E N G I N E E R I N G

Transkript

1 E N G I N E E R I N G Beschäftigungspotential neuer Werkstoffe für Engineering und Facharbeit Thesen zur Forschungs- und Entwicklungsarbeit Klaus Dilger, Wolfsburg, 04. Februar

2 Unternehmensplanung: langer Atem für frischen Geist Mehr Verantwortung für das lokale Management Schlüsseltechnologien im Unternehmen (er)halten Innovativ bleiben: mehr eigene Aktivitäten bei F&E Kein Offshoring aus bloßen Kostengründen Interdisziplinäre Teamwork statt All-in-one Arbeitnehmer Freiräume für Ingenieure/-innen und Technische Experten Bildung: nachhaltig mehr! Kontinuität statt Management-Drehscheibe Gemeinsam können wir viel bewegen Quelle: Volkswagen AG 2 E N G I N E E R I N G

3 Unternehmensplanung: langer Atem für frischen Geist Schlüsseltechnologien Innovation! im Unternehmen (er)halten Innovativ bleiben: mehr eigene Aktivitäten bei F&E Kein Offshoring aus bloßen Kostengründen Interdisziplinäre Teamwork statt All-in-one Arbeitnehmer Arbeit und Bildung! Freiräume für Ingenieure/-innen und Technische Experten Bildung: nachhaltig mehr! Mehr Verantwortung für das lokale Management Kontinuität statt Management-Drehscheibe Gemeinsam können wir viel bewegen Rahmenbedingungen und Management! Lösung! Quelle: Volkswagen AG 3 E N G I N E E R I N G

4 Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung Eingangsgrößen Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Evaluierung Beschaffung Kundenanforderungen Rechtliche Rahmenbedinungen K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Planung K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Konzeption (Neue) Technologien Produktstrategie K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Entwurf K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Ausarbeitung Anforderungserfüllung Lebenszykluskosten Umweltwirkungen Produktentwicklung Produktion Nutzung & Service K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Entsorgung

5 Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 These Nummer 11: Die Entwicklung folgt der Produktion! K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Es ist falsch zu glauben, dass Deutschland nur als Entwicklungsstandort existieren kann. Ohne produktionstechnisches Know-how ist auch keine effiziente Entwicklung möglich! Dieses Know-how geht verloren, wenn K. Dilger, am Standort Hannover, keine 12. Produktion November mehr 2008 stattfindet! Für eine wirtschaftliche Produktion am Standort Deutschland müssen neue Produktionsverfahren erforscht und umgesetzt werden! K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 K. Dilger, Hannover, 12. November 2008

6 Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 These Nummer 12: Neue Materialien und Verfahren erfordern hervorragend ausgebildete Fachkräfte! Diese sind hauptsächlich am Standort Deutschland K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 vorhanden! Somit fördert die Forderung nach Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit die Beschäftigung in Deutschland! K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 K. Dilger, Hannover, 12. November 2008

7 Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung Fazit: K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Die Herstellung zukunftsfähiger Produkte unter wirtschaftlichen Randbedingungen erfordert sowohl Produkt- als auch Prozessinnovation K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Neue Werkstoffe sind eine Voraussetzung zur Umsetzung dieser Innovationen K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Diese Werkstoffe müssen zu Produkten verarbeitet werden. Hierfür müssen die Enabling Technologies bereitgestellt werden K. Dilger, Hannover, 12. November 2008 Das Beherrschen dieser Technologien setzt eine hervorragende K. Dilger, Ausbildung Hannover, und 12. ständige November Weiterbildung 2008 voraus Diese Aus- und Weiterbildung sichern Beschäftigung und Wohlstand K. Dilger, Hannover, 12. November 2008

8 Einige Beispiele Effizienz in Produkt und Betrieb z. B. Leichtbau: Weniger Material, weniger Energie zur Materialerzeugung, weniger Energieverbrauch beim Betrieb Effizienz in der Produktion Intelligente Produktionsmethoden ermöglichen effiziente Produkte, effiziente Produktion schont Ressourcen Beispiele: Einsatz von CFK Betonleichtbau Aluminium-Druckguß Multimaterial-Design

9 Seitenleitwerk A380 CFK Bauweisen Durch hohe Festigkeiten und hohe Steifigkeiten extremer Leichtbau möglich Produktionsmethoden noch nicht für den Einsatz in der Serienfertigung geeignet Quelle: CFK-Valley Notwendigkeit der Erarbeitung neuer Produktionsmethoden

10 Eigenschaften von Fasern Zugfestigkeit [MPa] % Bruchdehnung HST- Faser 2% IM- Faser 1% Glas Aramid PE Naturfasern Titan HT- Faser Stahl HM-Faser 0,5% Aluminium E-Modul [GPa]

11 Prozess Carbon- Preforms für A380 Druckkalotte

12 Liquide Composite Molding

13 Liquide Composite Molding Prozesskette der LCM-Verfahren Planung und Logistik Preformen der CFK-Struktur Harzinjektion Härtung Qualitätssicherung und Endbearbeitung Bis zu 60 % der Kosten entfallen auf den Preformprozess Klassische Bindertechnologie: keine Faserondulationen, komplexe Geometrien, langsame Prozessgeschwindigkeiten, nur dünne Laminate Nähtechnologie: hohe Prozessgeschwindigkeit, keine komplexen Geometrien, Faserondulationen, dünne bis mitteldicke Laminate Dicker Beschlag aus dem Flugzeugbau Es stehen keine effizienten Preformprozesse insbesondere für dicke Laminate zu Verfügung

14 Prozess Konvenionelle Bindertechnik Drapieren der Textillage Binderapplikation Standard: Epikote EPR T prozess = 120 C Drapieren der nächsten Textillage Wärmezufuhr: Drapiereisen, Ofen, Infrarot, + Drapieren komplexer Geometrien möglich + keine Faserondulationen (negativen) Einfluss durch Binderpulver langsame Prozessgeschwindigkeiten kein Einsatz alternativer Binder möglich nur dünne Strukturen möglich

15 Vergleichsmessungen Vergleichsmessungen mit dem Stand der Technik Ergebnis: Homogener Erwärmung durch Induktion (Fehlerbalken!) Schnellere Aufheizraten (20 K/s) Kürzere Prozesszeiten bei höherer Prozessicherheit Faserhalbzeug: Saertex Biax [± 45] x2 S Prozessparameter Induktor: U7050 Frequenz = 15 khz Leistung = 1,6 kw Aufheizzeit = 2,5 s Abstand Induktor-Fasern = 1 mm

16 Induktives Preformen Induktives Preformen Anwendung 1. Schritt: Manuelles Preformen 2. Schritt: Kontinuierliches Preformen Kühlung Induktorgate 3. Schritt: 3D Preformen Konsolidierte Preform NCF-Tapes 6-Achs Roboter

17 Anwendungen

18 Wickelverfahren, geklebt Weltweit leichtester renntauglicher Rennradrahmen (Rahmenmasse < 800g)

19 Rotoren für Windkrafträder

20 Fazit Energieeffizienz durch neue Fertigungsprozesse Liquid Composit Molding, Kalthärtung Neue Verfahren für wirtschaftliche Herstellung großer Stückzahlen notwendig Energieeffizienz durch leichte, hochfeste und hochsteife Bauteile Produktion Betrieb Wirtschaftlich durch geringeren Treibstoffverbrauch, höhere Nutzlast und Möglichkeit der Funktionsintegration

21 Faserbeton/Ultrahochfester Beton Durch hohe Festigkeiten extremer Leichtbau möglich Extrem dünne Bauteile infolge Korrosionsbeständigkeit Produktionsmethoden für Vorfertigung und Baustelle Quelle: Uni Kassel Notwendigkeit der der Erarbeitung neuer Produktionsmethoden neuer Produktionsmethoden

22 Textilbeton/UHPC Stahlbeton Kurzfaserbeton Textilbewehrter Beton Betonstahl Kurzfasern (Glas, Stahl) Textile Bewehrung

23 Preforms

24 Anwendungen Hüllsysteme Fassadenelemente Fassadenelemente Betonski

25 Fulda-Brücke

26 Fulda-Brücke

27 Fulda-Brücke

28 Fulda-Brücke

29 Fazit Materialeffizienz durch erhebliche Materialeinsparung Energieeffizienz durch Materialeinsparung und geringeren Transportaufwand CO 2 -Emission der Zementherstellung 4-6% der Gesamtemissionen, 0,7 t CO 2 / t Zement Produktion Wirtschaftlich durch Vorfertigung auch unter Bedingungen eines Hochlohnlandes

30 Leichtmetall-Druckguss Gewichtsreduktion durch freie Gestaltungsmöglichkeiten Aluminium und Magnesium Wirtschaftlich durch Teileminimierung und Funktionsintegration Notwendigkeit der Erarbeitung neuer Produktionsmethoden

31 Leichtmetall-Druckguss Ferrari V 12- Kurbelgehäuse aus der Legierung G- AlSi 9 Mg, Sandguss Volvo 6- Zylinder Kurbelgehäuse aus der Al- Legierung GD- AlSi 9 Cu 3, 3 Druckguss, Gewicht 20 kg BMW V 12 Kurbelgehäuse aus einer übereutektischen Legierung, Niederdruck Kokillenguss

32 Audi-Space-Frame beim A2 Al-Druckguss-Integralbauteile Al-Strangpressprofile Al-Bleche Quelle: A.R. Birkert, K. Lagler, Th. Meichsner, H. Winter, in forum Technische Mitteilungen Thyssen Krupp, 2/200 S 36-40

33 Al-Druckguss im Automobilbau Motorträger, S-Klasse Legierung AlSi9MgMn Wärmebehandlung T6 Gewicht: 10.2 kg Größe: 880x720x190 mm Hersteller Honsel Nürnberg Montage Position beim Motorträger der Daimler-Chrysler S-Klasse Alternativen: Verwendung von Strangpressprofilen oder hochdruckumgeformten Rohren

34 Konventionelle Schweißverfahren Entformbarkeit Gießprozess B A U T E I L Q U A L I T Ä T Gussqualität Oberflächengüte Mech. Kennwerte Wärmebehandlung Schweißeignung Klebeignung Lackierfähigkeit

35 Schweißgeeigneter Druckguss 1988 Standardlegierungen 1998 Metall-Dosierung von unten und oben Geschlossene Einfüllöffnung und Start der Evakuierung Zusätzliche Maßnahmen optimierter Trennstoffauftrag angepasste Formfüll- und Anschnittskonzepte Schmelzbehandlung angepasste Evakuierung Optimierung des Gießprozesses Optimierung des Schweißprozesses Evakuierungsende Echtzeit-kotrollierte Formfüllung Optimierte erste Formfüllphase und hohe Evakuierung

36 Reibschweißen Anwendungsbeispiele Neues Verfahren: Rührreibschweißen

37 Effizienz Materialeffizienz durch neue Gestaltungsmöglichkeiten Energieeffizienz durch Verringerung von Ausschuss Prozesseffizienz durch Integration Produktion Energieeffizienz durch leichte, hochfeste und hochsteife Bauteile Betrieb Wirtschaftlichkeit durch Teileminimierung Schweißgeeigneter Druckguss: Wettbewerbsvorteil für deutsche Gießereien

38 Aluminium-Druckguss in Deutschland Elektro Sonstige 7,9% Export 7,4% Automotiv 74,3% 2,6% Motoren 7,3% t Auslieferungsmenge an endbearbeiteten Baugruppen, 2005 Abschätzung Gesamtenergie in der Herstellung CO 2 -Entstehung je kwh Strom ca. 2-4 kwh je kg ca. 660g Druckgießer produzieren ca. 1 Millionen Tonnen CO 2 pro Jahr

39 Energieverschwendung Offene Ofenklappe

40 Handlungsbedarf Potenziale in der Prozesskette 2,4 kwh Restwärme 0,5 kwh bis 5 kwh Verdampfung 1,9 kwh Kühlung 1,6 kwh Kühlung 1,4 kwh Wärmeverlust Trennstoff Gussform 6,9 kwh Gießkolben Schmelze Gießkammer Gießrinne Ofen Fertiges Bauteil Temperier- Geräte 4,8 kw Pheripheriegeräte Umgebung 6,2 kwh Wärmeverluste 8,9 kwh Geräteverluste Energiebilanz des Druckgussprozesses ist durch hohen Energieumsatz gekennzeichnet

41 Handlungsbedarf Potenziale in der Prozesskette Gussteilgewicht/ Gesamtgewicht: min. 30% max. 70% Mit jedem Gussteil geht ein wesentlicher Anteil der eingesetzten Energie nicht in die Wertschöpfung ein

42 Handlungsbedarf Potenziale in der Prozesskette Umschmelzen in Masseln Recycling-Material 30%- 70% Blockmaterial Flüssigmetall Gießprozess Ausschuss 5% - 7% Bauteil Materialverluste 2% - 5% Zunehmend unbefriedigende Ausnutzung von Energie und Rohstoffen

43 Multimaterial Design Mischbauweisen Optimale Materialausnutzung Leichtbaupotential Quelle: Daimler AG Notwendigkeit der Erarbeitung neuer Produktionsmethoden

44 Mixed Material - Sandwich Leicht abgeänderte Voute Rahmen um Fenster, Strangpressprofile Sandwich, Blech-Schaum-GFK, mm Dicke, vorlackierte Bleche Al-Strangpress- Profile Ähnlicher Langträger Türverstärkung aus Sandwichmaterial + Isolation entfällt! + Innenausbau entfällt! Direktverbindung

45 Materialmix S-Klasse weiche Stähle hochfeste Stähle moderne hochfeste Stähle ultrahochfeste Stähle, warmumgeformt Aluminium Kunststoffe Quelle: Daimler AG

46 Klebeumfänge SLK S-Klasse Strukturkleber [m] Stützkleber [m] Dichtkleber [m] 4.842

47 Crashverhalten Probekörper Fmax [kn] Kraftstoß [kns] MT_PG_ ,1 3,2 MT_PG_ ,8 3,2 n = 2 Fmax [kn] Kraftstoß [kns] max 108,1 3,2 min 105,8 3,2 Mittelwert 107,0 3,2 Fügeteilwerkstoff 1 ZStE 260 BH (ZE 75/0), 1,4 Fügeteilwerkstoff 2 ZStE 260 BH (ZE 75/0), 1,5 Kraft-Zeit Diagramm MT_PG_1.1 MT_PG_1.2 Kraft [N] ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0, Zeit [s] Alterung ungealtert Prüftemperatur RT Prüfgeschwindigkeit 11 m/s

48 Crashverhalten Probekörper Fmax [kn] Kraftstoß [kns] MT_EB_1.1 94,0 1,5 MT_EB_1.2 90,6 1,7 n = 2 Fmax [kn] Kraftstoß [kns] max 94,0 1,7 min 90,6 1,5 Mittelwert 92,3 1,6 Kraft-Zeit Diagramm MT_EB_1.1 MT_EB_ Kraft [N] ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0, Zeit [s] Fügeteilwerkstoff 1 ZStE 260 BH (ZE 75/0), 1,4 Fügeteilwerkstoff 2 ZStE 260 BH (ZE 75/0), 1,5 Klebstoff EFBOND EA 100 Aushärtung 180 C, 20 min Ausführung der Klebung Klebung auf Stahloberläche Alterung ungealtert Prüftemperatur RT Prüfgeschwindigkeit 11 m/s

49 Crashverhalten Probekörper Fmax [kn] Kraftstoß [kns] MT_BM_ ,7 3,0 MT_BM_ ,8 3,0 n = 2 Fmax [kn] Kraftstoß [kns] max 120,7 3,0 min 103,8 3,0 Mittelwert 112,3 3,0 Kraft [N] Kraft-Zeit Diagramm MT_BM_1.1 MT_BM_ ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0, Zeit [s] Fügeteilwerkstoff 1 ZStE 260 BH (ZE 75/0), 1,4 Fügeteilwerkstoff 2 ZStE 260 BH (ZE 75/0), 1,5 Klebstoff Betamate 1493 Aushärtung 180 C, 20 min Ausführung der Klebung Klebung auf Stahloberläche Alterung ungealtert Prüftemperatur RT Prüfgeschwindigkeit 11 m/s

50 Fazit Materialeffizienz durch beanspruchungsgerechte Materialauswahl, Energieeffizienz durch optimierte Fügeverfahren Produktion Energieeffizienz durch Leichtbau Betrieb Wirtschaftlichkeit durch Materialvielfalt

51 Altersgerechte Produktion Ältere Arbeitnehmer sind weniger körperlich belastbar Ältere Arbeitnehmer benötigen ein spezielles Arbeitsumfeld Die Arbeitsleistung sollte trotzdem wirtschaftlich sein Es ist notwendig neue Betätigungsfelder/-umfelder für Ältere zu schaffen

52 Altersgerechte Produktion Audi Silver Line Spezielles Produkt Spezielle Fertigungsrandbedingungen Wirtschaftlichkeit von untergeordneter Relevanz Altersgerechte Produktion in Nischen teilweise umgesetzt

53 Intelligente Prozesse Eingangssignale zur Bestimmung der Bewegung Ausgangssignal zur Motorregelung Beschleunigungssensoren

54 Handauftrag Ungeregelter Handauftrag Geregelter Handauftrag Ein spezieller Sensor bestimmt Orientierung Ort Geschwindigkeit Gewünschte Durchflussrate

55 Fazit Durch die Etablierung intelligenter Prozesse können auch manuelle Prozesse effizient und sicher dargestellt werden. Dies ermöglicht eine Ausdehnung manueller Prozesse und eine Arbeitserleichterung, die vor allem auch älteren Personen zu Gute kommt. Produktion

56 Zusammenfassung Effizienz Neue Werkstoffe und Bauweisen benötigen neue Produktionsverfahren Neue, effiziente Prozesse sind kostengünstiger! Zur Planung und Durchführung dieser Prozesse wird erhebliches Know-how benötigt! Die Darstellung einer effizienten Produktion ist Standort sichernd und Standort erhaltend! Es folgt ein Alptraum!

57 Produktionstechnik: Der Schlüssel zur Nutzung innovativer Werkstoffe in modernen Produkten