FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPE RESSOURCENEFFIZIENTE MECHATRONISCHE VERARBEITUNGSMASCHINEN Ressourceneffizienz in der Produktion Innovationstreiber für Unternehmen Beispiele aus dem Leichtbau und der CFK-Fertigung 15.05.2013 Dr.-Ing. Johannes Schilp 1
Vorstellung des iwb und der Fraunhofer IWU Projektgruppe RMV Unternehmensplanung und -organisation Mechatronische Produktionssysteme Fertigungs- und Montagetechnologie 2 2
Ausgangssituation Auswirkungen des Ressourcenverbrauchs Reichweite ausgewählter Rohstoffe in Jahren (statisch) Blei Kupfer Wolfram Erdöl 0 20 20 32 40 39 45 Jahre 60 20 10 0 1970 Steigende Energiepreise Globaler Energieverbrauch [Mrd. toe/a] 1990 2010 2030 500 250 0 1996 Erzeugerpreisindex Erdöl Verbraucherpreisindex Brennstoffe 2000 2004 2008 9 8,0 7,0 6 Politische Regulierungen Globale CO2- Emissionen [GtC/a] 1992 1996 2000 2004 2008 EU Richtlinien Post-Kyoto- Prozess Steigende Preise der CO 2 -Zertifikate Vergünstigungen/ Sanktionen Veränderte Kundenanforderungen Sind die Menschen gewillt, für nachhaltige Produkte einen höheren Preis zu bezahlen? 5% 15% Quellen: Thomson Reuters, BMWI, Max-Planck-Institut für Meteorologie, BMU (2008) 35% 45% sehr stark eher stark eher weniger gar nicht 3
Ausgangssituation Defizite und Potentiale in der Produktion Fehlendes Bewusstsein für Energie- und Ressourcenverbrauch Mangel an Kennzahlen für Energieproduktivität Fokus nicht auf Energieverbrauch Auswertungsmöglichkeiten von Kennzahlen fehlen Defizite im Wissen über Einsparpotenziale Energiekosten lediglich auf Werks- oder ggf. Bereichsebene verfügbar Fehlendes Wissen über Referenzprozesse Keine Abschätzungen von Einsparpotenzialen Mangel an Wissen über Optimierungsmöglichkeiten Fehlende Transparenz über technologische Alternativen Mangel an methodischem Vorgehen Getrennte Verantwortung von Energie Potenziale Energieverbrauchsreduktion um 30 % Einsparungen bis 2020 von bis zu 11 Mrd. Reduzierung der Materialkosten um 20 % Quellen: LEP, demea 4
Zielsetzung Handlungsfelder Ebene Prozess/Maschine Ebene Fabrik Ebene Netzwerk Bewertung der Ressourceneffizienz von Fertigungsprozessen Energiewertstrombezogene Optimierung von Prozessketten Bewertung der Energieeffizienz im Produktionsnetzwerk 5
Wirkleistung Maschine Ebene Prozess Bilanzierung von Fertigungsprozessen Fertigungsprozess: Ausführen einer Technologie auf einem Betriebsmittel Die Quantifizierung des Input-Energiestroms erfolgt zustandsbasiert: Technologie Betriebsmittel 12 12000 10000 kw 8 8000 6 6000 Spindel an Zerspanprozess Achsbewegungen Standby Beispiel: Zerspanprozess Stahl Produkt Späne Energie Energie KSS KSS Sonst. Sonst. 4 4000 2 2000 0 Spindel aus Standby 0 20 40 60 80 100 120 140 s 180 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Zeit Zustand Leistung [kwh] Zeit [s] Standby 2 1800 System aktiv 4,3 150 im Eingriff 10 20 6
Ressourceneffiziente Gitterstrukturen Kraftflussgerechte Optimierung von Gitterstrukturen Motivation Hohes Leichtbaupotenzial von Gitterstrukturen Regelmäßiger Aufbau von Gitterstrukturen führt zu ungünstigen Spannungszuständen Zielsetzung Aufbau eines Modells zur Beschreibung der anisotropen, geometrieabhängigen Materialeigenschaften von Gitterstäben Anpassung von Gitterstrukturen an den Kraftfluss im Bauteil Anpassung der Stabdurchmesser an die vorherrschenden Belastungen Entwicklung eines Softwaretools zum automatisierten Design kraftflussangepasster Gitterstrukturen Konventionelles Design von Gitterstrukturen Kraftflussoptimierung Untersuchungen anhand eines biegebelasteten Balkens 7
Ressourceneffiziente Maschinenelemente Konturnah gekühltes Zahnrad durch Additive Fertigung Motivation Verlustleistung in Getrieben durch Planschen (Aufwühlen des KSS) Großteil des KSS wird zur Kühlung benötigt Große Gestaltungsfreiheit durch Additive Fertigung Zielsetzung Reduktion des KSS durch eine in das Zahnrad integrierte konturnahe Kühlung Wirkungsgradsteigerung durch Reduktion von Planschverlusten Partner und Förderer Ein- / Auslass Wiederholende Schichterzeugung Kanal 1 cm Schichtauftrag Bauteilplattform um eine Schichtdicke absenken Verfestigung der Schicht 8
Ressourceneffiziente Sandwichbauteile Defizite bei der Herstellung von Sandwichbauteilen mit Wabenkern Anpassung an gekrümmte Bauteiloberflächen nur mit Einschränkungen möglich Verzug der einzelnen Waben Keine Optimierung des Wabenkerns bzgl. Belastungen innerhalb der Struktur möglich Leichtbaupotenzial kann nicht optimal ausgenutzt werden Hoher Arbeits- und Kostenaufwand bei Integration von Inserts Integralbauweise bei Sandwichbauteilen nur bedingt einsetzbar Einsparung von Prozess- und Fertigungskosten Insert Honigwabe Einbettmasse Epoxid-Harz 9
Ressourceneffiziente Sandwichbauteile Vorgehensweise und ausgewählte Ergebnisse Optimierung des Wabenkerns Anpassung an beliebige Freiformfläche Belastungsgerechte Anpassung von: Wandstärke Wabendurchmesser Direkte Integration von Funktionselementen Automatisierung mittels Software-Tool Herstellung mit additiven Fertigungsverfahren in der Prozesskette Integration von Inserts 10
Ressourceneffiziente Sandwichbauteile Vorgehensweise und ausgewählte Ergebnisse Entwicklung einer Prozesskette für den Aufbau von gekrümmten CFK-Sandwich-Bauteilen Schaffung einer geeigneten Klebefläche Optimierung der Integralbauweise Reduzierung des Telegraphing-Effekts Bewertung Wirtschaftlich Technologisch 11
Ressourceneffizienz in der Produktion Herstellung von trockenen Preforms Automatisiertes Legen und Fixieren von trockenen CF-Textilien Selektive Greiffläche Integrierte Heizung Integrierte Sauglüfter Drapieren konkaver Strukturen end-effector mold mold Modell des entwickelten Endeffektors Auftraggeber: Drapieren konkaver Strukturen Roboterendeffektor zum automatisierten Preforming 12
Ressourceneffizienz in der Produktion Konzepte zum automatischen Entformen und zur anschließenden Handhabung der Preform Validierung der Konzepte durch Vorversuche auf Wirkprinzipebene in Versuchsumgebung Erstellen von roboterbasierten Endeffektor-Konzepten in CAD-Umgebung ausgefahrene Auswerferplatten seitliche Luftabstreifer Vorversuche zum automatischen Entformen Roboterendeffektor für Preformhandling 13
Ressourceneffizienz in der Produktion Konzeption eines Prepreg-Endeffektors Identifikation von Wirkprinzipien für Teilschritte Handhabung Ablösen der Schutzfolie Abziehen der Schutzfolie Vakuumgreifer Einsatz von Kälte Druckluft und Klemmgreifer 14
Ressourceneffizienz in der Produktion Automatisierte Handhabung großflächiger trockener Textilien Herausforderungen und Zielsetzung Konzeption, Konstruktion und Inbetriebnahme eines Handhabungswerkzeugs zum Drapieren großflächiger formlabiler CFK- Zuschnitten zum Ablegen in eine doppelt sphärisch gekrümmte Form Aufbau von Prozessverständnis zur Qualifizierung des Handhabungswerkzeugs. Vorgehensweise Analyse und Weiterentwicklung verschiedener Wirkprinzipien zur automatisierten Handhabung der Textilien 15
Ressourceneffiziente Bearbeitung Flexibles Spannsystem für die Bearbeitung von Faserverbundbauteilen Problemstellung Fixierung unterschiedlich geformter Bauteile Kombinierte Bearbeitung durch Fräsen und Laserschneiden Hohe Anforderungen an Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit der Bauteile Vorgehensweise Konzeption und Realisierung einer Anlage mit integrierter Aktorik und Sensorik Aufbau von Prozesswissen und Validierung durch Bearbeitungsversuche Partner und Förderer Simulation Ansteuerbefehle Simulationsdaten Steuerung & Regelung Flexibles Spannsystem Bearbeitungskräfte & Schwingungen 16
Green Factory Bavaria Ausgewählte Schwerpunkte der Green Factory Augsburg Produktionsprozesse Montageprozesse Handhabung flexibler Bauteile (z.b. CFK) Lackierprozesse Weitere Prozesse Kombination zu einem Produktionsprozess Betriebsorganisation & Auftragsabwicklung Langfristige Aspekte (z.b. Planung ressourceneffizienter Fabriken) Kurzfristige Aspekte (z.b. Energieflexibilität zur Reaktion auf Schwankungen) Fabrikgebäude & -ausrüstung Wechselwirkungen zwischen Gebäude, Produktionsanlangen und Gebäudeausrüstung Bau eines nachhaltigen Gebäudes Bilder: Kaeser 17
Ressourceneffizienz in der Produktion Zusammenfassung und weiterführende Forschungsarbeiten Zusammenfassung Steigender Ressourcenverbrauch bei gleichzeitig zunehmenden Rohstoffpreisen Entwicklung und Optimierung von Leichtbaustrukturen mittels additiver Fertigung Automatisierung von Teilprozessen in der Faserverbundfertigung Weiterführende Forschungsarbeiten Integration von Lösungen zur Qualitätssicherung Erhöhung der Robustheit der Handhabungsprozesse (auch hinsichtlich Automobil- und Serienfertigung) 18
Johannes Schilp Dr.-Ing. Projektgruppe Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen Beim Glaspalast 5 I 86153 Augsburg Telefon +49 821 56883-21 I Fax -50 Johannes.Schilp@iwu.fraunhofer.de www.iwu.fraunhofer.de 19