Es werde in der Schleiftechnik zunehmend darum gehen, eine wachsende Anzahl von Einflüssen zu orchestrieren und die damit verbundene Komplexität zu beherrschen, betont Dr. Sebastian Barth. Aufgrund sich ändernder Rahmenbedingungen – sowohl politisch als auch gesellschaftlich – müssen die bisher zentralen Zielgrößen Qualität, Kosten und Zeit um einen weiteren Wert ergänzt werden: die Nachhaltigkeit. „In Zukunft müssen wir mehr denn je darauf achten, diese vier Aspekte in Einklang zu bringen“, betont der Abteilungsleiter für Technologieplanung und Schleiftechnik am WZL und ergänzt: „Um das zu schaffen, brauchen wir eine Produktionswende.“ Nach der automatisierten Fertigung sei die nächste Stufe die datengetriebene Fertigung. „Dieser Schritt stellt für einen kapitalintensiven Betrieb mit vielen Maschinen zwar eine Herausforderung dar, ist aber mittel- bis langfristig die Voraussetzung dafür, wettbewerbsfähig zu bleiben.“
Kosten und Verfügbarkeit von Ressourcen zwingen zur Nachhaltigkeit
Neben dem zusätzlichen Verkaufsargument eines umweltfreundlichen Produkts, zwingen auch steigende Energie- und Rohstoffkosten sowie gestörte Lieferketten zur Nachhaltigkeit. Die Energiepreise in Deutschland sind – verglichen mit dem Durchschnitt zwischen 2017 und 2020 – um etwa 44 % gestiegen. „Auch bei den CO2-Abgaben müssen wir bis 2025 mit einem starken Anstieg zurechtkommen“, sagt Barth. „Und wo uns dieser Weg noch hinführt, wissen wir nicht.“
Vor diesem Hintergrund arbeiten die WZL-Forscher an datengetriebenen Konzepten, um Fertigungsabläufe und speziell Schleifprozesse nachhaltiger zu gestalten. „Indem wir eine entsprechende Datenbasis schaffen und diese Daten nutzbar machen, können wir das Zusammenspiel der genannten Zielgrößen entlang der Prozesskette optimieren und auch auf sich ändernde Anforderungen und Rahmenbedingungen reagieren.“
Datengetriebene Fertigung als nächste Entwicklungsstufe
Der nächste Schritt sei nun, die relevanten Fertigungsgrößen zu identifizieren und messbar zu machen. Dazu untersuchten die Wissenschaftler den bauteilbezogenen Ressourceneinsatz in einer digital vernetzten Produktionskette indem sie 100 Rotorwellen für Elektromotoren mit 15 verschiedenen Prozessparametersätzen fertigten. Das Ergebnis sollte unter anderem folgende Fragen beantworten:
- Wie lässt sich die Endqualität eines Bauteils auf der Basis von Prozessgrößen vorhersagen?
- Welchen Einfluss hat jeder Prozess auf das finale Bauteil?
- Wie können ungewollte Effekte innerhalb der Prozesskette identifiziert und bewertet werden?
Außerdem untersuchten die Forscher die Ökobilanz eines Bauteils sowie deren Abhängigkeit von einzelnen Prozessschritten. Im Zuge dieser Arbeiten entstand ein digitaler Zwilling. Durch ihn werden alle Prozess-, Qualitäts- und Metadaten eines Bauteils sowie der eingesetzten Maschinen und Werkzeuge nachvollziehbar und verwertbar. Die Forscher nahmen rund 34 Mrd. Datenpunkte auf. Sie ermöglichten es, den Einfluss jedes einzelnen Prozessschritts auf das finale Bauteil zu beurteilen und vorherzusagen. „Man muss sich bewusst sein, dass in einer digital vernetzten Produktion große Datenmengen aufzunehmen und zu verarbeiten sind“, betont Barth. Sind diese Daten aber verfügbar und nachvollziehbar verortet, lässt sich damit der bauteilbezogene Energie- und Ressourcenverbrauch systematisch ermitteln und bewerten. Und das ist die Basis, um die Ökobilanz zu optimieren.
Umweltwirkung verbessern
Obwohl der Stellenwert des Schleifens nach wie vor hoch ist – in vielen Prozessketten bestimmt es die Funktionseigenschaften der Bauteile maßgeblich –, bietet gerade dieses Bearbeitungsverfahren einiges Verbesserungspotenzial hinsichtlich seiner Umweltwirkung. In Relation zum Zerspanvolumen verursacht das Schleifen ein deutlich größeres CO2-Äquivalent als andere Verfahren, etwa das Wälzfräsen oder das Weichdrehen.
„Alles was den Schleifprozess verkürzt, reduziert den Energieverbrauch“, sagt Barth. Allerdings müsse man auch dabei die gesamte Prozesskette im Blick haben. „Steigt infolge des verkürzten Schleifprozesses beispielsweise der Werkzeugverschleiß und damit der Energiebedarf in der Schleifscheiben-Herstellung, so kann das unterm Strich durchaus weniger nachhaltig sein.“ Einfach zu hebende Potenziale bietet beispielsweise eine bedarfsgerechte Kühlschmierstoff-Versorgung.
Veränderte Produktanforderungen zwingen zu angepassten Schleifprozessen
Neben den prozessbedingten Aspekten stellen aber auch veränderte Produktanforderungen Schleiftechniker vor erhebliche Herausforderungen, wie Barth an zwei Beispielen verdeutlicht. So führen in der Luftfahrt neue Vorgaben hinsichtlich deutlich reduzierter Geräusch-, CO2- und NOx-Emissionen dazu, dass die Triebwerke anders gestaltet werden müssen. Stichworte sind hier hochwarmfeste, schwer zu bearbeitende Werkstoffe oder komplexe Getriebe. Andererseits verschieben in der E-Mobilität unter anderem die hohen Drehzahlen der Antriebe und das damit verbundene erhöhte Leckagerisiko den Fokus der Fertigungsspezialisten.
Know-how um Ursache und Wirkung ist elementar
Um die Tragfähigkeit von Zahnrädern zu verbessern, reduzierten die Forscher die Oberflächenrauheit der Zähne, indem sie Fein- und Polierschleifprozesse einsetzten. „Das erfordert großes schleiftechnologisches Know-how“, betont Barth. „Die nötige Oberflächenqualität ist nur mithilfe hochwertiger Maschinentechnik und einer perfekten Kombination aller am Prozess beteiligten Komponenten zu realisieren.“ Auf der anderen Seite lassen sich Leckagen bei hochdrehenden und mit leichtflüssigen Ölen befüllten Elektromotoren nur vermeiden, wenn es gelingt, die Dichtungsgegenlaufflächen mikrodrallfrei herzustellen. Um eine sichere Funktion solcher Antriebe zu gewährleisten, muss der Schleiftechniker nicht nur verstehen, welche Strukturen sicherstellen, dass das System dicht ist, er muss auch wissen, wie diese Strukturen prozesssicher und wirtschaftlich herzustellen sind.
„Die Kenntnis der Zusammenhänge von Ursache und Wirkung zwischen Prozesseinstell- und Prozessergebnisgrößen liefert das Know-how, um funktionsbestimmende Bauteileigenschaften wirtschaftlich und zuverlässig zu gewährleisten“, so Barth.
Optimierte Prozesskühlung spart Energie und Kosten
Seitens der Maschinentechnik sind eine solide Basis sowie energieeffiziente Komponenten zwingend. Hinzu kommt das Erfassen und Verarbeiten von Prozessdaten, um mithilfe künstlicher Intelligenz die Fertigungskette zu optimieren. Auch die Werkzeughersteller müssen Ressourcen schonen, auf die Rohstoffknappheit reagieren und sicherstellen, dass ihre Werkzeuge in anspruchsvollen Prozessen lange Standzeiten erreichen. Zu den Fragen, die in diesem Zusammenhang zu klären sind, gehört auch, wie sich der Werkzeugverschleiß zuverlässig messen lässt, oder wie sich der Abrichtprozess so automatisieren lässt, dass der Werkzeugverschleiß möglichst gering bleibt.
Weitere Aspekte auf dem Weg zum nachhaltigeren Schleifen sind ein reduzierter Energieverbrauch für die Prozesskühlung sowie die Möglichkeiten, fossilbasierte Schmierstoffe durch biobasierte, weniger umweltbelastende zu ersetzen. Und auch beim Material kommen anspruchsvolle Aufgaben auf den Schleiftechniker zu. Das beginnt bei Materialschwankungen und reicht bis hin zu schwer bearbeitbaren Werkstoffen. „Die Experten müssen genau wissen, wie eine bestimmte Aufgabe anzugehen ist und wie sich die nötige Flexibilität sicherstellen lässt, um schrumpfende Losgrößen wirtschaftlich herzustellen“, erklärt Barth.
Zusammenspiel von Mensch und Maschine wird immer wichtiger
Wie bei allen Fertigungsaufgaben, wird das Zusammenspiel zwischen Mensch und Maschine auch beim Schleifen immer wichtiger. Qualifizierte Mitarbeiter, moderne Maschinen und künstliche Intelligenz müssen künftig Hand in Hand gehen und perfekt harmonieren. Zudem hat das Thema Wissenstransfer schon allein vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels zentrale Bedeutung. „Angesichts des fehlenden Nachwuchses müssen wir sicherstellen, dass sich das riesige Know-how in den Betrieben nicht mit den erfahrenen Kollegen in den Ruhestand verabschiedet“, gibt Barth zu bedenken.
„Wir müssen jede Fertigungsaufgabe im Detail anschauen und auslegen“, betont der Forscher. Nur dann werde es gelingen funktionale und ressourcenschonende Systeme zu erzeugen, die Bauteillebensdauer zu erhöhen und die Leistungsdichte der Komponenten zu steigern. „Das reduziert den CO2-Fußabdruck eines Bauteils oder Produkts. Und das wiederum hilft, den Energie- und Ressourcenverbrauch unserer Gesellschaft insgesamt zu senken – trotz eines weiterhin hohen Lebensstandards.
Komplexität muss beherrschbar bleiben
Künftig gilt es, verstärkt interdisziplinäre Teams zu vernetzen und zu orchestrieren sowie physische (Maschine), virtuelle (Rechenleistung) und soziale (Experten-Know-how) Ressourcen harmonisch kooperieren zu lassen. Wichtig ist dabei auch beim Schleifen: Komplexität muss beherrschbar bleiben, um funktions- und verbrauchsoptimierte Produkte erzeugbar gestalten und herstellen zu können.
Die Aachener Forscher sehen Umweltschutz und Nachhaltigkeit nicht als Bedrohung, sondern als Innovationstreiber und Chance, sich einen Wettbewerbsvorsprung zu erarbeiten. „Jeder Beitrag zur Nachhaltigkeit wird mittelfristig die Wettbewerbsfähigkeit verbessern. Investitionen, die die Nachhaltigkeit verbessern – ökologisch, ökonomisch oder sozial – werden sich für das Unternehmen auszahlen“, schließt Abteilungsleiter Barth.
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