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
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
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 3-8265-9824-5. 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 3-8265-9824-5 ISSN 0949-4952 Shaker Verlag GmbH Postfach 1290 52013 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de email: info@shaker.de
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
i Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...i Abkürzungsverzeichnis...vi Abbildungsverzeichnis...vii 1 Einleitung...1 1.1 Ziel der Arbeit...1 1.2 Aufbau der Arbeit...2 1.3 Angewandte Methoden...5 1.3.1 Methoden zur Datenerhebung...7 1.3.1.1 Literaturrecherchen... 7 1.3.1.2 Elementare Berechnungen... 7 1.3.1.3 Expertenbefragungen... 7 1.3.1.4 Fragebogenerhebungen... 7 1.3.1.5 Messungen... 7 1.3.2 Methoden zur Darstellung und Modellierung...8 1.3.2.1 Aktivitätenmodell... 8 1.3.2.2 Objektorientiertes Modell... 8 1.3.3 Methoden zur Validierung und Einzelfallanalyse...8 1.3.3.1 Manuelle Überprüfung... 9 1.3.3.2 Elementare Berechnungen... 9 1.3.3.3 Finite-Elemente-Methode... 9 1.3.3.4 Messungen... 9 2 Stand der Erkenntnisse...11 2.1 Industrieller Umweltschutz...11 2.2 Definitionen...13 2.2.1 Modell...13 2.2.2 Produkt...14 2.2.3 Produktionsprozess...14 2.2.4 System...14 2.3 Unterstützung der Produktentwicklung...15 2.4 Technologische Modellierung...17 2.4.1 Prozessmodellierung...17 2.4.1.1 Modellieren des Umformvorgangs... 17 2.4.1.2 Allgemeine Prozessmodellierung... 20 2.4.2 Produktmodellierung...21 2.4.2.1 Physische Modelle... 21 2.4.2.2 Nicht-physische Modelle... 21
ii 2.5 Ökonomische Modellierung...22 2.6 Ökologische Modellierung...24 2.7 Kombinierte Technologische Ökonomische - Ökologische Modellierung...25 3 Einordnung der Arbeit innerhalb des Sonderforschungsbereichs 392...27 3.1 Ziel des Sonderforschungsbereiches 392...27 3.2 Struktur des SFB...28 3.3 Zusammenarbeit...29 4 Ökobilanzierung...31 4.1 Ökobilanz nach DIN EN ISO 14 040 ff...32 4.1.1 Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens...33 4.1.2 Sachbilanzierung nach DIN EN ISO 14 041...33 4.1.2.1 Grundsätze der Modellierung von Produktsystemen zur Sachbilanzierung. 34 4.1.2.2 Bestandteile einer Sachbilanzierung... 35 4.1.3 Durchführung der Wirkungsabschätzung...36 4.1.4 Erstellen der Auswertung...37 4.2 Bewertungsansätze und weitere Bilanzierungsmethoden...38 4.2.1 Bewertung nach Umweltbundesamt...38 4.2.2 Eco-Indicator...39 4.2.3 Kumulierter Energieaufwand (KEA)...40 4.2.4 Materialinput pro Serviceeinheit (MIPS)...40 4.2.5 Meta-Methode nach Atik...41 4.3 EMAS und Umweltmanagementsysteme nach DIN EN ISO 14 001...41 4.4 Gesellschaftliche Relevanz der Ökobilanzierung...42 5 Entwicklung eines flexiblen, objektorientierten und prospektiven Prozessmodells...45 5.1 Notwendigkeit eines Prozessmodells...45 5.2 Anforderungen an das Modell...49 5.2.1 Bilanzierungsgrundsätze...49 5.2.2 Datenqualität und validität...50 5.2.2.1 Definition von Qualität, Validierung und Validität... 50 5.2.2.2 Datenqualität... 51 5.2.3 Abbildung von Datensätzen mit Hilfe von Fuzzy-Sets...52 5.2.4 Konsequenzen für die Prozessmodellierung...54 5.3 Sicherstellung der Anforderungserfüllung...56 5.4 Datenstruktur und Instantiierung...58 5.4.1 Objektorientiertheit...59 5.4.1.1 Aktivitätenmodell... 59 5.4.1.2 Objektorientiertes Modell... 60 5.4.2 Art der verwendeten Daten (Datenbasis)...64
5.5 Prinzipieller Modellaufbau...66 5.5.1 Technologie...67 5.5.2 Ökonomie...68 5.5.2.1 Maschinenstundensatz nach VDMA... 68 5.5.2.2 Prozesskostenrechnung... 69 5.5.2.3 Vereinfachte Kostenermittlung nach VDI 2225... 70 5.5.3 Ökologie...72 6 Besonderheiten der Modellierung umformtechnischer Fertigungsverfahren...73 6.1 Uneindeutige Beziehung zwischen Ausgangs- und Endgeometrie...76 6.2 Bezugsgrößen zur Sachbilanzierung...77 6.3 Formenspektrum und Berechnung der Umformarbeit...79 6.4 Werkstoffeigenschaftsänderung durch den Umformprozess...81 6.5 Notwendigkeit der Wärmebehandlung...83 7 Darstellung anhand von Prozessmodellen ausgesuchter Verfahren der Umformtechnik...85 7.1 Kaltfließpressen...85 7.1.1 Ermittlung der Umformarbeit...86 7.1.1.1 Voll-Vorwärts-Fließpressen... 86 7.1.1.2 Napf-Rückwärts-Fließpressen... 88 7.1.1.3 Stauchen... 89 7.1.1.4 Materialausnutzung... 90 7.1.1.5 Umsetzung im Prozessmodell... 90 7.1.2 Oberflächenbehandlung...91 7.1.2.1 Zinkphosphatschicht... 93 7.1.2.2 Umsetzung im Prozessmodell... 94 7.1.3 Einbeziehung von Presse und Werkzeug in die Bilanzierung...95 7.1.3.1 Relevanz der Pressenherstellung... 95 7.1.3.2 Relevanz der Werkzeugherstellung... 95 7.1.3.3 Umsetzung im Prozessmodell... 96 7.1.4 Vergleich der Arbeitsberechnungen durch FEM und elementare Theorie...96 7.1.5 Exemplarische Messungen...97 7.2 Tiefziehen 101 7.2.1 Bauteileinteilung nach Gestalt...101 7.2.1.1 Ermittlung der Umformarbeit... 101 7.2.1.2 Materialausnutzung... 102 7.2.1.3 Umsetzung im Prozessmodell... 103 7.2.2 Bauteileinteilung nach Verwendungszweck...106 7.2.2.1 Befettung... 107 7.2.2.2 Entfettung... 108 7.2.2.3 Umsetzung im Prozessmodell... 110 7.2.3 Einbeziehung von Presse und Werkzeug in die Bilanzierung...112 7.2.3.1 Relevanz der Pressenherstellung... 112 7.2.3.2 Relevanz der Werkzeugbeschichtungen... 112 7.2.3.3 Umsetzung im Prozessmodell... 113 iii
iv 7.2.4 Eindeutigkeit des Herstellungsverfahrens...113 7.2.4.1 Platinenzuschnitt... 113 7.2.4.2 Umformgrad und Anzahl der Umformstufen... 113 7.2.4.3 Umformgeschwindigkeit... 113 7.2.4.4 Umsetzung im Prozessmodell... 114 7.2.5 Bandbreiten der Massen- und Energieströme beim Tiefziehen...114 7.2.6 Einzelfallanalysen...115 7.2.6.1 Haartrocknergehäuse... 116 7.2.6.2 Staubsaugerklappe... 117 7.2.6.3 Schlussfolgerungen... 118 7.3 Schneiden...119 7.3.1 Einteilung der Schneidverfahren...119 7.3.2 Eindeutigkeit des Herstellungsverfahrens...120 7.3.2.1 Berechnung der Schnittkantenlänge... 122 7.3.2.2 Schnittgeschwindigkeit... 124 7.3.2.3 Umsetzung im Prozessmodell... 124 7.3.3 Schneiden als Teil des Tiefziehens...125 7.3.3.1 Berechnung der Schnittkantenlänge für Tiefziehteile... 125 7.3.3.2 Umsetzung im Prozessmodell... 126 7.4 Gesenkschmieden...126 7.4.1 Bauteileinteilung nach Gestalt...127 7.4.2 Warmfließkurven...128 7.4.3 Werkstückmasse...130 7.4.3.1 Masseverlust durch Zunderbildung... 130 7.4.3.2 Masse für Gratbildung... 130 7.4.3.3 Masse für Bearbeitungszugabe... 130 7.4.3.4 Kombinierte Ermittlung der Werkstückmasse beim Gesenkschmieden... 131 7.4.4 Ermittlung der Umformarbeit...132 7.4.5 Umsetzung im Prozessmodell...133 7.4.5.1 Bestimmung der Werkstückausgangsmasse... 133 7.4.5.2 Berechnung der Umformarbeit... 134 7.4.5.3 Weitere Massenströme... 135 7.5 Wärmebehandlung für das Kaltfließpressen und das Gesenkschmieden...136 7.5.1 Verlauf von Schmiede- und Normalisiertemperatur...136 7.5.2 Ofentypen...136 7.5.2.1 Brennstoffbeheizte Öfen... 136 7.5.2.2 Elektrisch betriebene Öfen... 139 7.5.3 Umsetzung im Prozessmodell...139 7.6 Integriertes Prozessmodell des Umformens...142 8 Zusammenwirken der Modelle...143 8.1 Modellkern...143 8.2 Lebenslaufmodellierer...144 8.3 Prinzipieller Beurteilungsablauf...145
v 9 Zusammenfassung und Ausblick...147 9.1 Zusammenfassung...147 9.2 Diskussion der Arbeit...149 9.3 Ausblick...150 Literatur...153