Ein am KIT entwickeltes System überprüft vollautomatisch den Verschleiß an Werkzeugmaschinen – und reduziert so Stillstandszeiten. (Foto: Markus Breig, KIT).

Ein am KIT entwickeltes System überprüft vollautomatisch den Verschleiß an Werkzeugmaschinen – und reduziert so Stillstandszeiten. (Bildquelle: Markus Breig, KIT).

Die Bevölkerung nimmt weltweit zu, zentrale Rohstoffe werden knapper. Auch produzierende Unternehmen müssen die Weichen für eine nachhaltige Zukunft stellen: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen für diese Unternehmen, wie sie etwa mit autonomer Produktionssteuerung, der Reduktion von Verschleißteilen oder den Prinzipien einer ressourcenschonenden Fertigung den Produktionsprozess verbessern können. Ihr Know-how bündeln sie nun im neuen Forschungsschwerpunkt Nachhaltige Produktion.

 

Informationsfluss in der Kreislaufwirtschaft

Eines von derzeit 15 Forschungsprojekten zu diesem Thema ist „Digi Prime – Digital Platform for Data-enhanced Circular Economy Business Models”. Im Rahmen von Digi Prime soll eine digitale Plattform entwickelt werden, um den wechselseitigen Informationsfluss zwischen verschiedenen Akteuren in der Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen und so sicherzustellen, dass keine Informationen im Verlauf der Wertschöpfungskette verloren gehen. Insbesondere Lebenszyklusdaten wie Nutzungsstatistiken und häufige Fehlerursachen können beispielsweise dazu dienen, interne Planungsprozesse der Wiederaufbereitung auch in diesem komplexen und dynamischen Umfeld zu verbessern.

Das Projektteam möchte zudem Barrieren reduzieren, die beim Bearbeiten, dem Verkauf und Nutzen von Produkten im zweiten Lebenszyklus bestehen, indem es industrielle und gesellschaftliche Cluster integriert. In Pilotprojekten werden neue Konzepte entwickelt, erprobt sowie für eine marktreife Umsetzung vorbereitet. Die Europäische Kommission fördert das Projekt über eine Laufzeit von vier Jahren mit einem Projektvolumen von rund 15 Mio. EUR.

Forschungsschwerpunkt zu Herausforderungen und Zielen der Industrie

„Ein neuer Forschungsschwerpunkt entsteht am WBKnicht nur aufgrund theoretischer Überlegungen, sondern in sehr engem Austausch mit Partnern aus der Industrie. Gemeinsam eruieren wir künftige Herausforderungen und Ziele und stellen so sicher, dass unsere Lösungen direkt in der Wirtschaft umgesetzt werden“, so Professorin Gisela Lanza, Institutsleiterin am WBK Institut für Produktionstechnik des KIT. Ein Thema wird zum Forschungsschwerpunkt, wenn es wirtschaftlich, gesellschaftlich und technologisch von großer Relevanz ist und mehrere Forschungsvorhaben in dem Themenfeld bestehen. Darüber hinaus muss es am Institut übergreifend über die Forschungsbereiche aus verschiedenen Perspektiven beleuchtet werden.

Ein Forschungsschwerpunkt bleibt mitunter 15 Jahre lang bestehen – und damit weit über die Dauer der meisten Forschungsprojekte hinaus. Mit dem neuen Forschungsschwerpunkt wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Prozesse, Anlagen, Systeme und Netzwerke in Industrieunternehmen nachhaltiger gestalten und so die Ressourceneffizienz steigern.

Die politische Relevanz des Themas zeigt sich, auch mit Blick auf die in Deutschland bis 2050 angestrebte Klimaneutralität, etwa auch in der Kreislaufwirtschaftsstrategie der Europäischen Union. Ziel ist unter anderem die Entwicklung nachhaltiger Prozesse und Produkte, die langlebig sind oder sich wiederverwerten, reparieren oder wiederaufbereiten lassen. Zudem soll der Bedarf nach neuen Ressourcen gesenkt werden.

Erste Schritte zur nachhaltigen Produktion

Prüfstand für die Untersuchung von Laufbahnschäden
am Kugelgewindetrieb (Foto: Markus Breig, KIT)

Prüfstand für die Untersuchung von Laufbahnschäden
am Kugelgewindetrieb (Bildquelle: Markus Breig, KIT)

Auch Unternehmen, die zunächst weiter in linearen Produktionsketten arbeiten, werden von den Forscherinnen und Forschern dabei unterstützt, künftig effizienter mit Ressourcen umzugehen, indem sie einerseits ressourceneffiziente Komponenten entwickeln und entsprechende Anlagen gestalten und andererseits die Material- und Energieeffizienz von Fertigungsprozessen steigern.

Ein Forschungsprojekt aus der vorausschauenden Instandhaltung zielt daher darauf ab, bereits bei Schrauben, Muttern und zugehörigen Komponenten möglichst ressourcenschonend zu arbeiten. So liegt der Fokus des Projekts „Acoustic Emission Sensorik“ auf den Kugelgewindetrieben und der Frage, wie sie sich risikofrei möglichst lange im Betrieb halten lassen. Denn sie werden bislang meist sehr früh vorbeugend ausgetauscht, da sie das Risiko bergen, auszufallen und eine Werkzeugmaschine, und im schlimmsten Fall sogar die gesamte Produktion, vorübergehend stillzulegen. Mit Acoustic Emission Sensorik, also Sensoren, die Ereignisse im niederfrequenten Ultraschallbereich zwischen 20 kHz und 2 MHz wahrnehmen, lassen sich frühe Signale für einen nahenden Ausfall des Kugelgewindetriebs erkennen. Dies erlaubt das Überwachen und den Austausch zum idealen Zeitpunkt, um weniger Kugelgewindetriebe zu verbrauchen. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in Höhe von rund 266.000 EUR gefördert.

Ressourceneffizienz dank optimierter Prozesse

Als andere Methode, um die Fertigung ressourceneffizienter zu gestalten und auf Störgrößen im Prozess zu reagieren, kann die Oberflächenkonditionierung in der Zerspanung eingesetzt werden. Die DFG fördert das Schwerpunktprogramm mit einer Laufzeit von sechs Jahren mit 12 Mio. EUR. Hierbei werden Prozesse erforscht, mit denen sich Bauteilrandschichten optimieren lassen. Ziel ist es, basierend auf der Kombination geeigneter Sensorik mit Simulationsrechnungen und mittels Künstlicher Intelligenz dynamische Vorsteuerungen beziehungsweise -regelungen aufzubauen. Somit erreichen die gefertigten Bauteile trotz vorliegender Störgrößen im Prozess den gewünschten Zustand. Dadurch werden Produkte langlebiger, der Materialeinsatz reduziert und die Energieeffizienz von Baugruppen entscheidend verbessert. (sf)