PHI-​Factory an der TU Darmstadt - bei der Einweihung bestaunen viele Menschen die Fabrik der Zukunft.
©TU Darmstadt

Fertigungstechnik

Um die Wettbewerbsfähigkeit und technologische Spitzenposition der deutschen Industrie in der Fertigung zu sichern, braucht es innovative und energieeffiziente Lösungen für die gesamte Prozesskette.

Hunderttausende Arbeitsplätze in der Industrie sind in Deutschland direkt mit der Fertigung oder mit dem Umfeld der Fertigung verbunden. Sie ist das Rückgrat der deutschen Volkswirtschaft. Auf Unternehmen der Fertigungstechnik entfallen 15 bis 25 Prozent des Endenergiebedarfs im verarbeitenden Gewerbe.

Zum Forschungsfeld Fertigungstechnik zählt die energetische Optimierung von Maschinen und Anlagen. Dies betrifft Einzelprozesse wie etwa Ur- und Umformen, Zerspanen, Fügen, Beschichten, Wärmebehandeln und Reinigen genauso, wie gesamte Prozessketten, die sich aus den einzelnen Schritten zusammensetzen.

Additive Fertigung: ressourceneffizienter 3D-Druck

Industrie-Energieforschung: Additive Fertigung - eine Maschine stellt im 3-D-Druckverfahren ein produkt her.
©iloli - stock.adobe.com
Additive Fertigung ermöglicht Konstruktionen und Designs, die bislang mit klassischen Fertigungsverfahren undenkbar waren.

Die additive Fertigung – besser bekannt als 3D-Druck – verzeichnet seit längerem jährliche Wachstumsraten von mehr als 30 Prozent und entwickelt sich technologisch stark weiter. Sie wird bereits erfolgreich in einigen Bereichen der Industrie eingesetzt, wie etwa in der Medizintechnik sowie im Automobil- und Luftfahrtsektor.

Theoretisch kann fast jede Form  durch den schichtweisen Aufbau von Material gefertigt werden. Das prädestiniert die additive Fertigung geradezu für den Leichtbau und ermöglicht die Produktion von äußerst komplexen geometrischen Strukturen, die völlig neue Prozess- und Anlagenkonzepte und damit auch eine neue Stufe der Energieeffizienz erlauben: zum Beispiel foulingminimierte Rührer in der Chemie oder 3D-gedruckte hocheffiziente Wärmetauscher. Leichtgebaute Objekte können zudem in der Nutzungsphase mit weniger Energie bewegt werden und sind aus diesem Grund energieeffizienter.

ForscherInnen sehen in additiven Fertigungsverfahren Einsparpotenziale im Hinblick auf den Materialeinsatz in der industriellen Produktion. Material wird nur dort eingesetzt, wo es auch wirklich gebraucht wird. Wirtschaftliche Anwendungen werden künftig vor allem dort gesehen, wo kleine Losgrößen bis hin zu individualisierten Produkten eine klassische Massenfertigung ausschließen.

Die Teilprozesse in der additiven Fertigung sind sehr energieintensiv. Mit großem Energieeinsatz wird das Rohmaterial, zum Beispiel Metall, zu einem feinen Pulver verarbeitet. Aus diesen Pulverpartikeln wird im 3D-Drucker Schicht für Schicht das gewünschte dreidimensionale Objekt geformt und erschmolzen. Während in den Anfängen der 3D-Druck-Technologie die technische Machbarkeit im Vordergrund stand, steht nun eine Revision der etablierten Prozessführung an, um den Energiebedarf zu minimieren.

Wie die Fabrik der Zukunft mit dem Energiesystem interagiert

Eine der größten Herausforderungen an Forschung und Entwicklung ist es, einzelne Fertigungsschritte, Maschinen oder Anlagen nicht isoliert, sondern ganzheitlich mit vor- und nachgelagerten Prozessen sowie mit der integrierten Versorgungstechnik im Fabrikgebäude zu betrachten.

PHI-​Factory an der TU Darmstadt - eine Industriehalle, die viele Menschen bei der Einweihung bestaunen.
©Technische Universität Darmstadt

PHI-​Factory

Die PHI-​Factory bezieht Energie flexibel und zeitvariabel. Als Fabrik der Zukunft  zeigt sie, wie Industriebetriebe über 20 Prozent ihrer Energiekosten einsparen und das Stromnetz entlasten können.

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Durch fortschreitende Elektrifizierung und Digitalisierung wird auch die aktive Interaktion der Fertigungslinien in der Fabrik mit dem Stromnetz möglich:

Wenn zum Beispiel der Wind weht und die Sonne scheint, kann die Produktion hochgefahren werden. Und zu Tageszeiten, zu denen der Strombedarf im Land hoch ist, also auch die Preise steigen, drosseln die Betriebe ihre Produktion oder greifen auf zuvor gespeicherte Energie zurück.

Demand-Side-Management ermöglicht Unternehmen ihre Prozesse zu flexibilisieren, Lasten zu steuern und damit die Energiekosten zu reduzieren. Dabei muss die Optimierung der gesamten Prozesskette betrachtet werden: ökologisch, ökonomisch und bei gleichbleibender Qualität des Produkts.

Für die energieeffiziente Fabrik der Zukunft arbeiten verschiedenste Fachdisziplinen zusammen.

Dazu gehören zum Beispiel Maschinen- und Anlagenbau, Elektrotechnik, Informatik, Betriebswirtschaft, Bauingenieurwesen, Architektur und Arbeitswissenschaften. Die Forschung und Entwicklung beschäftigt sich künftig auch mit der Integration weiterer Schlüsseltechnologien wie beispielsweise der Nano-, Kunststoff- oder Bioverfahrenstechnik.

Maschinelles Lernen und Simulationen in der Fertigung

Der Grad der Automatisierung und Digitalisierung in der Fertigung nimmt, ebenso wie der Strombedarf, weiter zu. Hier eröffnen sich für die Energieeffizienz neue Wege. Maschinen und Anlagen sind in der Lage, genau definierte Abläufe automatisiert zu reproduzieren und mit Sensoren auf sich in der Fertigung ändernde Parameter zu reagieren.

Verkürzte Prozessketten können material-, zeit- und energieintensive Produktions- und Logistikabläufe neu definieren. Verarbeitung von großen Datenströmen und -mengen mit innovativen Methoden und Technologien wie Datenanalyse und Maschinelles Lernen bieten das Potenzial, den Energiebedarf in Echtzeit zu überwachen und Gesamtprozesse neu zu optimieren. Simulationsmodelle ermöglichen es Unternehmen, Lern- und Optimierungsprozesse in eine virtuelle Umgebung zu verlagern. So können Innovationen für gesteigerte Energieeffizienz schnell, kostengünstig und mit geringem technischen Risiko entstehen.

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