Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovationen in der Produktionstechnik. Werkstoffbasierte Energie- und Ressourceneffizienz

Transkript

1 Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovationen in der Produktionstechnik Werkstoffbasierte Energie- und Ressourceneffizienz - Die richtige Wahl - Thomas Grund

2 Werkstoffbasierte Energie- und Ressourceneffizienz Inhalt Einleitung Werkstoffauswahl Werkstofflebenszyklus Handlungsfeld Werkstoffe Beispiel: Simulation thermischer Spritzprozesse Weitere Beispiele 2

3 Einleitung Werkstoffe und Produkte Quelle: Vorlesung Werkstoffauswahl (Prof. Lampke, Dipl.-Ing. Zillmann) 3

4 Einleitung Werkstoffeffizienz Quelle: Vorlesung Werkstoffauswahl (Prof. Lampke, Dipl.-Ing. Zillmann) 4

5 Werkstoffauswahl aus werkstofftechnischer Sicht 5

6 Werkstoffauswahl aus produktionstechnischer Sicht Quelle: Vorlesung Werkstoffauswahl (Prof. Lampke, Dipl.-Ing. Zillmann) Gestaltungsmöglichkeit PRODUKT Werkstoff Fertigungsverfahren 6

7 Werkstoffauswahl aus ökonomischer Sicht Quelle: Vorlesung Werkstoffauswahl (Prof. Lampke, Dipl.-Ing. Zillmann)C 7

8 Werkstoffauswahl aus ökologischer Sicht Rohstoffverbrauch Primärenergiebedarf Abfallprodukte bei der Fertigung toxische Wirkung des Werkstoffs bzw. von Abprodukten Schadstoffausstoß Korrosionsverhalten Recycling Energiebedarf beim Recycling Deponierbarkeit 8

9 Allgemeine Werkstoffauswahl Quelle: Vorlesung Werkstoffauswahl (Prof. Lampke, Dipl.-Ing. Zillmann)C 9

10 Allgemeine Werkstoffauswahl Werkstoffdatenbanken Bücher 1 Waterman, N. A.; Ashby, M. F.: Elsevier Materials Selector ; ISBN Wegst, C. W.: Stahlschlüssel ; ISBN Aluminiumtaschenbuch (3 Bd.); ISBN X, ISBN , ISBN Altenpohl, D.: Aluminium von Innen, ISBN Carlowitz, B.: Kunststoff-Tabellen ; ISBN Hellerich, W.; Harsch, G.; Haenle, S.: "Werkstoff-Führer Kunststoffe ; Beitz, W.; Küttner, K.-H.: Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau ; ISBN Schatt, W.; Simmchen, E.; Zouhar, G. Konstruktionswerkstoffe des Maschinen- und Anlagenbaus ; ISBN Tabellenbuch Metall; ISBN ASM Handbook (21 Bd.) 11 Howard E. Boyer, Timothy L. Gall (Herausgeber): Metals Handbook ; X 12 Merkel, M.; Thomas, K.-H. Taschenbuch der Werkstoffe ; ISBN Datenbanken an der TU Chemnitz 13 Perinorm (DIN- und VDI-Volltexte) 14 Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams Werkstoffdatenbank Stahl StahlWissen NaviMat XL Scopus (Literaturdatenbank) 18 StN-Servicezentrum (Literaturdatenbank und Werkstoffkennwerte) 10

11 Allgemeine Werkstoffauswahl Weitere Datenbanken 19 ASM International - Binary Alloy Phase Diagrams 20 WST 1 (350 Stähle, 150 Nichteisen-Metallegierungen inkl. chem. Zusammensetzungen) 21 Fezen - WS-Datenbank für ANSYS 22 Cambridge Engineering Selector - CES (phys., chem. und mech. Werkstoffkennwerte) 23 WIAM Metallinformation (Datenbank für Metalle, IMA Dresden) Demoversion frei 24 weitere Datenbanken unter Weblinks Internet-Informationen und -Datenbanken 25 (Materialwissenschaftliches Online-Informationssystem) 26 (Kunststoffe, Metalle, Verbundwerkstoffe, Superlegierungen) 27 (Infos über Keramikauswahl, -einsatz, -eigenschaften) 28 (Beratungsdienst) 29 (Titanhersteller) 30 (Gesamtverband der Aluminiumindustrie - GDA) 31 (hitze-, korrosions- und säurebeständige Stähle) 32 (hitze- und korrosionsbeständige Werkstoffe auf Fe-und Ni-Basis) 33 (Info über Schweißeignung) (homepage des Stahl-Zentrums) 36 (Stahllieferant) 37 (Stahllieferant) 38 (Stahllieferant) 11

12 Erweiterter Werkstofflebenszyklus 12

13 Reduzierter Werkstofflebenszyklus (Werkstoffbezogene Fertigung in eniprod) 13

14 Forschungsgebiete des HF Werkstoffe Erhöhen der Einsatzfähigkeiten von Leichtmetallen, Faserverbundwerkstoffen, Keramiken und Kunststoffen Rechnergestützte Effizienzsteigerung / Funktionalisierte Schichten und Strukturen Beschichtungs-, Füge-, Fertigungs- und Umformprozesse Werkstoff Verfahren/ Strukturen Großserientaugliche Fertigungstechnologien für Leicht- und Mischbauweisen Falt-Wickel-Technologie, Ausformfügen Produktion 14

15 Aufgaben des HF Werkstoffe 15

16 Simulation Thermischer Spritzprozesse Definition Thermisches Spritzen (DIN EN 657) 16

17 Simulation Thermischer Spritzprozesse TS-Schichten 17

18 Simulation Thermischer Spritzprozesse HVOF-Systeme Kanalsystem-Gasmischblock Drallkanäle Laval-Innenkontur Pulverinjektorinsert 18

19 Simulation Thermischer Spritzprozesse HVOF-Schichten 19

20 Simulation Thermischer Spritzprozesse HVOF-Schichten 20

21 Simulation Thermischer Spritzprozesse HVOF-Prozesse Wirtschaftlichkeit ist ein Maß für die Effizienz Wirtschaftlichkeit = erreichtes Ergebnis / benötigten Mitteleinsatz und wird in unserem Fall vorrangig durch die Kosten der Beschichtung bestimmt (Investitionskosten der Anlage, Betriebskosten, Betriebsstoffe, elektrische Energie, Verschleißteile, Personal und Pulverkosten). Anschaffungskosten Kombianlage: Euro Beschichtungskosten (WC-Co-Cr) / m 2 : 750 (Schichtdicke von 350 µm) Problem: Geringer Auftragswirkungsgrad von durchschnittlich 50 %. Ethen 110l/min Sauerstoff 240l/min Druckluft 360l/min elekt. Energie 10kW/h 70 g/min Pulver Spritzpulver! Lösung: An den Beschichtungswerkstoff angepasste Expansionsdüsen 60-70% Gesamtkosten 21

22 Simulation Thermischer Spritzprozesse Angepasste HVOF-Prozesse 22

23 Simulation Thermischer Spritzprozesse Angepasste HVOF-Prozesse Porosität < 1% Auftragwirkungsgrad: 80 % WC-Co WC-Co x 23

24 Simulation Thermischer Spritzprozesse Anwendung: Beschichten von CFK-Walzen Angepasste thermische Spritzprozesse zur Metallisierung von Kunststoffen Möglichkeit zur spanenden Nachbearbeitung der Schichten gegeben Lichtbogengespritzte Aluminium-Grundschicht auf einem CFK (Haftgrund für weiteren Metall- oder Keramikschichtaufbau) Mit Stahl beschichteter hybrider Kugelgewindetrieb während der spanenden Nachbearbeitung (Drehen) 24

25 Weitere Ergebnisbeispiele im HF Werkstoffe Faserverbundwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen: Verpressen unidirektionaler Viskosefaser-Vorlagen mit PLA-Biopolymerfolie (Polyactid) Schmelzbad-Wickelprozess zur Herstellung von Viskosefaser-PLA-Verbundrohren 25

26 Weitere Ergebnisbeispiele im HF Werkstoffe Thermomechanische Behandlung - TMB-Simulator Steuerung der Temperatur und der Umformung in ihrem zeitlichen Ablauf um gezielt bestimmte Werkstoffzustände und -eigenschaften einzustellen. TMB-Simulator: flexibler TMB-Prozess zur Ermittlung von Materialdaten für die FEM Energie- und Temperaturmessung Regressionsmodell TMB-Simulator Kopplung mit FEM 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dieses Projekt wird gefördert von der Europäischen Union aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) sowie aus Landesmitteln des Freistaats Sachsen. 27