Hannover Messe 2013: E3-Fabrik – effizient, emissionsneutral und ergonomisch

Knappe und teure Rohstoffe, steigende Energiepreise, Klimaschutz, hohe Fluktuation am Arbeitsmarkt und demografischer Wandel – die industrielle Fertigung steht vor großen Herausforderungen. Insbesondere Deutschland als rohstoffarmes Land, muss neue Ansätze entwickeln, wenn hier auch künftig Waren hergestellt werden sollen. Schon heute bestimmen in vielen Branchen die Aufwendungen für Material- und Energie maßgeblich den Preis des Endprodukts.

Beispiel produzierendes Gewerbe: Dort entfallen knapp 43 Prozent der Herstellungskosten auf das Material. »Eine optimale Verwendung aller Rohstoffe und die effiziente Nutzung der eingesetzten Energie sind die entscheidenden Wettbewerbsfaktoren für die Produktion in den kommenden Jahren«, betont Professor Fritz Klocke, Sprecher des Fraunhofer-Verbunds Produktion. Zudem ist eine bessere Einbindung des Menschen in Produktionsabläufe wichtig. Daher gewinnen Gesundheitsschutz und Ergonomie an Bedeutung.

Doch welche neuen Herstellungsverfahren werden benötigt, um Material und Strom einzusparen? Wie müssen Produktionsabläufe und Fabriken gestaltet sein, damit Leistungsfähigkeit und Arbeitszufriedenheit sichergestellt werden können? Welche Ansätze gibt es, um Emissionen zu vermeiden? Erste Ideen und Lösungen für die effiziente, emissionsneutrale und ergonomische Fabrik der Zukunft stellen Wissenschaftler auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 17, Stand F14, vor. Mit der E3-Fabrik überwinden die Forscher bisher bestehende technologische Grenzen und schaffen neue Produktionssysteme sowie neue Organisationsformen. Dabei gehen sie über die reine Fertigung und Montage von Produkten hinaus. Vielmehr berücksichtigen sie den Prozess der Produktentstehung, von der strategischen Produktplanung über die Entwicklung bis hin zur Produktionssystementwicklung.

Energie- und ressourceneffiziente Produktion

Wichtige Ansatzpunkte, um den Wirkungsgrad einer Produktion zu optimieren, sind Ausschuss zu vermeiden und Nacharbeit zu reduzieren sowie Prozesse zu verbessern und Prozessketten zu verkürzen. Beispiel Solarzellen-Fertigung: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart arbeiten daran, das Handling der empfindlichen Zellen zu optimieren. Dabei spielt die präzise Aufnahme und Ablage der Zellen eine wichtige Rolle, um Schäden an den spröden und bruchgefährdeten Siliziumscheiben zu vermeiden.

Für eine energie- und ressourceneffiziente Produktion müssen viele Fertigungsverfahren optimiert oder sogar ausgetauscht werden. So lassen sich etwa spanende Produktionsmethoden durch Umformprozesse ersetzen. Das spart Material, Energie und Zeit. Beim Kaltwalzen von Laufverzahnungen für Getriebe wird zum Beispiel bis zu einem Drittel weniger Material benötigt und die Herstellungszeit halbiert sich. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz setzen auf inkrementelle Blechumformung. Dabei werden die gewünschten Bauteile nach CAD-Daten ohne großen Aufwand für Formen mittels einfacher konstruierter Werkzeuge gefertigt.

Die ressourcenschonende Fertigung stellt eine Möglichkeit dar, in Zeiten knapper Rohstoffe wirtschaftlich zu arbeiten. Fraunhofer-Forscher denken aber schon weiter: Ihr Ziel ist es, ganz ohne den Einsatz neuer Rohstoffe zu produzieren. Sie setzen auf Ressourcen-Gebrauch statt Verbrauch. Das erfordert jedoch konsequentes Recycling. Indem Sekundärrohstoffe in Kaskaden immer weiterverwertet und in den Produktionsprozess zurückgeführt werden, lassen sich enorme Mengen an natürlichen Ressourcen einsparen.

Emissionsneutrale Fabrik

Angesichts steigender Strompreise wird Energiesparen für produzierende Unternehmen zunehmend wichtiger. Doch dazu müssen die Firmen zunächst exakt erfassen, wie viel Strom die einzelnen Prozessschritte bzw. Maschinen benötigen. Experten des Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT in St. Augustin bei Bonn haben ein System entwickelt, mit dem sich – basierend auf den Prozessschritten in einer Produktionsstraße – der Verbrauch ermitteln lässt. Wie das funktioniert, zeigen die Forscher auf der Messe am Beispiel einer Fertigungsstraße in der Automobilindustrie.

Sinnvoll ist es auch, Prozesse auf ihre Wechselwirkungen zu vor- und nachgelagerten Prozessen hin zu analysieren und Energiekreisläufe einzurichten. So kann zum Beispiel an die Umgebung abgegebene Wärme in nachfolgenden Arbeitsschritten – etwa zum Trocken – oder zur Stromproduktion genutzt werden. Solche kürzeren und vernetzten Prozessketten, helfen den Energieverbrauch zu senken. Der deutlich geringere Bedarf lässt sich aus regenerativen Energiequellen gewinnen.

Einbinden des Menschen in die Produktion

Die Menschen arbeiten künftig länger. Erst vor kurzem wurde das Renteneintrittsalter auf 67 Jahre erhöht. Eine immer älter werden Belegschaft erfordert nicht nur eine verbesserte Ergonomie, sondern auch neue Formen der Kooperation zwischen Mensch und Maschine. Künftig können zum Beispiel Roboter dem Beschäftigten schwere Arbeiten abnehmen. Neue Steuerungssysteme und Sensorik befähigen diese zunehmend, sich eigenständig an veränderte Umgebungsbedingungen anzupassen und mit dem Menschen unmittelbar zusammen zu arbeiten. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin entwickeln solche Kooperativen Roboter, sogenannte KOBOTs, die der Fraunhofer-Verbund Produktion auf der Hannover Messe zeigt. Sie übernehmen die Kraftarbeit, überlassen dem Werker jedoch die Bewegungskontrolle. Im Gegensatz zu derzeit verfügbaren Low-Cost-Robotern sind die Kobots einfach zu bedienen.

Voraussetzung für die Zusammenarbeit ist jedoch Arbeitssicherheit. Dank eines taktilen Sensorsystems, wie es Experten des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg für Roboter und Produktionsumgebungen entwickelt haben, können die Maschinen die Annäherung eines Menschen und kleinste Berührungen genauestens erkennen und unmittelbar darauf reagieren.

Mit dem iProduction Assistant Device wollen Forscher des Fraunhofer-Verbunds Produktion künftig ein mobiles Endgerät im Tablet-Format zur Verfügung stellen, mit dem sich Produktionsprozesse detailgetreu planen und steuern lassen. Denn gerade in der Produktion mit ihrem komplexen Beziehungsgeflecht ist es wichtig, hierarchieunabhängig Entscheidungshilfen durch die Bereitstellung der richtigen Informationen am richtigen Ort – auch zur Diskussion mit anderen Entscheidungsträgern – zu erhalten. Nur so kann der menschliche Akteur rechtzeitig auf neue Produktionsbedingungen und -anforderungen reagieren.