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Simulationsprozess für energieeffiziente Produktion

In Abhängigkeit von den Wirtschaftsmärkten unterliegen auch die Produktionsprozesse einem ständigen Wandel: Neue Produkte benötigen veränderte Technik, steigende Rohstoffpreise zwingen zu mehr Effizienz. Auch Automobilzulieferer müssen ihre Fertigungsverfahren anpassen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Sogar bei innovativen Produktionsverfahren, wie dem Presshärten, müssen sich Zulieferer immer stärkerem Konkurrenzkampf und zusätzlichen gesetzlichen Regularien stellen. Ein wettbewerbsorientierter Fertigungsbetrieb muss sich somit auch mit der energieeffizienten Produktion auseinandersetzen. Dabei können Erkenntnisse aus dem Bereich der Materialflusssimulation einen immensen Beitrag leisten.

Bild: Ruhr Universität Bochum/Projekt reBOP

Der industrielle Prozess des indirekten Presshärtens wird im Rahmen des Forschungsprojektes ‚Rebop‘ exemplarisch zur Durchführung einer Studie abgebildet und anhand der Kriterien ‚Zeit‘, ‚Kosten‘,’Qualität‘ sowie unter Berücksichtigung des wegweisenden Faktors ‚Energie‘ umfassend optimiert. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens der Ruhr-Universität Bochum installierten Sensoren zur Messung des Ressourcen- und Energieverbrauchs sichern die Genauigkeit und Nachhaltigkeit der durchgeführten Simulationsstudien und deren Validierung.

Der exemplarisch verwendete Produktionsprozess lässt sich in vier Teilschritte unterteilen. Nachdem das Bauteil bis zur Austenitisierungstemperatur im Ofen aufgeheizt wurde, wird es zur Presse transportiert. Die Presse schließt unmittelbar und kühlt mit ihrem wassergekühlten Werkzeug das Bauteil innerhalb weniger Sekunden auf die geforderte Temperatur herunter, wobei es unter Martensitbildung aushärtet. Nach dem Pressvorgang kann das Bauteil bei Bedarf noch Angelassen werden, um die Materialeigenschaften anzupassen. Eine anschließende Reinigung erleichtert die Schweißbarkeit der Bauteile, durch die Entfernung der gebildeten Oxidschicht.

Aufbau des Simulationsmodells

Parallel zum laufenden Produktionsprozess können mithilfe eines Simulationsmodells ‚Was-wäre-wenn‘-Szenarien getestet und optimiert werden. Dabei wird die Simulationssoftware Plant Simulation zur Modellierung des Musterprozesses eingesetzt. Der Funktionsumfang des Programms erlaubt es, hochkomplexe Produktionssysteme und Steuerstrategien, Logistiksysteme sowie Supply-Chain-Netzwerke abzubilden. Als Grundlage für die Durchführung der Simulationsstudien werden die benötigten technischen, Organisations- und Systemlastdaten ermittelt und analysiert. Die anschließende Durchführung mit allen vorhandenen Rückkopplungen wird nach VDI-Richtlinie 3633 umgesetzt. Zwei unterschiedliche Messkonzepte wurden ausgearbeitet und angewendet, um die erforderliche Simulationsgenauigkeit zu erreichen. Das erste Konzept erfasst die technischen, zeitbezogenen Daten und bildet somit die Datengrundlage des ersten Simulationsmodells. Im erweiterten Simulationsmodell werden im Zuge der Nachhaltigkeit die zusätzlichen Erkenntnisse der Messungen implementiert, um Rückschlüsse auf den Verbrauch und auf die Energieeffizienz der Produktionsanlage zu erhalten.

Aufschluss über Abhängigkeiten in der Produktion

Das Ziel der Simulationsstudie ist, Aufschluss über die Abhängigkeiten der verschiedenen Betriebszustände Aus, Standby, Rüsten, Hochfahren, Störung und Produktion zu erhalten. Diese Modi werden im Modellunternehmen zur Analyse des Prozesses verwendet und sind aus dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt hervorgegangen. Eine implementierte Routine erfasst während der Simulationsläufe die definierten Betriebszustände, sodass eine Aussage entsprechend der Vorgaben des Unternehmens getroffen werden kann. Die individuellen Verbrauchswerte werden den einzelnen Betriebszuständen zugeordnet. Auf der Maschinenebene sind für diesen Zweck Sensoren an entsprechenden Stellen, an denen der Ressourcenverbrauch relevant ist und somit das gesamte Produktionssystem beeinflusst, installiert. Das virtuelle Modell wird so ausgelegt, dass die aufgenommenen Messwerte als Kennlinienfelder für den Ressourcenverbrauch der Produktionseinheiten hinterlegt werden können. Ein Kennzahlensystem erleichtert die Interpretation und Bewertung der unterschiedlichen Szenarien. Der Zyklus des Härteofens, die Taktzeiten der Einzelkomponenten und die zeitliche Verteilung der Betriebszustände des Musterprozesses werden zunächst untersucht.

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