Hintergrundwissen

Durch den Ausbau von erneuerbaren Energien, die natürlichen Schwankungen unterworfen sind, hat sich der Strommarkt stark verändert. Die durchschnittlichen industriellen Strompreise weisen Jahr für Jahr ein tendenzielles Wachstum auf. Das wirkt sich auf die Gesamtherstellungskosten in produzierenden Unternehmen aus. Dementsprechend nehmen Energiekosten in Produktionsunternehmen eine zunehmend wichtige Position ein. Gleichzeitig sind betriebliche Entscheider im Tagesgeschäft häufig derart eingebunden, dass der strategische Freiraum fehlt, um den Energieeinsatz im Unternehmen zu optimieren.

Das IPH und GREAN vermitteln Ihnen das Handwerkszeug, um den Energieeinsatz in der Produktion zu reduzieren. Nützliches Hintergrundwissen finden Sie auf dieser Seite. 

Praxistipps und Leitfäden zum Thema Energiemanagement

Wissenschaftliche Veröffentlichungen des IPH

Ständig steigende Qualitätsanforderungen und immer strengere Auflagen stellen die Gießerei vor große Herausforderungen: Sie müssen die vom Markt geforderten hochwertigen Komponenten zu vertretbaren Kosten herstellen. Moderne Technologien und innovative Methoden helfen, diese Herausforderung zu meistern. Bis vor Kurzem stützte sich die Produktion, vom Entwurf des Aluminiumschmelzofens bis zum täglichen Prozess, weitgehend auf traditionelle Methoden und Erfahrungen. Wichtige Daten und Informationen über den Schmelzprozess – zum Beispiel die Temperaturen und die Form des Aluminiumblocks im Ofen – können jedoch mit herkömmlichen experimentellen Methoden kaum erreicht werden, da die Temperaturen 700 ° C überschreiten. Das Forschungsprojekt untersucht daher erstmals die Methode zur Überwachung eines Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die Oberflächenform des Blocks während des Schmelzprozesses vorherzusagen, da es aufgrund des Wärme- und Energieverlustes während der Messung nicht möglich ist, eine konstante Überwachung aufrechtzuerhalten. Um die notwendigen Daten zu generieren, wird eine 3D-Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen. Der Grundgedanke ist, eine allgemeine Methode zur Kurvenmodellierung aus Streustrahlendaten auf der Aluminiumoberfläche im 3D-Raum zu finden. Anhand der (x, y, z)-Daten der 3D-Kamera wird die Aluminiumoberfläche als Polynomfunktion modelliert. Dabei wird der Koeffizient mit verschiedenen Interpolations- und Approximationsmethoden abgeleitet. Um das optimale Polynomfunktionsmodell zu finden, beschreibt die Aluminiumoberfläche während des Schmelzprozesses durch Interpolation oder Approximation, wobei die beste Methode zur Kurvenanpassung erweitert und implementiert wird für die Oberflächenmodellierung. 

Schmelzprozess, Lichtfeld

Jedes Jahr werden etwa zwei Milliarden Bauteile durch Schmieden hergestellt. Wegen der erforderlichen hohen Temperaturen und hohen Umformkräfte werden viele Komponenten segmentweise hergestellt und später miteinander verbunden, z.B. durch Schweißen. Um Fertigungsschritte - und damit Kosten und Zeit - einzusparen, soll ein Fertigungsprozess entwickelt werden, bei dem Elemente aus verschiedenen Stählen gleichzeitig in einem Schmiedeprozess verformt und gefügt werden. Diese Elemente könnten sehr unterschiedliche Geometrien haben und somit die Herstellbarkeit komplexer Teile stark beeinflussen. Diese Kombination von Verformung und Verbindung wird als Hybridprozess bezeichnet.
In dieser Arbeit wird eine Untersuchung zum gleichzeitigen Schmieden und Fügen von massiven Massiv - und Blechelementen beschrieben. Ziel ist es, einen ersten Einfluss der unterschiedlichen Umformtemperaturen auf die resultierende Fügezone des Hybridprozesses zu charakterisieren. Zu diesem Zweck werden eine Reihe von Tests mit einer Presse durchgeführt. Um herauszufinden, ob eine Korrelation zwischen der Temperatur und der Qualität von Hybridschmiedeteilen besteht, werden die Proben mittels Zugversuchen und metallographischer Analyse analysiert. Diese Analysen zeigen den Einfluss der Umformtemperatur auf die Fügezone. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen kann die Fugenzone charakterisiert und bewertet werden. Das Hauptergebnis ist, dass bei höheren Umformtemperaturen die Bereiche der Materialbindung deutlich stärker sind als bei tiefen Temperaturen.
Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zur Entwicklung des Fügens durch Hybridschmieden bei. Die Ergebnisse können genutzt werden, um die relevanten Herstellungsprozesse und Bauteileigenschaften von Hybridteilen weiter zu untersuchen.

Schmieden, Hybriedschmieden, Massivelement, Blechelement,

Steigende Energiepreise sowie eine zunehmende Volatilität dieser, aufgrund der vermehrten Einspeisung von erneuerbaren Energien wie Solar- oder Windenergie, stellen produzierende Unternehmen vor neue Herausforderungen: Beziehen Unternehmen ihren Strom kurzfristig zu schwankenden Preisen an Strombörsen oder über Energieeinkaufsgemeinschaften, kann die Fertigungssteuerung über ihre Stellgrößen die resultierenden Energiekosten bei konstantem Energieverbrauch beeinflussen. Gerade die Reihenfolgebildung, die kurzfristig über den nächsten zu bearbeitenden Auftrag entscheidet, weist dabei hohes Potenzial auf. Die in diesem Artikel vorgestellte energiepreisorientierte Reihenfolgeregel priorisiert zu Zeiten niedriger Energiepreise Aufträge mit einem hohen Energiebedarf und zu Zeiten hoher Energiepreise Aufträge mit einem niedrigen Energiebedarf, ohne dabei den geplanten Fertigstellungstermin zu vernachlässigen. Jedoch eignet sich die Anwendung dieser Reihenfolgeregel nur unter bestimmten Voraussetzungen, die im vorliegenden Artikel anhand einer Simulationsstudie herausgearbeitet werden und die Wirkungsweise der Regel bestätigt wird.

Produktionsplanung und -steuerung, Fertigungssteuerung, Reihenfolgebildung, Energiekosten

Der Schmelzprozess in einem Aluminiumschmelzofen kann nicht durch Kontaktsensoren überwacht werden, da der Ofen aufgrund der hohen Temperaturen (mehr als 700 ° C) nicht zugänglich ist. Im hier vorgestellten Forschungsprojekt wird daher erstmals die Überwachung des Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren untersucht. Dieser Artikel befasst sich mit einem innovativen optischen Messsystem, das in der Lage ist, die Schmelzbrücke trotz der glühenden Ofenwände zu überwachen. Zu diesem Zweck wird eine Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen und mit einem drehbaren Brenner gezielt Wärme in den Schmelzofen zu leiten. Die verwendete Lichtfeldkamera kann eine 3D-Punktwolke mit nur einem Bild erfassen. Um dies zu erreichen, wird ein separates Linsenfeld zwischen dem Bildsensor und der Hauptlinse angeordnet, um ein virtuelles Zwischenbild auf den eigentlichen Bildsensor zur weiteren Datenverarbeitung zu projizieren. Darüber hinaus dient ein selbst entwickeltes Bildanalyseprogramm zur Überwachung der Höhenvariation des Aluminiumblocks und etwaiger Schmelzreste auf der Schmelzbrücke des Ofens.

So konnte die Energieeffizienz des Aluminiumschmelzprozesses um 15% gesteigert und die Schmelzzeit durch Online-Überwachung um fast 20 Minuten reduziert werden.

Lichtfeldkamera, Prozessüberwachung, Bildverarbeitung, Schmelzprozess, Energieeffizienz

Vor dem Hintergrund des Ausbaus der erneuerbaren Energien ist zunehmend mit einem temporären Überangebot an elektrischer Energie und einem dadurch verursachten Preisverfall an der Leipziger Strombörse zu rechnen. Bereits jetzt weist der an der Strombörse gehandelte Strom eine hohe Preisvolatilität auf. Aus diesem Grund werden Energiespeicher benötigt, die einen Ausgleich zwischen Energieangebot und -nachfrage zur Sicherstellung der Netzstabilität herstellen können. Dabei kann die produzierende Industrie durch eine Anpassung ihres Verbrauchs über eine Verlagerung stromintensiver Produktionsschritte in Zeiten negativer Residuallast einen Beitrag leisten.

Energiekosten, Produktionsplanung, Voraussetzungen, Stromkosten

Durch den kontinuierlichen Ausbau erneuerbarer Energiequellen sehen sich Unternehmen des produzierenden Gewerbes mit stetig steigenden und zunehmend volatilen Strompreisen konfrontiert. Der derzeitige Mangel an Technologien zur Energiespeicherung führt zu einer Abhängigkeit vom Energieangebot und folglich zu einem erheblichen Anstieg der Fertigungskosten. Dieser Artikel beschreibt einen neuen Ansatz zur Planung kostenoptimaler Produktionsprogramme unter gezielter Nutzung von Lagerbestand als Speicher von im Produktionsprozess umgesetzter Energie.

Produktionsprogrammplanung, Energiekosten, Energiespeicher, Lagerbestand

Steigende Strompreise gefährden zunehmend die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie. Können die aus den erneuerbaren Energien resultierenden Strompreisschwankungen genutzt werden, ist eine Reduktion der produktionsbedingten Energiekosten möglich. Die Kapazitätssteuerung eröffnet hier einen attraktiven Handlungsspielraum. Im vorliegenden Beitrag wird eine weiterentwickelte Rückstandsregelung vorgestellt, welche den Zeitpunkt zur Kapazitätsanpassung in Abhängigkeit des Energiepreises auswählt.

zeitvariable Strompreise, schwankender Energieverbrauch, Fertigungssteuerung, Kapazitätssteuerung

Viele Unternehmen können oder müssen den Energieverbrauch in ihrer Produktion senken. Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) hat Verfahren und eine Formel entwickelt, mit der sich die Energiebilanz verbessern lässt. Gleichzeitig profitiert von dem Ansatz auch die Qualität der Produkte.

Prozessmanagementsoftware, Qualitätskosten, Zuverlässigkeitstechnik

Wissenschaftliche Veröffentlichungen der GREAN GmbH

Die Erhöhung der Ressourceneffizienz stellt eine zunehmend wichtiger werdende Möglichkeit für Unternehmen dar, langfristige Wettbewerbsvorteile zu schaffen. Diese Wettbewerbsvorteile können jedoch nur durch qualifizierte und engagierte Mitarbeiter generiert werden. Dieser Artikel zeigt die Relevanz der Mitarbeiter auf dem Weg zur Ressourceneffizienz auf und verdeutlicht die Notwendigkeit der Qualifizierung. Diesbezüglich wird ein sequentielles Vorgehen vorgestellt, dass die Konzipierung und Ausgestaltung von Mitarbeiterqualifizierungen unterstützt. Nur wenn Mitarbeiter ausreichend qualifiziert, respektive ihnen die Begründung für Einsparmaßnahmen, Möglichkeiten zur Ressourcenvermeidung sowie die Konsequenzen von Ressourcenverschwendung bekannt sind, können sie ihre Handlungen bewusst danach ausrichten, flexibel an aufkommende Situationen anpassen und dadurch ihren Beitrag zur Erhöhung der Ressourceneffizienz leisten.

Ressourceneffizienz, Mitarbeiterqualifizierung, Personalentwicklung, Ressourceneinsparung

Die Potenziale einer ressourceneffizienten Produktion rücken immer stärker in den Fokus industrieller Unternehmen. Notwendig für einen dauerhaften Wandel sind qualifizierte und engagierte Mitarbeiter. Dieser Beitrag beschreibt Voraussetzungen zur Umsetzung, wie einen grundlegenden Wertewandel sowie eine funktionsabhängige Qualifizierung. Zusätzlich werden notwendige Bausteine zum Aufbau einer effizienten Arbeitsorganisation auf unterschiedlichen Funktionsebenen dargestellt.

Materialeffizienz, Energieeffizienz, Nachhaltigkeit, Ressourceneffiziente Produktion

Die Reduktion des Energieverbrauchs steht immer mehr in dem Mittelpunkt produzierender Unternehmen. Nicht zuletzt, da die Bezugspreise in den letzten Jahren stark gestiegen sind und auch zukünftig weiter steigen werden. Trotzdem versuchen nach wie vor wenig Unternehmen, diesen Kostenblock durch eine systematische Herangehensweise in den Griff zu bekommen. Vielfach werden Einzelmaßnahmen durchgeführt, eine kontinuierliche Verankerung im Betrieb erfolgt zumeist jedoch nicht. In diesem Beitrag wird eine Herangehensweise zum Aufbau entsprechender Systeme dargestellt. Weiterhin werden Beispiele und Verbesserungspotenziale für Energieeffizienz aufgezeigt.

Energiemanagement, Energieeffizienz in der Produktion, Ressourceneffizienz

Ansprechpartner

Christian Böning
Dipl.-Wirtsch.-Ing.

IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH

Dr.-Ing.

Tobias Heinen

GREAN GmbH