungsergebnisse HSC Referenz-Maschine Referenzpfad IST-Werte obere Toleranz untere Toleranz Scherenkinematik Testwerkstück (Mürdter-Welle) Werkstoff: AlMg4.5Mn Werkzeug: Kugelkopf-Fräser D12 Vorschub: mm/min Drehzahl: min -1 Schnitttiefe:0,5 mm Radiale Eingriffsbreite: 0,2 mm Reduzierung Bearbeitungszeit: 18% signifikant 22 time t [s] - höhere Prozessstabilität - höhere Genauigkeit Zeit [sec] K olb-maschine Schere S cherenkinematik Referenz-Maschine Bearbeitungszeit Eingriffszeit Zustellzeit (19x) Nebenzeit weniger Ausschuss höhere Effizienz 4 8
23 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 23
24 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.4 Karosseriebau Energieeffiziente Fügeprozesse Substitution mechanischer durch thermische Prozesse Ausgangssituation Anteil thermischer Fügeprozesse in Karosseriefertigung: 85 % thermisch mechanisch Laser Laserschweißen 60 60% % Clinchen 2% Falzen 3% Kleben 10% WPS 20 % WPS 20% Laserlöten 5% 5 % Energie pro Festigkeit 150 J/kN 50 J/kN 3 : 1 Flanschabmessungen 1 : 1,7 Forschungsbedarf - Entwicklung von Anwendungsszenarien - Integrationsfähigkeit in Prozessketten - Multikriterielle Einsatzbewertung 24
25 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 25
26 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.5 Powertrain Fraunhofer Future Energieeffiziente Powertrain-Technologien Strategische Produkte Niedrig-Energie-Motor - Nockenwelle Gewichtsreduktion: 60 % - Kurbelwelle Gewichtsreduktion: 60 % - Pleuel Gewichtsreduktion: > 20 % Leichtbau-Getriebe - Verzahnungen (mittels Walzen) Prozesszeit: 50 % Werkstoffeinsatz: 30 % Leichtbau-Kardanwelle Powertrain = Komponenten für - Momenten-Erzeugung - Momenten-Übertragung vom Motor zum Rad 26
27 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.5 Powertrain Leichtbau-Nockenwellen Gebaute Nockenwellen Potenziale Überarbeitung des konventionellen Designs MASSWELLE charakterisiert durch hohen Materialeinsatz hohe Herstellkosten Herstellung gebauter Nockenwellen Effekte signifikante Gewichtsreduktion 35 % (basierend auf Hohlwelleneinsatz) Serienfertigung gebauter Nockenwellen seit 1993 (Thyssen Krupp Presta) Herausforderungen hohe Genauigkeitsanforderungen aufwendiges Fügen der Nocken relativ hohe Fertigungskosten 27
28 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.5 Powertrain Leichtbau-Nockenwellen Gebaute IHU-Nockenwellen Realisierung globaler/lokaler Formelemente (am Ausgangs-Halbzeug) Fügen Nocken mit Welle Integration zusätzlicher Operationen (z. B. Formgebung der Wellenenden) Fügen von Lagern/Buchsen gebaute Nockenwelle AUDI gebaute Nockenwelle BMW weitere Entwicklungen optimiertes Bauteildesign reduzierte Nockenstärke steigende umformtechnische Herausforderungen Einsparung von Umformstufen relativ dicke Nocken relativ geringe fertigungstechnische Schwierigkeiten Gewichtsreduzierung 50 % Reduzierung Fertigungskosten 15 % 28
29 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.5 Powertrain Leichtbau-Nockenwellen Beschichtete IHU-Nockenwellen Hydroforming Nockengeometrie Fügen der Lager Fügen Mitnahmerad, Endstück Beschichten reproduzierbare Layerdicke Layerhaftung Kontrolle des Wärmeeintrags Schleifen Unrundschleifen Prozess-/Werkzeugdesign Ergebnisse zusätzliche Gewichtsreduzierung 20 % (im Vergleich zur IHU-Serienwelle) Kurzzeit-Tests Langzeit-Tests erfolgreich erforderlich 29
30 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 30
31 4 Vision Energieautarke Fabrik 3-Stufen-Strategie Wirkungsgradoptimierte Produktion Total Energy Management Nutzung alternativer Energiequellen (Effizienz) (Nachhaltigkeit) (Substitution) 31
32 4 Vision Energieautarke Fabrik Wirkungsgradoptimierte Produktion EFFIZIENZ wirkungsgradorientiertes Prozess-/Systemdesign Energiebilanzierung Erhöhung Prozessstabilität Effizienztechnologien, -produktionssysteme (Energie, Werkstoff, andere Ressourcen) Prozesskettenoptimierung energiesensîtive Logistik Powertrain-Technologien - Umformen/Spanen - Oberflächengestaltung - Maschinensysteme Werkzeugbau insbes. spanende Bearbeitung u. Maschinensysteme Umformen Technologien und Maschinen Karobau Technologien und Systeme 32
33 4 Vision Energieautarke Fabrik Total Energy Management NACHHALTIGKEIT Realisierung geschlossener Energiekreisläufe Identifizierung, Visualisierung, Bewertung von Energieverbrauchern, Energieverluste Energieverluste Identifizieren Sammeln Speichern Umwandeln Wiederverwenden Karobauanlage Umformmaschine Bearbeitungszentrum Energetische Interaktion zwischen Produktion Produktionssystem - Gebäude 33
34 4 Vision Energieautarke Fabrik Nutzung alternativer Energiequellen SUBSTITUTION Wind E el Elektrolyse E el Energieleitstand PV Gas H 2 liq Elt mehrstofftaugliches BHKW mit Trigeneration E mech E th (~400 C) E th (~250 C) Druckluft E el Wärme Kälte Kondensator, Flywheel,... Impulsspeicher Prozess 34
35 Ressourcen- und energieeffiziente Produktion Vision Energieautarke Fabrik 1 Herausforderung Klimawandel und Ressourcenbegrenztheit 2 Relevanz für die Produktionstechnik 3 Aktuelles aus der Produktionsforschung 3.1 Leitprojekte Fraunhofer IWU 3.2 Zellstrukturen und Presswerk 3.3 Werkzeugbau 3.4 Karosseriebau 3.5 Powertrain 4 Vision Energieautarke Fabrik 5 Zusammenfassung 35
36 5 Zusammenfassung Konsequenzen aus den Megatrends Paradigmenwechsel notwendig! von maximalem Gewinn aus minimalem Kapital zu maximaler Wertschöpfung aus minimalen Ressourcen 36
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