Prozess-CO2-Rechner Via Tool zur CO2-effizienten Zerspanung

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GGB Heilbronn GmbH

Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Ein Konsortium hat einen Prozess-CO₂-Rechner für die Zerspanung entwickelt. Prozessabhängig und Werkstück bezogen kann dabei die CO₂-Entstehung im Rahmen eines Bearbeitungsprozesses bestimmt werden.

Ressourceneffizienz ist in vielen Bereichen der technischen Entwicklung zu einem wichtigen Qualitätsmerkmal geworden. Gleichwohl steht insbesondere die Produktionstechnik im Zugzwang um die im Rahmen des Green Deals seitens der EU gesetzten Treibhausgas Einsparziele im Sektor Industrie bis 2030 zu erreichen. Zur Unterstützung der Werkzeugmaschinenhersteller bei ihren Bemühungen in diesem Umfeld, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung bereits frühzeitig eine Forschungsförderung initiiert. Partner aus Forschung und Industrie arbeiteten in 31 unterschiedlichen Forschungsprojekten zusammen, um die Ressourceneffizienz im Produktionsumfeld zu verbessern. Diese Initiative entstammt bereits aus dem Jahre 2009 und zeigt sich im Rückblick als eine Vision die weit in die aktuelle Zeit hineinragt. In den damaligen Projekten wurden erstmalig systematische Forschungen zum umfassenden Verständnis des Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen durchgeführt. [1]

The Next Level – von der Energieeffizienz zur CO₂-Betrachtung

Bei der anfänglich propagierten „Energieeffizienten Werkzeugmaschine“ wurden verschiedenste Maßnahmen an der Werkzeugmaschine vorgeschlagen um dieses Produktionssystem effizient zu gestalten (Bild 1). Allerdings war eine vergleichende Betrachtung und daraus folgende Optimierung zwischen Energieeinsparung und Materialeinsparung schwer durchzuführen. Zusätzlich zur energetischen Betrachtung sind für eine CO₂-Bewertung neuartige Methoden notwendig. Dies umfasst die Bestimmung der intrinsischen CO₂-Äquivalente von Material und Stoffströmen bezogen auf das Produktionssystem selbst. Damit muss einerseits der Product Carbon Footprint der Werkzeugmaschine bestimmt werden. Das Tool Carbon Profit wurde speziell für diese Fragestellung entwickelt. Zusätzlich besteht jedoch die Notwendigkeit das Treibhausgaspotential der Maschine während bzw. aufgrund der Bearbeitung zu erfassen. Im Rahmen des vom Land Baden-Württemberg geförderten Projektes CoRezOpti kann diese Herausforderung angegangen werden. Ein Projektkonsortium (HFU Campus Tuttlingen, IFW Stuttgart, wbk Karlsruhe und den Firmen Kern Werkzeuge, Maier Machines, Mesaparts) entwickelt einen Prozess-CO₂-Rechner für die Zerspanung. Prozessabhängig und Werkstück bezogen kann dabei die CO₂-Entstehung im Rahmen eines Bearbeitungsprozesses bestimmt werden. Diese beiden Tools erlauben nun eine ausgewogene Gewichtung zwischen energetischen und stofflichen Einsparungen.

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Anwendungsbeispiel PCF-Berechnung mit Carbon Profit

Die Berechnung des Product Carbon Footpring (PCF) für Werkzeugmaschinen soll beispielhaft anhand eines PCF-Vergleichs zweier in der Anwendung konkurrierenden Maschinentypen erläutert werden. Als Anwendungsfall dient die Bearbeitung eines Mikrobauteils (Maulteil) aus der Medizintechnik. Üblicherweise werden dazu von den Anwendern Mikrobearbeitungzentren wie die Zorn microone, oder aber auch kompakte Bearbeitungszentren aus dem Standardbereich eingesetzt. Die Bearbeitung erfolgt auf der microone unter MMS und im Standardprozess als Nassbearbeitung.

Systemgrenze zur Eingrenzung der Berechnung

Die Berechnung des Product Carbon Footprints (PCF) verlangt eine Eingrenzung des Systems anhand von nachvollziehbaren und fixen Systemgrenzen (Bild 4). Dabei liegt der Fokus auf dem eigentlichen Produkt Maschine, die Eingrenzung erfolgt prinzipiell nach der Cradle-to-Gate-Betrachtung. Dies beinhaltet den Produktionsprozess der einzelnen Bauteile und Baugruppen von der Rohstoffgewinnung der Werkstoffe über die Bearbeitung der Roh- und Halbzeuge bis hin zur Montage. Betrachtet werden zusätzlich die Montagefläche, der dafür notwendige Energiebedarf sowie die Inbetriebnahme und Hilfsmittel. Um eine vergleichende Aussage der Zorn microone im Verhältnis zum kompakten Bearbeitungszentrum beim Anwender treffen zu können, wird die Bearbeitung des Maulteils energetisch und Footprint (PCF) bezogen innerhalb der Systemgrenzen eingebunden. Das Ergebnis der Berechnung führt zu einem absoluten CO₂-Wert in Tonnen. Dabei gilt es zu beachten: Eine spätere Vergleichbarkeit des absoluten Wertes ist laut der DIN EN ISO14067 nur bei vollständig identischen Systemgrenzen zulässig. Ein deutliches Über- bzw. Unterschreiten des Vergleichswertes bei nicht identischen Systemgrenzen ist nicht ausgeschlossen.

Methodik des Carbon Profit

Die Berechnung des PCF auf Basis des Carbon Profit erfolgt streng nach den Vorgaben der DIN EN ISO 14067. Damit ist es nun möglich stücklistenbasiert den PCF-Wert sämtlicher enthaltener Bauteile zu einer Gesamtsumme aufzusummieren. Sofern die Bauteile in Eigenproduktion entstanden sind bzw. die jeweiligen Lieferanten den PCF-Wert ihrer Bauteile nennen können, erweist sich diese Vorgehensweise als trivial. Die eigentliche Herausforderung betreffen Baugruppen und Bauteile von denen der Carbon Footprint nicht bekannt ist. Insgesamt haben die Marktteilnehmer inzwischen ein umfassendes Verständnis zu der Bedeutung des Carbon Footprints Ihrer Produkte, trotz alledem ist bei den meisten Kaufteilen kein herstellerspezifischer PCF-Wert ermittelbar. Hier zeigt nun der von Prowerk und der HFU entwickelte Carbon Profit seine Stärke. Zunächst wird der Werkstoff analysiert, zugeordnet und durch bekannte CO₂-Äquivalente bemessen. Im weiteren Verlauf kann auf Basis von Expertenwissen abhängig von der Bauteilkomplexität und den Bauteileigenschaften der Bearbeitungsprozess energetisch und stofflich analysiert und mit CO₂-Äquivalenten belegt werden. Daraus entsteht dann für Bauteile über Baugruppen der PCF für das Gesamtsystem. (Siehe Bild 5)

WISSENSFORUM ZERSPANUNG

Potenziale in der Zerspanung heben

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Ressourcenschonender Materialeinsatz reduziert den Product Carbon Footprint

Die Analyse der Ergebnisse folgt frei nach dem Prinzip: Der Laie staunt, der Experte wundert sich. Bereits in einem ersten Durchlauf können die CO₂-Treiber innerhalb der Maschinenkonstruktion erkannt werden, womit zukünftig eine CO₂ optimierte Bauweise abgeleitet werden kann (Bild 6). Demgegenüber werden aber auch im Rahmen der Berechnung besonders ressourcenschonende und damit CO₂ effiziente Bauteile und Werkstoffe ersichtlich. Die Zorn microone kann hier beispielsweise mit dem Bettwerkstoff Granit aufwarten. Der Stein entstammt der Natur und ist somit CO₂ neutral, lediglich die Präzisionsbearbeitung des Granits trägt nennenswert zum Carbon Footprint bei. Der bedeutendste Einfluss entstammt jedoch aus dem Maschinenprinzip. Als Mikrobearbeitungszentrum ist die Zorn microone in sämtlichen Bauteilen kleiner wie das kompakte Bearbeitungszentrum. Das reduziert die statischen und dynamischen Massen erheblich und damit den CO₂ Impact.

Ergebnisdarstellung und Interpretation Carbon Profit

Die Darstellung des Ergebnisses innerhalb der beschriebenen Systemgrenzen basiert auf sämtlichen Bauteilen laut Stückliste, inklusive der Fertigung von den mechanischen Bauteilen, der Hydraulik, den Fluiden, dem Kühlmittel über die Elektrik bis hin zum Schaltschrank. Dabei fällt die Summe CO₂ in Tonnen deutlich zugunsten der Zorn microone aus. Während das moderne kompakte 5-Achs-Bearbeitungszentrum absolut einen Fußabdruck von knapp 49 Tonnen CO₂ rechtfertigen muss, kann die Zorn microone um einen beinahe 4-fach geringeren CO₂-Fußabdruck mit 14 Tonnen CO₂ aufwarten. Ein geringerer CO₂-Fußabdruck Zorn microone war aufgrund der Massenverhältnisse zu erwarten, jedoch ist der um Faktoren geringere CO₂-Wert durchaus überraschend. (Bild 7).

Auch bei der für den Anwender spannenden Fragestellung welchen CO₂-Verbrauch beide Maschinen im Betrieb während der Bearbeitung des Musterbauteils (Maulteil) haben, zeigt sich ein ähnliches Bild. Bewegte Massen besitzen einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf und höhere Massen schneiden daher physikalisch bedingt schlechter ab. Die hochdrehenden Arbeitsspindel der microone ermöglicht bei identischer Zerspanraten mit einem geringerem Spanquerschnitt und den geringeren Massen niedrigere Zerspankräfte. Dies führt zu einem geringeren Energiebedarf. Darüber hinaus reduziert die MMS-Schmierung im Vergleich zur Vollstrahlkühlung nicht nur das Schmiermedium, sondern kann bei einem geringeren Energieverbrauch deutlich CO₂ schonender betrieben werden. Das heißt auch für den Prozess CO₂-Fußabdruck zur Bearbeitung des Maulteils ist die Zorn microone mit nur 15 Prozent CO₂-Anfall gegenüber dem kompakten Bearbeitungszentrum deutlich im Vorteil.

[1] Brecher; C. Herfs, W.; Heyers, C.: Ressourceneffizienz von Werkzeugmaschinen CNC Arena Ausgabe 2 ; 2011

[2] Brecher, C.; Bäumler, S.; Bode, H.; Breitbach, T.; Hansch, S.; Hennes, N.; Prust, D.; Tannert, M.; Thoma, C.; Wagner, P.; Witt, S.; Würz, T: Ressourceneffizienz im Werkzeugmaschinenbau, Proceedings of Aachener Werkzeugmaschinenkolloquium (AWK) 2011, Brecher, C., Klocke, F., Schmitt, R., Schuh, G. (Hrsg.), Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik: Aachener Perspektiven, 2011

* Prof. Dr.- Ing. Siegfried Schmalzried

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