Energieeffizienz bei thermischen Fügeverfahren – Gestaltung und Bewertung von Prozessketten (ENERWELD)

Problemstellung
Bei der Materialverarbeitung von metallischen Werkstoffen spielt das Fügen eine sehr wichtige Rolle. Dabei sind thermische Fügeverfahren wie das Lichtbogenschweißen, das Laserstrahlschweißen und das Rührreibschweißen heute in der Industrie etabliert. Sowohl bei der Entwicklung als auch bei der Weiterentwicklung dieser Verfahren standen bisher die Produktivität und die Machbarkeit im Vordergrund. Energetische Betrachtungen zur Effizienz spielten dabei bisher meistens nur eine untergeord-nete Rolle, obwohl gerade der Energieverbrauch bei thermischen Fügeverfahren erheblich ist. Derartige Betrachtungen müssen schon bei der Entwicklung und der Konstruktion von Produkten sowie deren Fertigungsprozessen berücksichtigt werden. Als Grundlage für die Identifikation von Ansatzpunkten für signifikante Effizienzverbesserungen dient die Energiestrombetrachtung von Fügeprozessen. Die im Rahmen des Konsortiums verfolgten Ansätze bestanden zum einen aus der Reduzierung der für stoffschlüssigen Verbindungen eingebrachten Wärmeenergie, was durch den Einsatz neuer hochfester niedrig schmelzender Zusatzwerkstoffe realisiert wurde. Weitere Punkte waren die Verringerung des Schmelzbadvolumens und die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades durch höhere Prozessgeschwindigkeiten. Darüber hinaus bot die Entwicklung energieeffizienter Anlagetechniken gerade im Bereich der Laseranwendung ein hohes Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz. Die genannten Ansätze wurden in einer ganzheitlichen Planung und Bewertung von energieeffizienten Prozessketten an Demonstratoren validiert.

Projektziele
Zur Entwicklung ressourceneffizienter Fügetechnologien bieten sich unterschiedliche Ansatzpunkte an. Der Einsatz von hochfesten niedrig schmelzenden Zusatzwerkstoffen auf Eisenbasis führt zu einem deutlich niedrigeren Energiebedarf beim Aufschmelzen und zu deutlich weniger Energieverlusten durch Wärmeleitung in die Bauteile. Zusätzlich führt die Verringerung des Schmelzbadvolumens zu einer erheblichen Energieeinsparung. Der thermische Prozesswirkungsgrad, also das Verhältnis der Energie, die zum Aufschmelzen erforderlich ist und derjenigen, die insgesamt in die Bauteile eingebracht wird, lässt sich durch höhere Prozessgeschwindigkeiten verbessern. Einen weiteren Ansatzpunkt bietet die Entwicklung energieeffizienterer Anlagentechnik. Weiterhin ergeben sich Möglichkeiten zur Einsparung von Hilfs- und Betriebsstoffen sowie Verkürzung der Prozessketten.
Zur Ermittlung der für die Herstellung eines Produktes benötigten Ressourcen wurde eine Planungsmethode entwickelt, welche es ermöglicht, die gesamte Fertigungsprozesskette hinsichtlich des Energieeinsatzes, des Einsatzes von Hilfsstoffen (Schutzgas, Zusatzwerkstoffe), der Anlagenverfügbarkeit sowie der Bearbeitungszeit zu bewerten und zu optimieren. Somit ergaben sich für das Verbundprojekt folgende Arbeiten, welche anhand von Demonstatoren hinsichtlich ihrer energiebilanz validiert wurden:
– Verringerung der Energieverluste durch Minimieren der einzubringenden Wärme,
– Verringerung der Energieverluste durch Verbessern des thermischen Wirkungsgrades,
– Verringerung der Energieverluste durch effizientere Anlagentechnik,
– Ganzheitliche Planung und Bewertung von energieeffizienten Prozessketten,
– Auslegung, Bewertung und Fertigung von Demonstratoren (Kranausleger, Baggerschaufel, Bumper, Achsträger, Hutprofil).

Vorgehensweise
Die Arbeiten im Projekt wurden in fünf Arbeitspakete untergliedert, die eng miteinander verzahnt waren. Im ersten Arbeitspaket stand die Minimierung der in das Werkstück einzubringenden Wärme durch Verringerung der Prozesstemperatur sowie Reduzierung des Fügezonenvolumens im Vordergrund. Das zweite Arbeitspaket zielte auf die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Diodenlaser- und Lichtbogenprozessen sowie des Rührreibschweißens ab. Imdritten Arbeitspaket wurde eine Weiterentwicklung der Anlagentechnik, d.h. effizientere Diodenlaser-, Lichtbogen- und Rührreischweißanlagen durchgeführt. Da es nicht sinnvoll ist, nur einzelne Komponenten bzw. Prozesse zu betrachten, wurde im vierten Arbeitspaket eine ganzheitliche Planung und Bewertung der Prozessketten unter den Gesichtspunkt der Energie- und Ressourceneffizienz erprobt.Im fünften Arbeitspaket wurden die verfolgten Ansätze durch Auslegung, und Fertigung von Demonstratoren bewertet.

Ergebnise und Anwendungspotential
Nach Abschluss des Verbundprojektes stehen neuartige Fügetechnologien zur Verfügung, die eine energieeffiziente bzw. ressourcenschonende Fertigung ermöglichen. Weiterhin ist mittels der zu entwickelnden Methoden eine Analyse der Prozesse hinsichtlich des Bedarfs an Ressourcen und daraus abgeleitet eine lebenszyklusorientierte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung möglich. Hierbei werden nicht nur die eingesetzten Werkstoffe sondern auch die Verbräuche von Schutzgas, elektrischer Energie und anderer Hilfsstoffe bewertet. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Vorbereitungsaufwand, z.B. für Spannvorrichtungen und die Nahtvorbereitung sowie den Nachbereitungsaufwand, z.B. Entfernen von Schmauch und Spritzern, zu betrachten.
Ausgehend von der Bewertung der einzelnen Prozesse und Prozessketten steht nun eine Software zur Verfügung, die es ermöglicht, unterschiedliche konventionelle und die neu entwickelten innovativen Prozessketten in ihrem Ressourcenverbrauch zu vergleichen und entsprechend auszuwählen.
Darüber hinaus ist für die Anwender das Softwaretool auch direkt zur Planung und Bewertung alternativer Prozessketten zum Schweißen im Hinblick auf ihren Energieverbrauch und ihre Wirtschaftlichkeit einsetzbar. Dieses Hilfsmittel kann rechnerunterstützt zu einer fundierten und nachvollziehbaren Entscheidung über die für einen konkreten Anwendungsfall zu favorisierende Prozesskette führen.

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