Quelle: ETA-Fabrik

 

„Die Fertigungstechnik ist der Schlüssel für fast jedes Industrieunternehmen, und es sollte unsere größte Anstrengung sein, darin gut zu sein“, sagt Eberhard Abele, Professor am Lehrstuhl für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen an der Technischen Universität Darmstadt. Als Projektleiter untersucht er im BMWi-geförderten Vorhaben ETA-Fabrik gemeinsam mit rund 35 Partnern, wie sich das Zusammenwirken von Produktionskette und Gebäude im Gesamtsystem Fabrik energetisch optimieren lässt. Abele ist Ansprechpartner des vom BMWi initiierten Forschungsfelds Fertigungstechnik, das unter dem Dach des Forschungsnetzwerks in Industrie und Gewerbe alle Aktivitäten einer effektiven und effizienten Forschung dieses Schlüsselthemas bündelt und zusammenfasst.

Die Fertigung ist das Rückgrat der deutschen Volkswirtschaft. Hunderttausende Arbeitsplätze in der Industrie sind in Deutschland direkt in der Fertigung oder mit dem Umfeld der Fertigung verbunden. Auf Unternehmen der Fertigungstechnik entfällt ein bedeutender Anteil des Endenergiebedarfs im verarbeitenden Gewerbe. Dieser liegt je nach Methodik der Bilanzierung bei 15 bis 25 Prozent.

Mit einer langfristigen Orientierung in Forschung und Entwicklung und über die Grenzen von Einzelvorhaben hinweg unterstützen die Forschungsfelder ein konzeptionelles Vorgehen der Forschungsförderung. Der Blick richtet sich im Forschungsfeld Fertigungstechnik gleichermaßen auf die Optimierung einzelner Fertigungsschritte wie auch auf die Energieeffizienz ganzer Verfahren bis hin zur energetischen Interaktion des Produktionsprozesses mit dem Fabrikgebäude.

Zum Forschungsfeld Fertigungstechnik zählt die energetische Optimierung von Maschinen und Anlagen in sämtlichen Fertigungsverfahren, die für die Bearbeitung von Werkstoffen und zur Herstellung von Erzeugnissen eingesetzt werden: Einzelprozesse wie Aufheizen, Reinigen, Zerspanen, Löten, Tiefziehen, Plasmaentfetten, Digitaldrucken, Wellpappeverkleben, Plasmabeschichten, Vliesverfestigen, Extrudieren, Scherschneiden, Zerspanen, Honen, Zerstäuben, Aerosolabscheiden etc.

Die Forschung und Entwicklung innovativer, energieeffizienter Lösungen unter Berücksichtigung der gesamten Produktionsprozesskette sowie des gesamten Produktlebenszyklus ist notwendig, um die Wettbewerbsfähigkeit und technologische Spitzenposition der deutschen Industrie in der Fertigung zu sichern und weiter auszubauen. „Jedes Unternehmen ist individuell und hat eigene Maschinen- und Fertigungsprozesse. Einmal gefundene energieeffiziente Lösungen können nicht eins zu eins übertragen werden – das ist für Forschung und Entwicklung eine große Herausforderung“, sagt Abele. Das vernetzte Zusammenarbeiten von Politik, Wirtschaft und Forschung im Forschungsfeld Fertigungstechnik nutzt Synergien und ermöglicht einen schnellen Transfer von Forschungsergebnissen und neuen Technologien in die industrielle Verwertung.

Wie sich der Energiebedarf von Werkzeugmaschinen in der Produktion zum Teil mehr als halbieren lässt, haben Wissenschaftler der Technischen Universität Darmstadt gemeinsam mit Partnern aus der Industrie im abgeschlossenen Forschungsvorhaben Maxiem gezeigt. Im Projekt GEAR FORM entwickelt das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) mit Experten der Industrie ein neues Walzverfahren, um Großzahnräder für Windräder, Schiffsantriebe, Kraftwerksturbinen oder Bergbaumaschinen energie- und ressourcensparend herzustellen.

Im Forschungsfeld Fertigungstechnik richten die beteiligten Akteure den Blick auf die energetischen Zusammenhänge in Prozessketten, um auch dann noch wirkungsvolle Effekte zu erzielen, wenn die Optionen zur Optimierung von Einzelprozessen ausgeschöpft sind: Wie können alle Maschinen untereinander, mit der Gebäudetechnik und der Gebäudehülle vernetzt werden, sodass Energie optimal genutzt und eingespart werden kann?

In der vom BMWi mit rund acht Millionen Euro geförderten ETA-Fabrik (Energieeffiziente Fabrik für interdisziplinäre Technologie- und Anwendungsforschung) sind Gebäude und alle Produktionsschritte energetisch eng miteinander vernetzt – damit ist die ETA-Fabrik eine Demonstrationsanlage und ein bislang einmaliges Forschungsprojekt mit Vorbildcharakter. Hier wird eine industrielle Fertigung am Beispiel einer Metallverarbeitung in ihrer Gesamtheit betrachtet und die energetische Optimierung des Gesamtsystems im Zusammenspiel von Produktionskette und Gebäude untersucht. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass hier durch das optimale Zusammenwirken bisher unabhängig betrachteter Bereiche bis zu 40 Prozent an Primärenergie eingespart werden kann.

Für die energieeffiziente Fabrik der Zukunft sind Akteure verschiedenster Bereiche gefragt zusammenzuarbeiten, um die Einsparpotenziale nutzbar zu machen. „Sie brauchen den Fertigungstechniker, der die Maschine kennt, den Maschinenbauer beziehungsweise Ingenieur, der den Drehprozess versteht, einen Gebäudemanager und noch viele weitere Personen aus unterschiedlichsten Forschungsbereichen“, so Eberhard Abele über seine Erfahrungen aus dem Forschungsvorhaben ETA-Fabrik. Alle zusammen ermöglichen mit ihrer Expertise und ihrem Know-how einen Wissenstransfer und eine besonders effiziente Energienutzung.

Das Forschungsfeld Fertigungstechnik hat sich zur Aufgabe gemacht, diese Art von Kooperationen zwischen Forschungsinstituten und Industrieunternehmen noch weiter auszubauen und zu intensivieren. „Mit der ETA-Fabrik haben wir Einsparpotenziale zum Teil nur erkannt, weil wir die Prozesse aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet haben“, so Abele. Die zunehmende Bedeutung disziplinübergreifender Zusammenarbeit ist entscheidend, um exzellente und praxisnahe Forschungsergebnisse in der Fertigungstechnik zu erzielen. Die besten Innovationen werden erreicht, wenn das Wissen aller erforderlichen Fachrichtungen in einem Forschungsvorhaben zusammengetragen wird. Das Forschungsfeld Fertigungstechnik bildet einen verlässlichen Rahmen, in dem die Expertise auch langfristig zwischen den Vorhaben weitergegeben wird.

Eine der größten Herausforderungen ist es, einzelne Fertigungsschritte nicht mehr separat zu betrachten und energetisch zu optimieren, sondern vor- und nachgelagerte Prozesse sowie die Peripherie genau zu berücksichtigen. Die Optimierung der gesamten Prozesskette muss in Zukunft aus ökologischer, ökonomischer sowie aus Sicht der Qualität betrachtet werden.

Die Forschung und Entwicklung innovativer, energieeffizienter Lösungen unter Berücksichtigung der gesamten Produktionsprozesskette sowie des gesamten Produktlebenszyklus ist notwendig, um die Wettbewerbsfähigkeit und technologische Spitzenposition der deutschen Industrie in der Fertigung zu sichern.

Das Forschungsfeld Fertigungstechnik vernetzt Akteure und Themen der Branche, führt Forschungsergebnisse zusammen und sichert damit Deutschlands Position im Wettbewerb. Auf der Suche nach neuen Verfahren und vielversprechenden Lösungsansätzen, die Energieeffizienz in der Fertigung zu verbessern, wird man sich künftig auch mit der Integration weiterer Schlüsseltechnologien wie beispielsweise der Nano-, Kunststoff- oder Bioverfahrenstechnik beschäftigen. „Bei Werkzeugmaschinen werden etwa schon heute energieärmere Materialien verwendet, aber das Potenzial ist in der Fertigung noch längst nicht ausgereizt“, sagt Abele. Aufgabe von Forschung und Entwicklung ist es, diese Forschungsansätze in der Fertigungstechnik weiterzudenken und Produkte beziehungsweise Verfahren zu entwickeln, sodass die Fertigung in Zukunft mit alternativen Werkstoffen auskommt.

Eine wichtige Frage beim Umgang mit energieintensiven Materialien in der Fertigung ist das Recycling. Wie kann es Forschung und Entwicklung gelingen, die Recyclingquote bei diesen Werkstoffen weiter anzuheben? Exemplarisch ist hier das Forschungsprojekt RETURN zu nennen: Hier arbeiten Forscher daran, bei der zerspanenden Fertigung von Titanbauteilen künftig mindestens 70 Prozent der Titanabfälle mit möglichst hoher Qualität wiederzugewinnen und so die Energie für die Gewinnung neuer Rohstoffe einzusparen.

Der Grad der Automatisierung und Digitalisierung in der Fertigung nimmt, ebenso wie der Strombedarf, weiter zu. Hier eröffnen sich für die Energieeffizienz neue Wege. Maschinen und Anlagen sind in der Lage, genau definierte Abläufe automatisiert zu reproduzieren, und mit Sensoren auf sich ändernde Parameter in der Fertigung zu reagieren. „In der ETA-Fabrik haben wir etwa eintausend Sensoren. Das sind eintausend Messgrößen, die einen bestimmten Zustand in Gesamtsystem beschreiben. Diese Informationen nutzen wir, um die Fabrik energieeffizient zu steuern“, erklärt Abele. Er ist davon überzeugt, dass in der Sensortechnik noch viele Potenziale einer energieeffizienten Fertigung für Deutschland liegen. Zukünftig müssten Roboter und Produktionsmaschinen kognitiv und intelligent sein.

Additive Fertigung – besser bekannt als 3D-Druck – wird die industrielle Wertschöpfungskette verändern und gehört zu den Herausforderungen in der Fertigungstechnik. Im Gegensatz zu den subtraktiven (Drehen, Fräsen) und formativen (Gießen, Schmieden) Verfahren erlauben additive Fertigungsverfahren die Herstellung komplexer Geometrien und innerer Strukturen auf Basis einer schichtweisen Konstruktion. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Bereits jetzt hält diese Technologie in der Montage Einzug und wird auch bald in anderen Industriebereichen eingesetzt. Die meistgenutzten Verfahren in der additiven Fertigung sind das Extrusionsverfahren und die pulverbasierten Verfahren. „Das sind sehr energieintensive Prozesse, die mit dem 3D-Druck auf uns zukommen. Dies steht unserem Gedanken, energieeffizienter zu fertigen, zunächst einmal entgegen“, sagt Eberhard Abele und beschreibt damit den Blickwinkel der Energieforschung auf das Thema additive Fertigung. Dabei könnte die additive Fertigung durchaus Beiträge zur Energieeffizienz leisten, etwa durch schnell verfügbare Prototypen in komplexen Entwicklungsprojekten oder in der Kleinserienfertigung. Die Informations- und Kommunikationstechnologien werden dabei immer wichtiger, um das volle Potenzial der Technologie auszuschöpfen. Maßnahmen rund um Lebensdauer, Wartung und kontinuierliche Prozessqualität von Maschinen, Anlagen und Verfahren sind weitere Fragestellungen des Forschungsfelds Fertigungstechnik, die zur Steigerung der Energieeffizienz in der Industrie und damit zum Erfolg der Energiewende beitragen.

Technische Universität Darmstadt
Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele
abele@ptw.tu-darmstadt.de  

Projektträger Jülich
Dr. Claus Börner
c.boerner@fz-juelich.de