Titelthema Aufsatz Produktionstechnik, Fertigungstechnik, Forschung Effiziente Produktionstechnologien in der Effizienzfabrik Innovationsplattform Ressourceneffizienz in der Produktion C. Rainfurth, M. Petzold Innovation Produktion Ressourceneffizienz: Das sind die Themen der Innovationsplattform Effizienzfabrik, die auf Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v. (VDMA) ins Leben gerufen wurde. Am 1. September 2009 fiel der Startschuss für das ambi - tionierte Vorhaben, in dessen Mittelpunkt über 30 BMBF-geförderte Verbundprojekte des Förderschwerpunkts Ressourceneffizienz in der Produktion stehen. Efficient production technologies provided by the Effizienzfabrik Innovation platform Resource-efficient production Innovation production resource efficiency: These are the key topics of the innovation platform Effizienzfabrik that has been initiated by the German Ministry of Research and Education and the German Engineering Federation (VDMA). The Effizienzfabrik has started on September 1, 2009 and focuses on 31 research projects funded by BMBF in the field of resource efficient production. 1 Einleitung Der Klimawandel führt dazu, dass die natürlichen Ressourcen knapper und teurer werden. Deshalb rückt das Thema Ressourceneffizienz in allen wirtschaftlichen Bereichen in den Fokus. Diesem Trend müssen sich auch die Unternehmen der Fertigungs- und Verfahrenstechnik sowie die jeweiligen Produktionsausrüster stellen. Dr. Claudia Rainfurth Forschungskuratorium Maschinenbau im VDMA e.v. Lyoner Str. 18, D-60528 Frankfurt/Main Tel. +49 (0)69 / 6603-1876, Fax +49 (0)69 / 6603-1673 E-Mail: claudia.rainfurth@vdma.org, Internet: www.effizienzfabrik.de Dipl.-Ing. Michael Petzold Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Projektträger Karlsruhe, Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) Hallwachsstr. 3, D-01069 Dresden Tel. +49 (0)351 / 463-31469, Fax +49 (0)351 / 463-31444 E-Mail: michael.petzold@kit.edu Internet: www.produktionsforschung.de Um die Wettbewerbsfähigkeit und technologische Spitzenposition der deutschen Industrie zu sichern und auszubauen, sind innovative energie- und materialeffiziente Lösungen nötig. Werden dabei die gesamte Produktionsprozesskette und der Produktlebenszyklus berücksichtigt, sind Energieeinsparpotentiale von bis zu 30 % möglich. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) trägt dieser Tatsache mit der Förderung von 31 Verbundprojekten im Bereich Ressourceneffizienz in der Produktion umfassend Rechnung und investiert eine Fördersumme von mehr als 50 Millionen Euro. Der Förderschwerpunkt Res - sourceneffizienz ist Bestandteil der Hightech-Strategie der Bundes regierung und fügt sich in das BMBF-Rahmenkonzept Forschung für die Produktion von morgen ein. Von den Forschungsergebnissen sollen möglichst viele unterschiedliche Zielgruppen, insbesondere die produzierenden Unternehmen, profitieren. Deshalb wurde eine gemeinsam vom BMBF und vom Verband Deutscher Maschinen-und An - lagenbau (VDMA) getragene Innovationsplattform Ressourceneffizienz in der Produktion kurz Effizienzfabrik ins Leben gerufen. Sie ist am 1. September 2009 an den Start gegangen und wird ebenso wie die 31 Verbundprojekte für vier Jahre mit Mitteln des BMBF im Rahmenkonzept Forschung für die Produktion von morgen gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. 2 Die Verbundprojekte im BMBF-Förderschwerpunkt Ressourceneffizienz in der Produktion Im Mittelpunkt der Effizienzfabrik stehen die 31 Verbundprojekte, in denen über 200 Partner aus Industrie und Wissenschaft gemeinsam ressourceneffiziente Produktionsmethoden entlang der Wertschöpfungskette entwickeln. Dabei werden Lösungen in fünf Themenfeldern erforscht. 2.1 Effiziente Fertigungs- und Verfahrenstechnik: Neue Technologien Ohne Fertigungs- und Verfahrenstechnik ist eine industrielle Produktion undenkbar. Längst bestimmen Rohstoffund Energiekosten maßgeblich den Preis des Endprodukts. Durch effiziente Technologien des Maschinen- und Anlagen - baus sind heute im Vergleich zu vor zehn Jahren jährliche 424
Konkretes Projektbeispiel: EcoRepair In der Herstellung von Sanitärkeramik konnte der vergleichsweise hohe Energieverbrauch bereits durch moderne Ver - fahrenstechniken wie den Druckguss gesenkt werden. Für die Reparatur von Glasurfehlern, die in der Produktion von Sanitärkeramik zwangsläufig auftreten, ist jedoch nach wie vor ein hoher zusätzlicher Energieaufwand erforderlich. Die Entwicklung neuartiger Reparaturwerkstoffe und Brennöfen soll die Energieeffizienz deutlich erhöhen. Glasartige Beschichtungen und so genannte Nanobinder härten bei deutlich niedrigeren Temperaturen aus als herkömmliche Glasuren und eignen sich damit hervorragend als ressourcenschonende Werkstoffe für die Keramikreparatur. Die Materialeigen - schaften werden im Rahmen des Projekts sukzessive optimiert. Ergänzend erfolgt die Entwicklung einer Thermoprozessanlage für das Niedertemperatur-Sintern, so dass insgesamt etwa 30 % weniger Energie benötigt wird als beim herkömmlichen Fertigungsprozess für Sanitärkeramik. Mit der Kombination aus neuartigen Materialien und dem darauf abgestimmten Thermoprozess könnte allein am Standort des Industriepartners der jährliche Energiebedarf um bis zu 15 Giga wattstunden verringert und damit der CO 2 -Ausstoß um etwa 3000 Tonnen gesenkt werden (Bild 1). 2.2 Effiziente Fertigungs- und Verfahrenstechnik: Simulation und Bewertung Bild 1. Titelmotiv des Projekts EcoRepair: Effiziente Reparatur von Sanitärkeramiken Energiekosteneinsparungen in Höhe von 6,7 Milliarden Euro möglich. Der Anteil der Energiekosten liegt in vielen Branchen immer noch weit über 10 %, so dass auch zukünftig hohe Einsparpotentiale vorhanden sind. In diesem Themenfeld gibt es folgende Projekte: EcoRepair: Effiziente Reparatur von Sanitärkeramiken EffiPressOr: Effiziente Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden ENERMASS: Effizientes Massivumformen von Stahl ENITEC: Energieeffiziente Prozesse für die Keramik herstellung ENTEX: Effiziente Technologien zur Textilveredelung INTEK: Integriertes Entwicklungszentrum für Spezial kautschuk LaFueSol: Laserfügen für Rohrgläser von Solarreceivern Große Potentiale für eine energie- und ressourcen - schonende Fertigungs- und Verfahrenstechnik liegen in der ganzheitlichen Betrachtung, Bewertung und Entwicklung der komplexen Prozessketten. Auf diese Weise können Energiekostentreiber identifiziert und optimiert werden. Transparenz über Verbräuche und Simulationsmodelle sind ferner die Basis dafür, moderne Energiemanagement-Methoden erfolgreich einzuführen. BEAT: Ganzheitliche Bewertung der Energieeffizienz alternativer Technologieketten ENERWELD: Effiziente thermische Fügeverfahren EnHiPro: Energie- und hilfsstoffoptimierte Produktion e-simpro: Effiziente Produktionsmaschinen durch Simulation in der Entwicklung ProGRess: Effiziente Prozessketten beim Aluminium druckguss rebop: Bewertung und Optimierung von Produktions prozessen ReVista: Ressourcen- und verfügbarkeitsorientierte Instandhaltungsstrategien ZuPrEff: Effiziente Temperaturregelung in der Kunststoffverarbeitung Konkretes Projektbeispiel: rebop 40 % des deutschen Energieverbrauchs gehen auf das Konto der Industrie. Obwohl im Zeitraum zwischen 1960 und 2000 der spezifische Energiebedarf um 64 % gesenkt wurde, ist das Ressourceneffizienzpotential in der Produktion weiterhin hoch. So muss beispielsweise in der Automobilindustrie beim Zuschneiden von Karosserieblechen nach wie vor bis zu 50 % des verwendeten Materials entsorgt werden. Um Produktionsprozesse hinsichtlich ihrer Ressourceneffizienz vergleichbar und bewertbar zu machen, soll im Projekt rebop ein ganzheitliches Konzept zur umfassenden Bewertung und Optimierung von Prozessketten und Anlagen entwickelt und beispielhaft implementiert werden. Der Prozess des Presshärtens von Karosserieteilen dient als Grundlage für die Methodik, die in vier Schritten erfolgt. Zunächst wird eine Vorgehensweise zur Auswertung und Optimierung der Kennzahlen entwickelt, die die Erfassung der prozessrelevanten Daten einschließt. Auf Basis dieser Ergebnisse wird eine Analyse und Visualisierungssoftware entwickelt, die zur technischen und organisatorischen Optimierung von Produktionsprozessen eingesetzt werden kann. Das ganzheitliche Konzept schafft Transparenz über Schwachstellen und Optimierungsmöglichkeiten und kann 425
Bild 2. Titelmotiv des Projekts rebop: Bewertung und Optimierung von Produktionsprozessen Bild 3. Titelmotiv des Projekts NCplus: Effiziente Steuerung von Werkzeugmaschinen somit auch zur Qualitätssteigerung, etwa im Automobilbau, beitragen (Bild 2). 2.3 Effiziente Produktionsmaschinen und -anlagen Die Zeiten, in denen Produktionsmaschinen und Produktionsanlagen als Effizienz-Black-Box angesehen wurden, sind vorbei. Die integrierte und detaillierte Betrachtung von Kernkomponenten und Baugruppen trägt wesentlich zur Effizienzsteigerung in der Produktion bei. Eine aufeinander ab - gestimmte Fahrweise sowie technologische Verbesserungen sind mögliche Maßnahmen. EnergieMSP: Effiziente Motorspindel für Werkzeug maschinen EWOTeK: Effizienter Energieeinsatz für Werkzeugmaschinen NCplus: Effiziente Steuerung von Werkzeugmaschinen Konkretes Projektbeispiel: NCplus Eine neuartige Strategie zum Energiesparen im Werkzeugmaschinenbau ist die bedarfsgerechte Ansteuerung und Abschaltung von Maschinenkomponenten. Denn je nach Maschinentyp und Bearbeitungsprozess werden nur 20 % bis 80 % der von der Maschine aufgenommenen Energie für die Zer - spanung aufgewendet. Die übrige Energie wird für Neben - aufgaben eingesetzt. In diesem Bereich soll der Energie - verbrauch mit Hilfe des Projekts NCplus minimiert werden. Ein integriertes Fluid- und Thermikkonzept fasst die Kühlkreisläufe der Maschine zusammen und ermöglicht eine prozess - abhängige und bedarfsgerechte Kühlung. Durch Verbesserungen an der Hauptspindel wird es möglich, diese auf einem höheren Temperaturniveau zu betreiben. Ein weiterer Schwerpunkt ist die gezielte Ansteuerung der Achsen, um sie im Stillstand abzuschalten, sofern es der Prozess zulässt. Für diesen Zweck wird eine schnelle und spielfreie Bremse entwickelt. Ein übergeordnetes Energiemanagement, das auch die Peripherie-Komponenten intelligent ansteuert, rundet die Maßnahmen ab. Die Untersuchungen bauen auf Messungen der Energieflüsse bei typischen Prozessen auf. Die Wirk - samkeit der Maßnahmen wird anhand eines Prototyps nachgewiesen. Die Ergebnisse können auf einen Großteil der Maschinen in der spanenden Fertigung direkt übertragen werden (Bild 3). 2.4 Funktionale Oberflächen Funktionale Oberflächen bestimmen wesentlich die Verschleiß- und Reibungseigenschaften der Produkte. Diese Eigenschaften sind wiederum von großer Bedeutung, wenn es um die Erhöhung der Effizienz der Produkte in deren Nutzungsphase geht. Die gezielte Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften durch lokale Mikro- und Nanostrukturierung der Bauteiloberflächen erweitert außerdem die Funktionalität von Produkten. 426
Konkretes Projektbeispiel: NANODYN Durch eine nanoskalig strukturierte Beschichtung können Oberflächen und deren Benetzungsverhalten so verändert werden, dass die Ressourceneffizienz der Produkte aufgrund verminderter Reibungs- und Verschleißverluste maßgeblich verbessert wird. Die Vereisung von Flugzeugflügeln und Windrädern ist beispielsweise ein komplexes Problem, das durch gezielte Veränderung der Oberflächeneigenschaften beeinflusst werden kann. Die aufwändige Heizung der Flügelvorderkanten kann so reduziert und Flugbenzin sowie CO 2 -Emissionen eingespart werden. Ziel des Projekts NANODYN ist die Entwicklung einer Produktionstechnik, die durch lokal strukturierte Oberflächenbeschichtungen effizientere Bauteilfunktionen ermöglicht. Mikro- und nanoskopische Vorgänge auf reibenden sowie be- und entnetzenden Oberflächen zu untersuchen und zu simulieren, sind weitere wichtige Aspekte dieses Projektes. Dabei wird der Ansatz verfolgt, die technischen Anforderungen auf die Grenzflächenbeschaffenheit zurückzuführen und sie durch eine nanoskalig strukturierte Schicht zu beeinflussen. Im Ergebnis stehen Prozesse und Anlagen für den industriellen Einsatz zur Verfügung, durch die Benetzungseigenschaften gezielt eingestellt werden können. Diese Technologie kann vielfältig eingesetzt werden, so für Bauteile aus der Luftfahrt und für die Beschichtung von Bandwaren und Wälzlagern (Bild 4). 2.5. Fertigungsbedingte Produkteigenschaften Bild 4. Titelmotiv des Projekts NANODYN: Effiziente Fertigung plasmastrukturierter Oberflächen LOKEDEL: Effiziente Fertigungstechnik zur Oberflächenveredelung NANODYN : Effiziente Fertigung plasmastrukturierter Oberflächen Nanoefficiency: Effiziente Filtration durch Antifouling schichten ODPat: Plasmabeschichtungstechnik für Aluminiumbauteile OPTILIGHT: Effiziente Fertigung von Hybridoptiken P3T: Modulare Fertigung strukturierter Metallschichten Smartsurf: Funktionale Oberflächenstruktur durch Lasertechnik Aufgrund komplexer Anforderungen an Produkte, etwa Getriebewellen oder Turbinenschaufeln, ist es wichtig, bereits während der Fertigung die Weichen für unterschiedlichste Produkteigenschaften so zu stellen, dass sich Bauteil- be - ziehungsweise Produktfunktionalitäten verbessern und der spätere Einsatz effizienter erfolgen kann. Dazu sind flexible, integrative und effiziente Fertigungsprozesse unabdingbar. EFFICOAT: Effiziente Fertigungsprozessketten mit integrativen Beschichtungstechnologien FlexWB: Passgenaue Bauteileigenschaften durch flexible Wärmebehandlung FunkProMikro: Funktionsorientiert geregelte Mikrofertigungsprozesse KAMASS: Hochleistungsbauteile durch effizientes Kaltumformen PlanPP: Effizientes Planungswerkzeug zur funktionsorientierten Hartfeinbearbeitung SPRAYFORMING: Effiziente Fertigung dünnwandiger Formen für die Kunststoffindustrie Konkretes Projektbeispiel: KAMASS Die Kaltumformung einbaufertiger Bauteile ist eine energiesparende Alternative zu herkömmlichen Herstellungsmethoden. Konventionelle Prozessketten wie Schmieden, Härten und anschließende spanende Nachbearbeitung sollen im Rahmen des Projekts KAMASS vollständig durch die Kaltumformung ersetzt werden. Die energieintensive Erwärmung der Bauteile beim Schmieden und Härten auf bis zu 1000 C ist damit nicht mehr notwendig. Bei Ausbringungsraten von bis über hundert Teilen pro Minute liegt die Materialausnutzung bei bis zu 100 % und damit viel höher als bei der spanenden Fertigung. Die Kaltumformung ist insbesondere für die Herstellung von Hochleistungsbauteilen, beispielsweise im Antriebsstrang, Getriebe- und Fahrwerkbereich, von Interesse, da die Um - formung zur Verfestigung des Werkstoffs führt. Zusätzlich wirken sich der nicht unterbrochene Faserverlauf, Druckeigen - spannungen sowie die riefenfreie Ober fläche positiv auf die Belastbarkeit kaltumgeformter Bauteile aus. Im Projekt wird deshalb die Beeinflussung dieser Werkstoff- und Bauteileigenschaften in Abhängigkeit der Prozessauslegung untersucht und modelliert, so dass sie bereits im Herstellungs - prozess aktiv optimiert werden können. Von den Ergebnissen können alle Unternehmen, die sich mit dem Leichtbau und hoch beanspruchten Bauteilen beschäftigen, profitieren (Bild 5). 427
Bild 5. Titelmotiv des Projekts KAMASS: Hochleistungsbauteile durch effizientes Kaltumformen 3 Aktivitäten der Effizienzfabrik Die Effizienzfabrik kommuniziert die neuesten Forschungsergebnisse der 31 Verbundprojekte des BMBF Förderschwerpunkts Ressourceneffizienz in der Produktion. Die Ergebnisse der Projekte und der Umfeldanalyse werden einer Vielzahl von Industrieunternehmen zugänglich gemacht. Das Angebot der Innovationsplattform lässt sich in drei Bereiche aufteilen: Informationen rund um das Thema Ressourceneffizienz in der Produktion : Die Effizienzfabrik ist zentraler Anlaufpunkt, um sich über aktuelle Trends und Termine sowie über technische Details zur Produktionsforschung im Bereich Ressourceneffizienz zu informieren. Unterstützung des Ergebnistransfers aus den Forschungsprojekten in eine Vielzahl produzierender Unternehmen: Die in den Verbundprojekten erzielten Ergebnisse werden durch vielfältige Transfermaßnahmen begleitet. Potentielle Anwender finden so schneller zu den Projekten und Lösungen, die ihnen bei ihren Fragestellungen weiterhelfen. Netzwerk aus Industrie, Wissenschaft, Politik und Öffentlichkeit: Durch eine Vielzahl von branchen- und themenspezifischen Veranstaltungen bringt die Effizienzfabrik die Experten der Produktionsforschung zusammen und dient als Plattform für einen regen Erfahrungsaustausch. Die Effizienzfabrik wird vom VDMA koordiniert und inhaltlich vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Karlsruhe, begleitet. Neben der Information über die 31 Verbundprojekte stehen inhaltliche Aspekte im Vordergrund. Es geht darum, alle Projekte systematisch zu analysieren, Synergiepotentiale zu identifizieren und Forschungsergebnisse zu bündeln, um auf diese Weise ganzheitliche Lösungen für eine ressourceneffiziente Produktion zu erarbeiten. Ein wichtiges Ergebnis wird eine Navigationslogik sein, die Interessenten zielgenau zur passenden Lösung für ihre produktionstechnischen Fragestellungen führt. Ein essentielles Element für den Erfolg der Innovationsplattform ist der rege Austausch zwischen den Projektkonsortien aber auch mit nicht geförderten Unternehmen. Nach der erfolgreichen Auftaktveranstaltung am 27. Januar 2010 in Berlin sind eine Reihe themenspezifischer Veranstaltungen geplant. Dazu zählen vor allem Veranstaltungen, auf denen Forschungsergebnisse und Innovationstrends im Bereich Ressourceneffizienz vorgestellt werden. Weitere Möglichkeiten, sich über die Effizienzfabrik beispielsweise via Newsletter zu informieren, finden Interessierte unter der Internetadresse www.effizienzfabrik.de.? 428