Planung ressourceneffizienter Fertigungsprozesse

Teil 1 >  Ressourceneffizienz, Anwendungsbereich, Grenzen
Teil 2 >  Wege der Umsetzung und Beispiele

AUSWAHL VON MASCHINEN UND PROZESSKETTEN

Zur Herstellung eines Produktes bestehen in vielen Fällen alternative Möglichkeiten mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen. Die Auswahl eines effizienten Verfahrens kann dabei zu erheblichen Ressourceneinsparungen führen.

Als maßgebliche Entscheidungskriterien für eine systematische Auswahl zwischen verschiedenen Fertigungsoptionen können Basis- und Performanceanforderungen unterschieden werden. Basisanforderungen kennzeichnen insbesondere den technischen Anwendungsfall, wie z. B. die Eignung eines trennenden Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstoffs. Daher stellen diese Randbedingungen in der Regel K.O.-Kriterien zur Vorauswahl infrage kommender Verfahren dar. Performance-Kriterien hingegen erlauben einen größeren Spielraum bei der Entscheidungsfindung, z. B. um Trade-offs im Fall von Zielkonflikten zu ermöglichen [2]. Klassische Performance-Kriterien der Arbeitsplanung sind unter anderem die Qualität der Verarbeitung, die Durchlaufzeit, Investitionsvolumen und Betriebskosten sowie die Flexibilität des Verfahrens. An dieser Stelle muss auch die prozessbedingte Ressourceneffizienz in Form der Materialausnutzung und des Energiebedarfs mit berücksichtigt werden [2].

Im Fall einer strategischen Investition in Maschinen sind zur Minimierung des Ressourcenaufwandes zusätzlich weitere Faktoren zu berücksichtigen. Hierbei ist insbesondere die Langlebigkeit der Anlage wichtig. Diese wird maßgeblich durch den Aufwand für Wartung und Reparatur sowie durch den Preis bzw. die zukünftige Verfügbarkeit von Ersatzteilen bedingt. Bestenfalls steht hier ein Condition Monitoring zur Verfügung, welches die Möglichkeit bietet, alle Informationen zum aktuellen Maschinen- und Werkzeugzustand automatisch an Leitstände zu übermitteln und so im Notfall eingreifen zu können. Außerdem wäre hier die Etablierung einer prädiktiven Instandhaltung sinnvoll, die bereits vor einem Fehler der Maschine entsprechende Warnsignale liefert und so teure Ausfallzeiten vermeidet [3, S. 7]. Die hierfür notwendigen Möglichkeiten, Daten zu sammeln und diese auch über standardisierte Protokolle, wie z. B. Open Platform Communications (OPC), weiterzuleiten, bieten gleichfalls eine Grundlage für andere Anwendungen im Kontext von 4.0 (z. B. Selbststeuerung) und für übergreifende Energiemanagementsysteme (siehe auch Integration mit Manufacturing Execution Systems (MES) [4]). Aus energetischer Sicht ist hier auch die selbstständige Optimierung des Energieverbrauchs wichtig, indem Maschinen bei Leerläufen automatisiert in Stand-by-Modi wechseln und die abgerufene Leistung bedarfsgerecht bereitstellen (z. B. durch drehzahlgeregelte Motoren).

Um das zukünftige Zielbild einer digital integrierten Produktion umzusetzen, stellt die "Intelligenz" der Maschinen aus den genannten Gründen eine wesentliche Voraussetzung dar. Damit einhergehen müssen allerdings auch eine einfache Bedienung und eine Minimierung des Schulungsbedarfes der Mitarbeiter. Die Integration mit virtuellen Prozessketten zur prospektiven Absicherung der Fertigung ist hier ein eminenter Bestandteil. Hierbei sollte insbesondere eine Fehlbenutzung der Anlagen ausgeschlossen werden, um die Sicherheit der Mitarbeiter zu garantieren und Verlust bzw. Ausschüsse zu vermeiden (z. B. Simulation zur Vermeidung von Kollisionen bei der CNC-Bearbeitung).

-> Beispiel

Planung einer ressourceneffizienten Technologiefabrik

Wenn Veränderungen an der Produktion vorgenommen werden, erfolgt dies in den meisten Fällen auf dem Brownfield. Hierdurch ergeben sich oftmals viele Einschränkungen, z. B. aufgrund bestehender Infrastrukturen oder Limitationen des Platzbedarfes. Nur in den wenigsten Fällen besteht die Möglichkeit, eine Anlage komplett neu zu planen und die hier anfallenden Stoff- und Energieströme direkt unter Gesichtspunkten der Ressourceneffizienz zu optimieren.

Eines der Beispiele, in denen diese Vorgehensweise umgesetzt wurde, ist die Technologiefabrik Scharnhausen der Firma Festo. In der neu konzipierten Fabrik wurden von Beginn an zahlreiche Innovationen im Hinblick auf die Ressourceneffizienz mitgedacht. So erfolgte die Planung in diesem Fall mittels eines Sankey-Diagrammes in Verbindung mit einer umfassenden Lebenszykluskostenbetrachtung. Auf diese Weise wurden z. B. Maschinen ausgewählt, die Betriebsmittel anhand einer Minimalmengenschmierung und entsprechender Möglichkeiten der Dosierung sparen. Darüber hinaus fand die Einführung eines effizienten zentralen Druckluftsystems statt. Der Luftdruck sowie der aktuelle Energieverbrauch aller Anlagen können hier in Echtzeit nachverfolgt werden. An Lernständen werden Mitarbeiter außerdem dafür sensibilisiert, wie diese aktiv dazu beitragen können, Ressourcen in der Produktion einzusparen (z. B. durch den richtigen Umgang mit Druckluft). Letztlich wurde bei der Fabrikplanung darauf geachtet, das Gebäude der Fabrik im Einklang mit den hier ablaufenden Prozessen zu betrachten. Hierdurch wird z. B. Prozessabwärme zur Heizung des Produktionsgebäudes genutzt [5].

DIMENSIONIERUNG

Eines der wesentlichen Ziele bei der Auslegung von Produktionsmitteln ist die Vermeidung einer Über- oder Unterdimensionierung, da hiermit in den meisten Fällen unnötige Ressourcenverbräuche einhergehen. Der Grad der Einflussmöglichkeit auf die Dimensionierung einer Maschine unterscheidet sich dabei erheblich.

Wird die Maschine über einen Hersteller bzw. über den Sekundärmarkt (off-the-shelf) bezogen, ist der Grad der Einflussnahme auf die Dimensionierung zumeist gering und bezieht sich vor allem auf die Wahl zwischen diskreten Produktvarianten mit vordefinierten Geometrien und Leistungsklassen. Aus Sicht der Ressourceneffizienz ist hier vor allem die Auswahl der Maschinenleistung in Abhängigkeit der tatsächlichen Last wichtig, da die Maschine nur so auf einem effizienten Betriebspunkt arbeiten kann. Generell sollten die Maschinen auch so ausgewählt werden, dass die Nennleistung im Betrieb tatsächlich ausgeschöpft wird. Ist die Anlage überdimensioniert, fällt der Energieverbrauch sowohl in der Nutzung als auch im Stand-by-Betrieb höher aus [6, S. 594]. Hier ist jedoch eine Betrachtung des Gesamtsystems notwendig, da unter gewissen Voraussetzungen auch eine Überdimensionierung vorteilhaft sein kann (z. B. bei der Auslegung von Frequenzumrichtern [7, S. 439]). Eine Unterdimensionierung sollte ebenfalls vermieden werden, da hierdurch Qualitätsprobleme auftreten können (z. B. mangelnde Oberflächenqualität durch zu geringe Zerspanungsleistung).

Einige Hersteller bieten zusätzlich die Möglichkeit, individuelle Anlagenkonfigurationen mit Konfiguratoren zu ermitteln. Hierdurch können die Spezifika der jeweiligen Lastprofile besser ausgewertet werden. So ist es z. B. im Fall von Elektromotoren sinnvoll, eine Drehzahlregelung bei stark variierenden Lasten vorzusehen. Hier kann im Gegensatz zur konstanten Drehzahl eine signifikante Energieersparnis erreicht werden. Umgekehrt ist bei Anwendungen mit konstanten Lasten die Nutzung drehzahlgeregelter Motoren als nachteilig zu betrachten [7, S. 188 ff.].

Im Falle einer Eigenentwicklung bzw. in einer Auftragsentwicklung im Bereich Sondermaschinenbau sind erweiterte Potenziale der Dimensionierung hinsichtlich der Ressourceneffizienz nutzbar. Hierbei stehen grundsätzlich alle konstruktiven Maßnahmen offen, wie z. B. die Berücksichtigung von Leichtbauprinzipien zur Materialeinsparung (siehe Strategie Leichtbau) oder eine funktionale Optimierung zur Einsparung von Betriebsmitteln (z. B. optimiertes Abtropfverhalten des Warenträgers bei Galvanisierungsvorgängen).

Ein weiterer wichtiger Apekt im Kontext der Dimensionierung ist die Auslegung der Prozesskette im Sinne eines durchgängigen Materialflusses nach dem Fließprinzip [8, 26 ff.]. Hierbei sollten die Dimensionen der Maschinen in einer Prozesskette so aufeinander abgestimmt werden, dass keine Bestände an den einzelnen Stationen entstehen.

-> Beispiel

Vermeidung der Überdimensionierung von Pumpen

Die LEONI Kabel GmbH fertigt am Standort Roth Kabel und Bordnetzsysteme. Seit 2011 wurden hier bereits mehrere Initiativen zur Verringerung des Energieverbrauchs in der Produktion angestoßen. Neben Projekten zur Optimierung des Gebäudes und der Gebäudeausrüstung sowie der Verringerung des Roh- und Betriebsstoffverbrauchs erfolgten auch Fertigungs- und Produktoptimierungen. In diesem Rahmen wurde bemerkt, dass zwei Pumpen unnötigerweise kontinuierlich unter Volllast betrieben wurden. Durch eine Nachrüstung ergab sich dann die Möglichkeit, beide Pumpen in einem "Eco-Modus" zu betreiben, wodurch eine jährliche Stromersparnis von bis zu 18 MWh Strom erzielbar ist [9, S. 65].

EFFIZIENTE ARBEITSSTEUERUNG

Auch in der operativen Arbeitssteuerung ergeben sich Potenziale für die Ressourceneffizienz. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist hier die Taktzeit. Je schneller die Produktion läuft, desto höher ist in vielen Fällen auch die Energieeffizienz. So erfordern beispielsweise die Öfen bei Umformvorgängen einen kontinuierlichen Energiebedarf, unabhängig davon, ob zwei Teile pro Stunde oder zwanzig Teile pro Minute hergestellt werden [10]. In diesem Zusammenhang spielen ebenfalls Stillstände der Produktion eine Rolle. Jeder Stillstand wirkt sich negativ auf die Durchlaufzeit und damit auf den Energieverbrauch aus. Der Einsatz von Manufacturing Execution Systems (MES) kann hier lohnenswert sein, um die Gründe für Stillstände und nicht ausgelastete Maschinen zu analysieren und diese anschließend zu beheben. Eine Nutzung von MES kann außerdem zur Materialeffizienz beitragen, indem die Transparenz zur Erkennung von Häufungen des Ausschusses steigt [11].

Wird der Energieverbrauch einer Anlage bezogen auf ein Produkt ermittelt, lässt sich dadurch feststellen, ob das Produkt ggf. effizienter mit einer anderen Maschine herstellbar ist. Diese Abhängigkeiten bieten die Basis für eine automatische Berechnung optimaler Produktionssequenzen [4]. Hierbei kann auch eine Planung von Fertigungsaufträgen in Abhängigkeit der Energieversorgung sinnvoll sein. So ergeben sich z. B. Anreize, die Produktion nach der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien auszurichten [12].

Auch die Planung der Losgrößen und die damit verbundene Anzahl von Rüstvorgängen beeinflussen den Ressourcenverbrauch. Die Berechnung optimaler Losgrößen und Planung entsprechender Rüstvorgänge stellen Kernaufgaben in der traditionellen Arbeitssteuerung dar. Ziel war es dabei immer, Rüstzeiten nach Möglichkeit zu vermeiden bzw. zu verringern, da diese den Produktionsablauf verzögern. Auch aus Sicht der Materialeffizienz sind Rüstvorgänge als negativ zu bewerten, da hiermit in vielen Fällen Materialverluste einhergehen (z. B. Anfahrverluste bei Spritzgussmaschinen). Besondere Relevanz erlebt das Thema Rüstverluste im Kontext von Industrie 4.0 mit der Vision Losgröße 1, da hiermit eine exzessive Erhöhung des Rüstaufwandes einhergeht. Eine optimale Berechnung von Losgrößen stellt daher trotz der neuen technologischen Möglichkeiten noch immer eine wichtige Aufgabe dar. Zusätzlich kann die virtuelle Absicherung von Produktionsprozessen während eines Rüstvorganges dabei helfen, Ausschuss zu vermeiden (siehe Beispiel). Zukünftig kann es hier zu weiteren Effizienzgewinnen kommen, wenn Maschinen in der Lage sind, Umrüstungen automatisch vorzunehmen [13].

-> Beispiel

Energieeffizienzcontrolling in der Arbeitsvorbereitung für die Fahrzeugherstellung

Im Verbundprojekt EnEffCo erfolgte eine detaillierte Analyse des Energieverbrauchs eines Punktschweißroboters. Die erhobene Energieverbrauchskurve wurde anhand charakteristischer Muster ausgewertet und einzelnen Produktionsvorgängen zugeordnet. Auf dieser Basis konnte ein Simulationsmodell entwickelt werden, welches Prognosen des Energiebedarfs der Schweißanlage für verschiedene Arbeitsschichten im Werk erlaubt. Auf dieser Basis ist es prinzipiell möglich, Soll-Vorgaben für den Energieverbrauch einer Schicht zu definieren. Darüber hinaus erfolgte der Nachweis detaillierter Prozessverbesserungen. So wurde anhand der erhöhten Informationstransparenz das Bewegungsprofil eines Roboters optimiert. Da die Bewegungen des Roboters deutlich unter der Taktzeit lagen, konnten diese verlangsamt werden, ohne den Produktionsablauf zu stören. Hierdurch ist eine Verringerung des Energieverbrauchs für den Roboter von bis zu 10 % erzielbar [14, S. 52 ff.].

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