Prozessüberwachung/Fertigungsdatenerfassung

Die Erfassung verlässlicher Prozessdaten ist eine entscheidende Maßnahme zur Optimierung von Produktionsprozessen. Diese Daten ermöglichen fundierte Entscheidungen und die Identifikation von Schwachstellen sowie Verbesserungspotenzialen. Moderne Maschinen verfügen in der Regel über Sensoren und Kommunikationstechnologien, während ältere Bestandsmaschinen oft ohne diese Schnittstellen auskommen müssen. Um auch deren Produktionsdaten und Zustandsinformationen nahtlos in das Produktionssystem zu integrieren, können sie mit moderner Technologie nachgerüstet werden.

Die Digitalisierung dieser Maschinen ermöglicht die kontinuierliche Erfassung von Zustandsinformationen und Prozessparametern. Die daraus resultierende Prozessüberwachung und die Analyse der gewonnenen Daten bilden die Grundlage zur Ermittlung optimaler Prozessparameter. Die Anpassung dieser Parameter kann sowohl die Durchlaufzeiten reduzieren als auch die Ressourceneffizienz steigern.* VDI Zentrum Ressourceneffizienz: Ältere Maschinen mittels Retrofit für Industrie 4.0 bereit machen.(online) (zuletzt aufgerufen am 29.11.2024).

Instandhaltung

Ein wichtiger Baustein für ein effizientes Qualitätsmanagement ist eine gut durchdachte Instandhaltungsstrategie. Durch gezielte Inspektionen, regelmäßige Wartungen, schnelle Instandsetzungen und kontinuierliche Verbesserungen wird sichergestellt, dass Produktionsausfälle vermieden und ein durchgängiger Produktionsbetrieb gewährleistet werden.

Gute Instandhaltungsstrategien bieten zahlreiche Vorteile. Sie tragen zur Maximierung der Ressourceneffizienz bei, indem der Abnutzungsgrad von Verschleißteilen optimal ausgenutzt wird, ohne die Qualität oder den Produktionsfluss zu beeinträchtigen. Zudem werden der Ausschuss und die Anzahl der Fehlteile reduziert, was zu erheblichen Ressourceneinsparungen führt. Dies bedeutet weniger Materialverbrauch, geringere Kosten und eine nachhaltigere Produktion.

Nachfolgend werden vier mögliche Instandhaltungsstrategien vorgestellt, die aufbauend jeweils einen höheren Digitalisierungsgrad erfordern, aber auch ein höheres Potenzial zur Ressourceneinsparung aufweisen.* Strunz, M. (2012): Instandhaltung – Grundlagen - Strategien - Werkstätten, Springer Vieweg, Berlin, ISBN 978-3-642-27390-2.

1. Reaktive Instandhaltung: Maßnahmen werden ergriffen, sobald ein Fehler auftritt.
2. Präventive Instandhaltung: Um Ausfälle zu verhindern, werden regelmäßige Wartungsarbeiten geplant und durchgeführt.
3. Zustandsbasierte Instandhaltung: Prozesse werden kontinuierlich überwacht. Bei Überschreitung spezifischer Parameter wird ein Instandhaltungsauftrag ausgelöst.
4. Prädiktive Instandhaltung: Es kommt zu dem Einsatz fortschrittlicher Datenanalyse und Machine-Learning-Algorithmen, um zukünftige Ausfälle vorherzusagen un rechtzeitig Maßnahmen zu ergreifen. 

Prozesswärme

In nahezu jeder industriellen Produktion entstehen Energieverluste durch Abwärme. Um diese Verluste zu minimieren, sollte im ersten Schritt die richtige Dimensionierung der Anlage überprüft werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Leistung an den tatsächlichen Energiebedarf angepasst ist, damit die Energieverluste so gering wie möglich gehalten werden. Doch selbst wenn die Leistung der Anlage genau auf die Anforderungen abgestimmt ist, lässt sich der Energieverlust durch Abwärme nicht vollständig vermeiden.

Ungenutzte Energie, die in Form von Abwärme verloren geht, bietet ein enormes Potenzial zur Energieeinsparung und Kostensenkung. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, müssen effiziente Lösungen zur Aufbereitung und Weiternutzung der Prozesswärme gefunden werden.

© Eigene Darstellung auf Basis von Simon Hirzel, Benjamin Sontag, Clemens Rohde (2013): Industrielle Abwärmenutzung [abgerufen am: 13.09.2024], verfügbar unter: https://www.isi.fraunhofer.de/content/dam/isi/dokumente/cce/2013/Kurzstudie_Abwaermenutzung.pdf

1. Anlagen- bzw. prozessinterne Nutzung:  Die naheliegendste Variante der Abwärmenutzung besteht darin, die entstandene Abwärme derselben Maschine oder Anlage erneut zuzuführen. Diese Methode wird als Wärmerückgewinnung bezeichnet.
2. Betriebsinterne Nutzung: Betriebsintern kann die Abwärme auf verschiedenen Wegen genutzt werden:
   - Als Prozesswärme für andere Anlagen oder Maschinen
   - Zur Beheizung von Büro- und Produktionshallen, durch Aufbereitung der warmen Luft oder als Wärmequelle für den Betrieb einer Wärmepumpe
3. Externe Nutzung: Findet die Abwärme keine Verwendung in der Produktionsstätte, kann sie standortübergreifend in ein Wärmenetz eingespeist werden.* Simon Hirzel, Benjamin Sontag, Clemens Rohde (2013): Industrielle Abwärmenutzung (abgerufen am: 13.09.2024).

Angepasste Steuerungstechnik und Produktionsmittel

Moderne Maschinen und Anlagen zeichnen sich gegenüber Bestandsmaschinen nicht nur durch fortschrittliche Technologien aus, die innovative Fertigungsverfahren ermöglichen und ganze Produktionsschritte einsparen oder effizienter gestalten. Sie verfügen auch über einzelne Komponenten, die erheblich leistungseffizienter arbeiten und somit signifikante Energieeinsparungen ermöglichen. 

Sowohl bei der Anschaffung neuer Maschinen als auch bei der Überholung bestehender Einheiten sollte auf eine bedarfsgerechte Dimensionierung und die Einstellung passender Prozessparameter geachtet werden. Die Auswahl der Maschinenleistung sollte sich dabei an der erforderlichen Last orientieren. Überdimensionierte und auch unterdimensionierte Maschinen können zu einem unnötig hohen Energieverbrauch und Qualitätsproblemen führen.* Friese, M. (2020): Warum elektromechanische Komponenten der Fluidtechnik den Rang streitig machen (online) (abgerufen am: 21.06.2024).

Neben den gewählten Prozessparametern und der Dimensionierung spielen die Qualität und Langlebigkeit der Maschinen eine wichtige Rolle. Während diese Faktoren bei der Neuanschaffung von Maschinen gezielt beeinflusst werden können, lassen sich Bestandsmaschinen nur durch den Austausch ihrer Komponenten gegen energieeffizientere Ersatzteile verbessern.

Im Folgenden soll für die Aufrüstung von Bestandsmaschinen aufgeführt werden, welches Potenzial elektromechanische Aktuatoren im Vergleich zu pneumatischen und hydraulischen Komponenten bieten.

Elektromechanische Aktuatoren bieten im Vergleich zu pneumatischen und hydraulischen Systemen erhebliche Vorteile in Bezug auf die Energieeffizienz. Während elektromechanische Aktuatoren im Ruhezustand keine Energie benötigen, müssen pneumatische und hydraulische Systeme kontinuierlich Kompressoren sowie Pumpen betreiben, um betriebsbereit zu bleiben. 

Ein weiterer Vorteil elektrischer Aktuatoren besteht in ihrer geringeren Anzahl unterschiedlicher Komponenten. Dies reduziert nicht nur die Systemkomplexität, sondern auch den Wartungsaufwand erheblich. Pneumatische und hydraulische Systeme hingegen bestehen aus zahlreichen Bauteilen, die häufig anfällig für Leckagen und andere Ausfälle sind.

Neben der energieeffizienten Gestaltung von Maschinen und Anlagen ist es ebenso wichtig, dass die Auslegung der gesamten Prozesskette in der Produktion optimal aufeinander abgestimmt ist. Vor allem bei Prozessen, die viel Wärme benötigen, spielt ein durchgängiger Materialfluss eine relevante Rolle. 

Die Steuerung von Maschinen und Anlagen lässt sich durch die Modellierung und Simulation der Betriebsabläufe signifikant verbessern. Aufgrund des Einsatzes intelligenter Steuerungssysteme können beispielsweise energieintensive Prozesse nur bei Bedarf eingeschaltet werden.* Drescher, U. (2011): Linearaktuatoren ersetzen Hydraulik- und Pneumatikzylinder (online) (abgerufen am: 21.06.2024).