Bionik Werkzeugmaschinenbau nutzt Gestaltungsprinzipien der Natur

Autor / Redakteur: Annedore Munde / Udo Schnell

Bionik im Werkzeugmaschinenbau ist ein Denkansatz, mit dem die Effizienz der Anlagentechnik erhöht werden soll. Vorgestellt wurden einige dieser Konstruktionsprinzipien am Fraunhofer-IWU. Im Fokus der Konferenz standen Prozesse, die maßgebliche Auswirkungen auf die Effizienz infolge der Mobilität haben.

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Nach dem Vorbild der Natur entwickelten das Fraunhofer-IWU und Voith Paper Services eine mobile Schleifeinheit für die Walzeninstandsetzung bei der Papierherstellung.
Nach dem Vorbild der Natur entwickelten das Fraunhofer-IWU und Voith Paper Services eine mobile Schleifeinheit für die Walzeninstandsetzung bei der Papierherstellung.
(Bild: Fraunhofer IWU)

Zum 2. International Chemnitz Manufacturing Colloquium ICMC, das in diesem Jahr thematisch durch das 2. Internationale Kolloquium des Spitzentechnologieclusters „Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovationen in der Produktionstechnik“ (eniprod) ergänzt wurde, standen insgesamt sechs Themenblöcke zur ressourceneffizienten Produktion und Gestaltung von Powertrain-Komponenten für den Automobil-, Luft- und Schienenfahrzeugbau auf der Tagesordnung.

Das optimale Elektroauto schafft Probleme mit den klassischen Autos

Vor über 250 Gästen aus 17 Ländern wurden Lösungen aus Industrie und Forschung vorgestellt, die ein Einsparpotenzial bereits auf Fabrik-, Prozess- und Maschinenebene erreichen. „Die Produktionstechnik verursacht heute mit etwa 28 % einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch in Deutschland. Dies erfordert radikale technische Innovationen auch mit Blick auf den Maschinen- und Anlagenbau“, so Prof. Reimund Neugebauer, Leiter des Fraunhofer-IWU und geschäftsführender Direktor des Instituts für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse IWP der TU Chemnitz.

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Im Fokus der Konferenz standen Powertrain-Komponenten und Prozesse, die maßgebliche Auswirkungen auf die Effizienz und die Umweltbelastungen infolge der Mobilität haben. So skizzierte Prof. Werner Neubauer, Markenvorstand der VW AG, die Trends in der Automobilindustrie, die daraus resultieren: „Vor allem vier Faktoren erzeugen aus meiner Sicht einen massiven Anpassungsdruck auf die Automobilhersteller und ihre Zulieferer: die Verschiebung von Absatzmärkten, die Nachfragedifferenzierung und der demografische Wandel in den westeuropäischen Industrienationen, die wachsenden Anforderungen des Klimaschutzes und die technologische Wende zu alternativen Antrieben.“

Und Neubauer weiß auch, was dies für die Branche bedeutet: „Wenn wir es schaffen, ein Elektroauto zu fertigen, das auf den Punkt genau passt, dann haben wir ein Problem mit den klassischen Autos.“

Nullemissionsfabrik ist möglich

Klimawandel und Rohstoffverknappung erfordern eine umfassende Betrachtung aller Ressourcen über die gesamte Wertschöpfungskette. „Eine ganzheitliche Bilanzhülle muss das Ziel sein“, erklärte Prof. Günther Schuh, Direktor des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT. Energetisch autonom arbeitende Fabriken seien ein Schritt in diese Richtung. „Auch Nullemissionsfabriken sind für viele Produktionsbereiche heute bereits möglich“, so Schuh weiter.

Die Interaktion von Produktentwicklung, Prozessgestaltung und Maschinenentwicklung erfordert jedoch nicht nur unter Energieaspekten eine komplexe Betrachtung. Was Effizienz in diesem Kontext für Systemlieferanten bedeutet, erläuterte Dr. Hermann Becker, Leiter Produktion bei der ZF Friedrichshafen AG.

„Der erste Schritt zur Prozessgestaltung für die Produktion eines Produktes ist es, herauszufinden, was ich selbst in meiner Fabrik mache und was ich einkaufen möchte“, so Becker. Aber er betont: „Wer Kerntechnologieen nach außen gibt, muss Schrittmacher bleiben.“ Die Verantwortung für die Lieferkette beginnt bei der Gestaltung der internen Prozessketten. Dabei benötige man für Make- und für Buy-Teile eine Prozessgestaltung. „Der beste Mix einer Prozesskette ist entscheidend, das heißt, das Beste aus allen Fachbereichen“, so Becker weiter.

Ameisen als Vorbild für den Walking Tractor

In der Tier- und Pflanzenwelt ist die Prozessgestaltung größtenteils bereits erfolgreich vollzogen. Denn die Natur bietet viele funktionsfähige und bedarfsgerechte Lösungen, die eine durchaus ganzheitliche Energie- und Ressourcenbilanz aufzuweisen haben. Die Evolution hat dabei Langzeitoptimierungsprozesse bewirkt, durch die letztendlich die bestmöglichen Lösungen für bestimmte Prozesse entstanden sind. „Die Kurzzeitoptimierung technischer Systeme wird effizient durch Lernen von der Natur“, weiß Steffen Ihlenfeldt, Abteilungsleiter Werkzeugmaschinen am Fraunhofer-IWU.

Er nennt Beispiele aus der Struktur- und Bewegungsbionik: Die Haifischhaut und deren mikroskopische Schuppen dienen als Vorbild bei der Reibungsminimierung durch den Einsatz von vergleichbaren Nanoschichten. Die winzig kleinen Ameisen können als Formation große Lasten bewegen und dienen so als Vorbild für den sogenannten Walking Tractor des Forstmaschinenherstellers John Deere. Und natürlich der bewegliche Elefantenrüssel, der in angepasster Form bereits in vielen technischen Bereichen genutzt wird.

Mobilität ist ein typisches Prinzip bei der Bearbeitung in der Natur. So zum Beispiel der Specht, der einen Baum „bearbeitet“. Mit Blick auf die Bewegungsbionik lautet die technische Interpretation: Kleine mobile Maschine (Specht) bearbeitet großes stationäres Werkstück (Baum). Angewandt auf den Maschinenbau ist das Prinzip durchaus übertragbar. Ihlenfeldt nennt eine mobile Schleifeinheit für die Walzeninstandsetzung bei der Papierherstellung – ein gemeinsames Projekt der Voith Paper Services und des Fraunhofer-IWU.

Anforderungen an mobile Maschinen

„Bei der Entwicklung von mobilen Werkzeugmaschinen wie dieser gilt es, einige Herausforderungen zu meistern“, so der Wissenschaftler: So ist eine Orientierung am Koordinatensystems des Werkstücks nötig. Das Werkstück ist bei der Definition der Bewegungsabläufe Teil der Maschinenstruktur.

Um die Flexibilität in der Bearbeitung zu realisieren, sind außerdem hochdynamische, energieeffiziente Techniken mit niedrigen Bearbeitungskräften unabdingbar. Die Ausgangssituation für den Prozess und die Prozesstechnik ist dabei immer vergleichbar: die Bearbeitung großer Werkstücke und der regelmäßige Transport der Anlagentechnik.

Dass kleine mobile Werkzeugmaschinen somit sehr vielen Anforderungen gerecht werden müssen, liegt auf der Hand: denen an die Mobilität und denen an die Werkzeugmaschine selbst. Mit Blick auf die Mobilität bedeutet das: schnelle Inbetriebnahme am Einsatzort, Genauigkeit nach dem Umbau, beherrschbares Kollisionsrisiko, schnelle Anpassung an geänderte Aufgaben inklusive der erforderlichen Programmierung, Integrationsmöglichkeit weiterer NC-Achsen und Messsysteme und gegebenenfalls auch ein Transport mit dem Flugzeug.

Die Werkzeugmaschine – entscheidender Baustein für eine effiziente Prozesskette

Die Anforderungen an die Werkzeugmaschine selbst heißen: geringe Massen, geringe Reaktionskräfte auf Umbaukonstruktion, die Möglichkeit der Fünf-Achs-Bearbeitung, Demontierbarkeit, Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit sowie flexible mechanische Schnittstellen.

Die Werkzeugmaschine ist ein entscheidender Baustein für eine effiziente Prozesskette. Auf die gesamte Wertschöpfungskette bezogen, formuliert Prof. Reimund Neugebauer die Anforderungen so: „Null Abfall, null Produktionsausfall, null Kreislaufverlust und Funktionsintegration.“

Dieser rote Faden durchzog alle 38 Vorträge des Kolloquiums. Und dass die Veranstaltung in diesem Jahr unter der Schirmherrschaft der Internationalen Akademie für Produktionstechnik CIRP stand, verdeutlicht die weltweite Bedeutung des Themas Effizienz im Maschinenbau.

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