Objektorientierte Prozessmodelle zur prospektiven Sachbilanzierung umformtechnisch hergestellter Bauteile

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1 Objektorientierte Prozessmodelle zur prospektiven Sachbilanzierung umformtechnisch hergestellter Bauteile Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte D i s s e r t a t i o n vorgelegt von Dipl.-Ing. Gerold Freiherr von Schlotheim aus Darmstadt Berichterstatter Mitberichterstatter Prof. em. Dr.-Ing. D. Schmoeckel Prof. Dr.-Ing. H. Birkhofer Tag der Einreichung 4. September 2001 Tag der mündlichen Prüfung 21. November 2001 Darmstadt 2001 D 17

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3 Berichte aus Produktion und Umformtechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Dieter Schmoeckel Objektorientierte Prozessmodelle zur prospektiven Sachbilanzierung umformtechnisch hergestellter Bauteile. Gerold Freiherr von Schlotheim BAND 52 D 17 (Diss. TU Darmstadt) Shaker Verlag Aachen 2002

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Schlotheim, Gerold Freiherr von: Objektorientierte Prozessmodelle zur prospektiven Sachbilanzierung umformtechnisch hergestellter Bauteile / Gerold Freiherr von Schlotheim. Aachen : Shaker, 2002 (Berichte aus Produktion und Umformtechnik ; Bd. 52) Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2001 ISBN Copyright Shaker Verlag 2002 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Produktionstechnik und Umformmaschinen der TU Darmstadt. Sie ist das Resultat meiner Forschung im Sonderforschungsbereichs 392 Entwicklung umweltgerechter Produkte Instrumente, Arbeitsmittel und Methoden. Ganz herzlich bedanke ich mich bei Herrn Prof. em. Dr.-Ing. D. Schmoeckel, dem ehemaligen Leiter des Fachgebiets, dafür, dass er mir die Anfertigung dieser Arbeit ermöglichte, sie betreute und mit wertvollen Anregungen meine wissenschaftliche Neugier förderte. Ich bedanke mich bei ihm auch für die sehr angenehme und konstruktive Arbeitsatmosphäre am Fachgebiet. Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Birkhofer danke ich für die Übernahme des Koreferats und die anregenden Diskussionen über diese Arbeit ebenso wie für seine Tätigkeit als Sprecher des Sonderforschungsbereiches 392, womit er den Rahmen für diese Arbeit legte. Herrn Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. P. Groche, dem jetzigen Leiter des Fachgebiets Produktionstechnik und Umformmaschinen, danke ich für die Möglichkeit, die Forschungsarbeit fortzuführen, und für die konstruktiven Hinweise. Den Studien- und Diplomarbeitern A. Benli, O. Diehl, M. Hülswitt, A. Matzke, N. Stephan und W. Üblacker gilt mein Dank für ihre Arbeit und die interessanten Unterhaltungen, ohne die diese Arbeit nicht die vorliegende Form hätte. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft danke ich für die Finanzierung meiner Tätigkeit im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 392. Meinen Freunden und Kollegen danke ich für die schöne Zeit in Darmstadt, die mir unvergesslich bleiben wird. Ein besonderer Dank geht an meine Eltern, die mich während meiner ganzen Ausbildung, aber besonders auch während der Zeit des Anfertigens dieser Dissertation außergewöhnlich unterstützt haben. Stuttgart, Januar 2002 Gerold Frhr. v. Schlotheim

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7 i Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...i Abkürzungsverzeichnis...vi Abbildungsverzeichnis...vii 1 Einleitung Ziel der Arbeit Aufbau der Arbeit Angewandte Methoden Methoden zur Datenerhebung Literaturrecherchen Elementare Berechnungen Expertenbefragungen Fragebogenerhebungen Messungen Methoden zur Darstellung und Modellierung Aktivitätenmodell Objektorientiertes Modell Methoden zur Validierung und Einzelfallanalyse Manuelle Überprüfung Elementare Berechnungen Finite-Elemente-Methode Messungen Stand der Erkenntnisse Industrieller Umweltschutz Definitionen Modell Produkt Produktionsprozess System Unterstützung der Produktentwicklung Technologische Modellierung Prozessmodellierung Modellieren des Umformvorgangs Allgemeine Prozessmodellierung Produktmodellierung Physische Modelle Nicht-physische Modelle... 21

8 ii 2.5 Ökonomische Modellierung Ökologische Modellierung Kombinierte Technologische Ökonomische - Ökologische Modellierung Einordnung der Arbeit innerhalb des Sonderforschungsbereichs Ziel des Sonderforschungsbereiches Struktur des SFB Zusammenarbeit Ökobilanzierung Ökobilanz nach DIN EN ISO ff Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens Sachbilanzierung nach DIN EN ISO Grundsätze der Modellierung von Produktsystemen zur Sachbilanzierung Bestandteile einer Sachbilanzierung Durchführung der Wirkungsabschätzung Erstellen der Auswertung Bewertungsansätze und weitere Bilanzierungsmethoden Bewertung nach Umweltbundesamt Eco-Indicator Kumulierter Energieaufwand (KEA) Materialinput pro Serviceeinheit (MIPS) Meta-Methode nach Atik EMAS und Umweltmanagementsysteme nach DIN EN ISO Gesellschaftliche Relevanz der Ökobilanzierung Entwicklung eines flexiblen, objektorientierten und prospektiven Prozessmodells Notwendigkeit eines Prozessmodells Anforderungen an das Modell Bilanzierungsgrundsätze Datenqualität und validität Definition von Qualität, Validierung und Validität Datenqualität Abbildung von Datensätzen mit Hilfe von Fuzzy-Sets Konsequenzen für die Prozessmodellierung Sicherstellung der Anforderungserfüllung Datenstruktur und Instantiierung Objektorientiertheit Aktivitätenmodell Objektorientiertes Modell Art der verwendeten Daten (Datenbasis)...64

9 5.5 Prinzipieller Modellaufbau Technologie Ökonomie Maschinenstundensatz nach VDMA Prozesskostenrechnung Vereinfachte Kostenermittlung nach VDI Ökologie Besonderheiten der Modellierung umformtechnischer Fertigungsverfahren Uneindeutige Beziehung zwischen Ausgangs- und Endgeometrie Bezugsgrößen zur Sachbilanzierung Formenspektrum und Berechnung der Umformarbeit Werkstoffeigenschaftsänderung durch den Umformprozess Notwendigkeit der Wärmebehandlung Darstellung anhand von Prozessmodellen ausgesuchter Verfahren der Umformtechnik Kaltfließpressen Ermittlung der Umformarbeit Voll-Vorwärts-Fließpressen Napf-Rückwärts-Fließpressen Stauchen Materialausnutzung Umsetzung im Prozessmodell Oberflächenbehandlung Zinkphosphatschicht Umsetzung im Prozessmodell Einbeziehung von Presse und Werkzeug in die Bilanzierung Relevanz der Pressenherstellung Relevanz der Werkzeugherstellung Umsetzung im Prozessmodell Vergleich der Arbeitsberechnungen durch FEM und elementare Theorie Exemplarische Messungen Tiefziehen Bauteileinteilung nach Gestalt Ermittlung der Umformarbeit Materialausnutzung Umsetzung im Prozessmodell Bauteileinteilung nach Verwendungszweck Befettung Entfettung Umsetzung im Prozessmodell Einbeziehung von Presse und Werkzeug in die Bilanzierung Relevanz der Pressenherstellung Relevanz der Werkzeugbeschichtungen Umsetzung im Prozessmodell iii

10 iv Eindeutigkeit des Herstellungsverfahrens Platinenzuschnitt Umformgrad und Anzahl der Umformstufen Umformgeschwindigkeit Umsetzung im Prozessmodell Bandbreiten der Massen- und Energieströme beim Tiefziehen Einzelfallanalysen Haartrocknergehäuse Staubsaugerklappe Schlussfolgerungen Schneiden Einteilung der Schneidverfahren Eindeutigkeit des Herstellungsverfahrens Berechnung der Schnittkantenlänge Schnittgeschwindigkeit Umsetzung im Prozessmodell Schneiden als Teil des Tiefziehens Berechnung der Schnittkantenlänge für Tiefziehteile Umsetzung im Prozessmodell Gesenkschmieden Bauteileinteilung nach Gestalt Warmfließkurven Werkstückmasse Masseverlust durch Zunderbildung Masse für Gratbildung Masse für Bearbeitungszugabe Kombinierte Ermittlung der Werkstückmasse beim Gesenkschmieden Ermittlung der Umformarbeit Umsetzung im Prozessmodell Bestimmung der Werkstückausgangsmasse Berechnung der Umformarbeit Weitere Massenströme Wärmebehandlung für das Kaltfließpressen und das Gesenkschmieden Verlauf von Schmiede- und Normalisiertemperatur Ofentypen Brennstoffbeheizte Öfen Elektrisch betriebene Öfen Umsetzung im Prozessmodell Integriertes Prozessmodell des Umformens Zusammenwirken der Modelle Modellkern Lebenslaufmodellierer Prinzipieller Beurteilungsablauf...145

11 v 9 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Diskussion der Arbeit Ausblick Literatur...153