Univ.Prof. DI Dr.techn. habil. Friedrich Bleicher · 2018-11-28 · IFT Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik Univ.Prof. DI Dr.techn. habil. Friedrich Bleicher

IFT Institut für Fertigungstechnikund Hochleistungslasertechnik

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EnergiegesprächeDurch Digitalisierung zur energieeffizienten Produktion von morgen

F. Bleicher 27. November 2018

Institut für Fertigungstechnikund Hochleistungslasertechnik

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IFT - Organization and Fields of Research

Institute for Production Engineering and Laser Technology

Head: Univ.Prof.Dr. F. Bleicher

Area of ResearchManufacturing Technology

Univ.Prof.Dr. F. Bleicher

Manufacturing Automation

Technology Metrology and Quality

Machine Tools and Production Systems

Cutting Technology

Non-Conventional Machining

Competence Centerfor Digital Production

Control and Automation Technology

Haas WerkzeugmaschinenRSF Zerspanungstechnik Messtechnik Möller B&R

Area of ResearchLaser TechnologyUniv.Prof.Dr. A. Otto


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3D - Printer als Demonstrator-Produkt


Seite 4

commonroom

meetingroom entrance

reception

3D-printSLM technology

ramp

visual-ization

metal3D-print

kitchen

machining

turning

welding/additive

milling

control panel

assembly

specialprojects

area

A1 A2

A3 M4

FTS

polymer3D-print

plas

tics

3D-p

rint

FTS

warehouse

FTS

FTS

network/server

3D Printing Center

office

productpresentation

Pilotfabrik der TU Wien


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Bearbeitungszelle mit Bearbeitungszentrum und Roboter-Schweißzelle

Pilotfabrik der TU Wien


Seite 6

Weltenergiebedarf - langfristige Prognose


Seite 7

Leitbild Produktion der Zukunft

Mechanisierung Massenproduktion Automatisierung Intelligenz

Zeitliche Ordnung

Produktionssystem

Produktionsstruktur

Produktstruktur

Flexibilität zu Produktivität

Mensch

Märkte

Ressourceneffizienz

18. Jahrhundert

Manufaktur

Fabriksystem

Individualanteil

Verhältnis ≈ 1

Generalisierung

Regionalproduktion

extensive Nutzung

19. Jahrhundert

Taylorismus

Fokussierung

Standardisierung

Verhältnis ≪ 1

Spezialisierung

Globalisierung

intensive Nutzung

20. Jahrhundert

Toyota System

Modularisierung

Komplexität

Verhältnis < 1

Flexibilität

Regionalisierung

Schonung

21. Jahrhundert

lernende Fabrik

Virtualisierung

adaptive Varianz

Verhältnis ≈ 1(variabel)

Selbstorganisation

Lokalisierung

Kreislauf

Trends in der Produktion


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Moore‘sches Gesetz

1 x 103 Bit

64 x 103 Bit

256 x 103 Bit

64 x 106 Bit

1 x 106 Bit

256 x 106 Bit

1 x 109 Bit

64 x 109 Bit

Transistoren je Chip

1 x 1015 Bit

1 x 1030 Bit

1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

www.phoenixcontact.comDatenübertragungsrate im Mobilfunk

1995 2000 2005 2010 2015 2020

Dat

enüb

ertra

gung

srat

e

5G

Phoenixcontact

4G

3G

2G9,6 kBits/s

115 kBits/s

384 kBits/s

14,4 Mbits/s

1 Gbit/s

10 Gbits/s

150 Mbits/s


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Globale Vernetzung

Erde: Gesamtfläche: 510.000.000 km² Wasserfläche: 360.570.000 km², 70,7 % Landfläche: 149.430.000 km², 29,3 %

IPv4: 28,78 Adressen/km² Land 8,43 Adressen/km²

IPv6: 2,28 ∙ 1018 Adressen/mm²6,67 ∙ 1017 Adressen/mm²

jede Komponente, jedes Teil, jedes Produkt etc. kann mit einer eigenen Internet-Adresse ausgestattet werden.

IPv4 mit 232 (≈ 4,3 Milliarden = 4,3·109) IPv6 mit 2128 (≈ 340 Sextillionen = 3,4·1038)

d. h. Vergrößerung um den Faktor 296 (≈7,9·1028)


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Mikro-Sensortechnik

Univ. of Tokyo

Flexibler Drucksensor für Roboterhaut und Möbel

Gizmag.com

Organ-on-a-Chip für medizinische Tests

Johns Hopkins Univ.

16 Sensoren

Verwendung in der Fertigung?

sensormag.com

MEMS Multi-Achsen Beschleunigungssensor


Seite 11

Kommunikationssystem „Fertigungstechnik der Zukunft“

Kommunikationssystem

moderne Fertigungssysteme als Kommunikationssystem -erweiterte Funktionalität durch drahtlosen Datenaustausch

Phoenix Contact VDMA, RAMI 4.0


Seite 12

Kommunikationssystem „Fertigungstechnik der Zukunft“

moderne Fertigungssysteme als Kommunikationssystem -erweiterte Funktionalität durch drahtlosen Datenaustausch

Phoenix Contact

Kommunikationssystem


Seite 13

ERP

Simulation

MES

Daten abrufen

Daten speichern

ERP MES Qualitäts-sicherung

End-kontrolleProduktion

Wettbewerbsvorteil durch eine vernetzte Produktion


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Moderne Fertigungssysteme

Werkstatt

Flexible Fertigungszelle

Flexible Fertigungssysteme

Flexible Fließfertigung

Produktivität

hoch

nied

rig

hochniedrigVarianten-

vielfalt

Montagelinie oder Transferstraße

Industrie 4.0


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CAD

IT-Unterstützung - PLM-Referenzprozess

Markt Entwicklung Arbeits-vorbereitung

FertigungMontage

Qualitäts-sicherung Vertrieb Service

WartungDemontageRecycling

CAD Computer Aided Design CAP Computer Aided Planning ERP Enterprise Ressource PlanningCAE Computer Aided Engineerin CAQ Computer Aided Quality PDM Product Data ManagementCAM Computer Aided Manufacturing CRM Customer Relationship Management PLM Product Lifecycle Management SCM Supply Chain Management

„as engineered“

„as manufactured“

„as measured“

Produktentstehungsprozess

CAE

CAM

PDM

CAQ


Seite 16

- Termin- und Kapazitätsplanung- Reihenfolgeplanung und Feinterminierung- Losgrößenplanung

Simulation der ProzessketteSimulationsbasiertes Planungstool für die Fertigungssteuerung

Konzeptioneller Ansatz der energieeffizienten Produktion

Leitstandsfunktion-Werksauftragsverwaltung-Auftragsfreigabe-Auftragsüberwachung

Maschinen-Prozess-Modell(simulations- und datenbasierend)

Maschinen-Prozess-SimulationEnergieverbrauch und Lastgang einer spezifischen Maschinen-Prozess-Kombination

Optimierung und Reporting im laufenden Betrieb

Datenschnittstelle(Steuerungs- und Messebene)

AuftragsfreigabeAuftragsüberwachung

Simulationsbasierte Entscheidungsfindung

Inputdaten mit Restriktionen und Prioritäten

Datenaustausch zu anderen relevanten Systemen (Gebäude-, Lastmanagement)

- Datenschnittstelle(Tarif und Verfügbarkeit)- Simulierte Lastgänge


Seite 17

„Fühlende“ Maschinen (Sensorik/Aktuatorik)

DurchflusssensorKühlschmierstoff

Beschleunigungs-sensor

DurchflusssensorDruckluft

Leistungs-messgerät

Condition Monitoring Kreisform Gleichlauf Schwingungen Kühlschmierstoff-

pumpe(n) Hydrauliksystem Werkzeugwechsel-

zylinder etc.

OPC-UA

Datenbank

Algorithmen zur Datenanalyse

ProzessMaschineQualität

Effizienz


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Sensorische Werkzeugaufnahme

3D-gedruckte Transmitter-

Abdeckung mitAntenne

Transmitter

Spannungsversorgung

Transmitter Antenna

interne KSS-Versorgung

Beschleunigungs-sensor

HSK A63


Seite 19

Parameter-analyse

(OPC UA)

Prozess-Anpassung(analog/digital I/O)

Prozess-Information(OPC UA)

Protokollierung(OPC UA)

Beschleunigungs-signal

Analyse der Prozessstabililtät

Sensorische Werkzeugaufnahme


Seite 20

Prädiktive Qualitätssicherung

Datenbank

wissensbasierte Auswertung

Echtzeit-Vergleich

Datenerfassung

Prozesswerte von Wissenssystem

aktuelle Prozesswerte

lernendes System

Historische Qualitätswerte

Prozesswerte Messwerte

Messsystem


Seite 21

Geschäftsmodelle der Zukunft

Maschinen-hersteller

Zulieferer OEM

Cloud

Big Data

Data Mining

Optimale Lieferung

Optimierung des Produktes

Cloud

Big Data

Data Mining

OEE als Dienstleistung

Endproduktqualität als Dienstleistung


Seite 22

Beispiel: VW Golf 1,4 TSI Emissionen über Lebenszyklus: 31 Tonnen CO2

Energieverbrauch im Produktlebenszyklus

Volkswagen

Energiewandlung Energieübertragung Energiewandlung

%205−=η%40=η %85=η

%,%, 7671 −=ηGesamtwirkungsgrad:

Zerspanung

Wasserstrahlschneiden

Laserschneiden

Oxidation

Funkenerosives Bohren

Schleifen

Metallaufdampfen

CVD

SpritzgießenDrahterodieren

spez

ifisc

her E

nerg

ieei

nsat

z in

J/c

m3

Prozessrate in cm3/s10-7 10-5 10-3 10-1 101 103

102

104

106

108

1010


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Beispiel: PKW-Rotorwellenfertigung (Tier-1) Prozesskette und Logistik

Schleifprozess (Fertigbearbeitung): Prozessüberwachung Vermeidung von Ausschuss Reduktion der Bearbeitungszeit bedarfsgerechte Steuerung von Maschinenkomponenten

Massiv-umformung

Drehen,Fräsen

Schweißen Drehen Härten Schleifen

intern (Werk 1) extern externintern (Werk 2) intern (Werk 2) intern (Werk 2)

2 Teile 1 Teil

Volkswagen

0,4 kWh/Teil0,2 kgCO2/Teil(Taktzeit 70 s)

Energieverbrauch im Produktlebenszyklus


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Pro

dukt

ion

Sch

wun

grad

Verb

rauc

h in

kW

h

Zeit in h

Verb

rauc

h in

kW

h

Zeit in h

Verb

rauc

h in

kW

h

Zeit in h

Laden Speichern Entladen

+ Pel - Pel± 0Sc

hwun

grad

spei

cher

in d

er In

dust

rie

Flywheel - schematisches Anwendungsbeispiel


Seite 25

Situation in Österreich

keine ganzheitliche Sichtweise auf Produkt oder Prozess in Bezug auf Ressourcenverbrauch

fehlendes Bewusstsein für die Möglichkeiten

hohe Komplexität der Materie fehlende Expertise zu Energiesystemen

in Unternehmen Energieeffizienz wird oft im Widerspruch

zu Flexibilität gesehen ROI von Investments hoch Energiepreise (noch) sehr niedrig Emissionszertifikate (noch) sehr günstig

Struktur des energetischen Endverbrauchs in Österreich und EU-28nach wirtschaftlichen Sektoren Hemmnisse für Energieeffizienz

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