Effizienzfabrik - Innovationsplattform Ressourceneffizienz in der Produktion

ENERWELD schweißt zusammen – mit effizienten Konzepten und Technologien

Der Energiebedarf beim Schweißen stand bisher nicht im Fokus bei der Weiterentwicklung thermischer Fügeverfahren. Das Verbundprojekt ENERWELD setzt hier durch effiziente Technologien und innovative Zusatzwerkstoffe neue Akzente. Die Effizienzfabrik setzt mit diesem Projektportrait die Vorstellung der Einzelverbundvorhaben aus dem BMBF-Förderschwerpunkt „Ressourceneffizienz in der Produktion“ fort. Eine gemeinsame Initiative des VDMA und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) hat die Effizienzfabrik ins Leben gerufen. Sie kommuniziert die neuesten Ergebnisse der 31 Forschungsprojekte des BMBF-Förderschwerpunkts „Ressourceneffizienz in der Produktion“. Die Projekte sind so vielfältig wie der Maschinenbau mit seinen Anwendungsbranchen. Mit dem Verbundvorhaben ENERWELD wird die Reihe der Projektportraits fortgesetzt. Es ist im Themenfeld „Simulation und Bewertung“ im Bereich „Effiziente Fertigungs- und Verfahrenstechnik angesiedelt. Neben Bewertungsmethoden und Simulationsmodellen werden im Projekt auch ganz konkrete Technologien entwickelt. Alles dreht sich um effiziente thermische Fügeverfahren, die in vielen industriellen Bereichen zum Einsatz kommen. Somit ist ENERWELD wie viele andere Projekte unter dem Dach der Effizienzfabrik ein hohes Transferpotenzial auf, da die Projektergebnisse unmittelbar in unterschiedlichsten Branchen Anwendung finden.

ENERWELD - Effiziente thermische Fügeverfahren 

Bei der Verarbeitung metallischer Werkstoffe stellt das Fügen zunehmend eine Schlüsselfunktion das. Dabei sind thermische Fügeverfahren wie das Lichtbogenschweißen, das Laserstrahlschweißen und das Rührreibschweißen heute in der Industrie etabliert. Sowohl bei der Entwicklung als auch bei der Weiterentwicklung dieser Verfahren standen bisher die Produktivität und die Machbarkeit im Vordergrund. Energetischen Betrachtungen zur Effizienz kam dabei bisher meist nur eine untergeordnete Bedeutung zu, obwohl gerade der Energieverbrauch bei thermischen Fügeverfahren erheblich ist. Derartige Betrachtungen müssen schon bei der Entwicklung und der Konstruktion von Produkten sowie deren Fertigungsprozessen berücksichtigt werden.

Hier setzt ENERWELD an, denn die thermischen Fügeverfahren werden auf ihre Energieeffizienz geprüft und dahingehend optimiert. Der Energiebedarf beim Schweißen kann durch den Einsatz neuartiger hochfester Zusatzwerkstoffe auf Eisenbasis, die bei niedrigeren Temperaturen schmelzen als herkömmliche Zusatzwerkstoffe, deutlich gesenkt werden. Zudem führen die Verringerung des Schmelzbadvolumens und eine höhere Prozessgeschwindigkeit zu weiteren erheblichen Energieeinsparungen, die insgesamt bis zu 40 Prozent betragen können.

Projektziele

Im Projekt ENERWELD werden folgende Zielstellungen verfolgt:

1. Verringerung der Energieverluste durch Minimieren der einzubringenden Wärme
2. Verringerung der Energieverluste durch Verbessern des thermischen Wirkungsgrades
3. Verringerung der Energieverluste durch effiziente Anlagentechnik
4. Entwicklung von Methoden zur ganzheitlichen Planung und Bewertung von energieeffizienten Prozessketten
5. Auslegung, Bewertung und Fertigung von Demonstratoren

Die Anwendungen der gängigen Fügeverfahren auf die Werkstoffe Stahl und hochfeste Aluminiumlegierungen stehen im Fokus der Forschungsaktivitäten.

Die energetische Betrachtung thermischer Fügeprozesse schafft Transparenz

Eine wichtige Voraussetzung für die Untersuchungen ist die umfassende energetische Betrachtung thermischer Fügeprozesse. Die energetischen Verluste bei thermischen Fügeprozessen setzen sich aus unterschiedlichen Anteilen zusammen (siehe Abbildung 2). Ein nicht unerheblicher Anteil besteht aus Verlusten, die in der eingesetzten Anlage, z.B. einer Stromquelle beim Lichtbogenschweißen und -löten, beim Erzeugen der Laserstrahlung, im elektrischen Antrieb von Rührreibschweißanlagen oder aber auch der Kühlung entstehen. Die beim Fügeprozess erzeugte Wärme wird zum Teil über Spannvorrichtungen oder Werkzeuge an die Umgebung abgeführt. Darüber hinaus wird ein erheblicher Wärmeanteil über die Fügezone in das Bauteil selbst abgeleitet. Über Strahlung und Konvektion geht ebenfalls Energie an die Umgebung verloren. So ist der für den Fügeprozess nutzbare Anteil der Energie im Vergleich zur eingesetzten Gesamtenergie relativ gering.

Um die mit Hilfe dieser energetischen Analyse ermittelten Potenziale zu heben, werden entlang der fünf Schwerpunkte verschiedenste Maßnahmen verfolgt. Durch Verringerung der Prozesstemperatur sowie Reduzierung des Fügezonenvolumens kann die in das Werkstück einzubringende Wärme minimiert werden. Die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads von Diodenlaser- und Lichtbogenprozessen sowie des Rührreibschweißens ist ein weiterer wichtiger Aspekt, der durch Weiterentwicklung der dazugehörigen Anlagentechnik zum Beispiel mittels ressourcenschonender Laser- und Stromquellen vervollständigt wird. Eine ganzheitliche Planung und Bewertung der Prozessketten erfordert u. a. eine umfassende Datenanalyse sowie der Ermittlung geeigneter Ressourcenverbrauchs-Kennzahlen. Die erarbeiteten Technologien, Planungs- und Bewertungstools werden an konkreten Anwendungen innerhalb des Projektes überprüft. Ziel ist ein Vergleich der verschiedenen Technologien, um die unter technologischen, energetischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten beste Technologie auszuwählen und in den Fertigungsprozess zu überführen. Hierfür werden unter definierten Kriterien Demonstratoren wie beispielsweise Kranausleger, Baggerschaufeln und Achsträger hergestellt und bewertet. Ein auf den Ergebnissen basierendes Softwaretool unterstützt die Planung und den Vertrieb der Anlagenhersteller dabei, den Ressourcenverbrauch der innovativen Prozessketten zu vergleichen und entsprechend auszuwählen.

Nachgefragt beim Projektkoordinator Prof. Dr. Wilden

Welche Rolle spielt Ihres Erachtens die Ressourceneffizienz in der Produktion?
Bisher wurde die in einer Fertigung eingesetzten Prozesse nur nach Machbarkeit und Produktivität ausgelegt. Erst die Notwendigkeit der Energieeinsparung (CO₂-Ausstoß, Energiekosten etc.) verpflichtet zur Überprüfung der Prozesse auch auf Ressourceneffizienz hin. Daraus ergibt sich die Chance die Produktion ganzheitlich zu betrachten um so den wertschöpfenden Anteil der Produktion weiter zu steigern und so Wettbewerbsvorteile auszubauen oder zu sichern.

Wie können andere Unternehmen von den Ergebnissen Ihres Projekts profitieren?
Nach Abschluss des Verbundprojektes stehen neuartige Fügetechnologien (Diodenlaser höherer Brillanz, niedrig schmelzende Zusatzwerkstoffe u.a.) zur Verfügung, die eine energieeffiziente bzw. ressourcenschonende Fertigung ermöglichen.
Zur Ermittlung der für die Herstellung eines Produktes benötigten Ressourcen werden Planungsmethoden entwickelt und in einem Softwaretool zusammengefasst, welche es ermöglichen, die gesamte Fertigungsprozesskette hinsichtlich des Energieeinsatzes, des Einsatzes von Hilfsstoffen (Schutzgas, Zusatzwerkstoffe), der Anlagenverfügbarkeit sowie der Bearbeitungszeit zu bewerten und zu optimieren.

Was zeichnet ein BMBF-Verbundprojekt aus?
In einem BMBF-Verbundprojekt schließen sich geförderte und assoziierte Projektpartner zusammen. Jeder der Partner bearbeitet einzelne Arbeitspakete selbständig oder in Kooperation. Weiterhin erfolgt eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der Projektpartner in einem fokussierten Themenkomplex. Jedoch ist von den Resultaten eine nachhaltige und übergreifende Wirkung zu erwarten.