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Konzepte für cleveren Materialschwund

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Konzepte für cleveren Materialschwund

Leichtbau | Wie ressourceneffiziente Lösungen für die Produktion aussehen können, untersuchen Fraunhofer-Forscher in Augsburg. Manches additiv gefertigte Bauteil ist bei gleicher Festigkeit um 55 % leichter.

Um im globalen Wettbewerb zu bestehen, müssen Unternehmen den Verbrauch von Ressourcen optimieren. So gilt es, mit weniger Material und Energie zum gleichen Ergebnis zu kommen. Betriebe erreichen damit nicht nur einen Kostenvorteil, sondern schonen zudem die Umwelt und punkten auch beim Thema Leichtbau.

Die Möglichkeiten hierfür erforscht die Projektgruppe „Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen“ (RMV) des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU am Standort Augsburg. „Die Optimierung der Ressourcen Energie, Material und Mensch sehen wir als entscheidenden Faktor künftiger Produktionsprozesse. Mit innovativen Lösungen schaffen wir einen Wettbewerbsvorsprung für unsere Partnerunternehmen und tragen somit entscheidend zu einer besseren Nachhaltigkeit bei“, betont der Leiter der Augsburger Projektgruppe, Prof. Dr. Gunther Reinhart.
In zahlreichen Projekten unterstützen die Wissenschaftler Industrieunternehmen jeder Größe. Angekoppelt an das Fraunhofer IWU und in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München verknüpfen sie Fertigungstechnik, Verfahrenstechnik sowie Energie- und Ressourceneffizienz.
In der Automobil- und der Luft- und Raumfahrtindustrie steht in puncto Ressourceneffizienz vor allem der Leichtbau im Vordergrund. Wie geschaffen dafür sind etwa Gitterstrukturen, wie sie im Schwammgewebe eines Oberschenkelknochens vorkommen, da sie extrem steif, fest und dabei sehr leicht sind.
Was die Natur seit Jahrtausenden anwendet, steckt in den Industriehallen jedoch noch in den Anfängen. Zwar lassen sich Gitterstrukturen über additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahlschmelzen wirtschaftlich herstellen: Ein Laser fährt über ein Pulverbett, schmilzt die einzelnen Partikel mit seinem Strahl auf und verbindet sie auf diese Weise miteinander. Schicht für Schicht wächst so das gewünschte Bauteil heran.
Jedoch funktioniert das bislang nur bei regelmäßigen Strukturen. Ihr Manko: Werden die einzelnen Gitterbalken stark belastet, treten Biegespannungen auf. Die Forscher passten die Struktur nun an den Kraftfluss im Bauteil an – ebenso wie es im Knochen der Fall ist. Das Ergebnis: Die Spannungszustände lassen sich vermeiden, das Bauteil wird bei gleicher Festigkeit um 55 % leichter.
Wabenstrukturen in technische Anwendung übertragen
Auch Wabenstrukturen übertragen die Wissenschaftler in die technische Anwendung. Sie setzen sie in einer Sandwichbauweise ein, wie sie in der Natur etwa in der Schädelkapselwandung einiger Vögel zu finden sind. Das Prinzip: Der leichte Wabenkern steckt zwischen festen, steifen Deckschichten. Dieser Materialverbund ist deutlich stabiler als die Summe der Einzellagen. Bislang konnte man in dieser Sandwichbauweise nur ebene oder einfach gekrümmte Strukturen herstellen. Künftig haben Designer hier weit mehr Freiheiten: Durch den Einsatz der additiven Fertigung zeigen die Forscher, dass man mit diesem Verfahren beliebig geformte Bauteile produzieren kann.
Im Gegensatz zu Materialien und Rohstoffen wurde Energie im produzierenden Gewerbe bislang kaum als begrenzte Ressource wahrgenommen. Das dürfte sich künftig ändern: Bis zum Jahr 2050 sollen mindestens 80 % des deutschen Strombedarfs aus erneuerbaren Energien gedeckt werden. Sonne und Wind liefern ihre Energie allerdings nicht in gleichbleibender Stärke. Zwar sollen große Stromspeicher Stromschwankungen abfedern. Doch auch die Verbraucher müssen ihren Teil leisten und ihre Nachfrage flexibler an das Stromangebot anpassen.
Wie aber können produzierende Unternehmen ihren Energieverbrauch flexibler gestalten? Diese Frage wollen Mitarbeiter von fünf Hochschulen und Forschungseinrichtungen sowie von 28 kleinen und mittleren Unternehmen im Netzwerk Forenergy unter der Leitung der Projektgruppe RMV des IWU gemeinsam beantworten.
Für das Ziel der energieflexiblen Fabrik schaffen die Forscher zunächst Transparenz über die Energieverbräuche: Wie viel Energie verbraucht die Fabrik in welchen Zeiträumen und auf welchen Ebenen? Die aus diesem Lastprofil erhaltenen Daten verknüpfen die Experten in einem Energiemodell. Sie erforschen die Anlagen und Speichermedien ebenso wie Planungs- und Steuerungsansätze. Damit die Produktion wirtschaftlich arbeitet, entwickeln die Wissenschaftler eine Bewertungsmethode: Sie schätzt die Konsequenzen der Bedarfsanpassung ab und gleicht sie mit den monetären Vorteilen ab. Veranschaulicht werden die Ideen und Möglichkeiten einer energieflexiblen Fabrik mit einem interaktiven, virtuellen Demonstrator. (dk) •
Industrieanzeiger
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