Projekt Antriebsstrang 2025
Energooszczędne łańcuchy procesowe do produkcji układów napędowych zoptymalizowanych pod kątem tarcia, masy i żywotności
Zmiany klimatyczne i polityka energetyczna to dwie główne kwestie w bieżącej polityce. Znajduje to również odzwierciedlenie w zaproszeniach do finansowania projektów. Wiele projektów badawczych ma na celu oszczędzanie energii lub redukcję emisji CO2. Duży projekt badawczy na Leibniz Universität Hannover dobiegł końca 28 lutego 2022 roku. Wraz z partnerami projektu, Instytutem Inżynierii Produkcji i Obrabiarek (IFW), Instytutem Projektowania Maszyn i Tribologii (IMKT) oraz Instytutem Spalania Technicznego (ITV) pracowali nad opracowaniem i produkcją zoptymalizowanego energetycznie samochodowego układu napędowego.
W ramach projektu "Powertrain 2025 - Energy-efficient process chains for the production of a friction-, weight- and service life-optimised powertrain" zbadano różne łańcuchy procesowe do produkcji reprezentatywnych komponentów układu napędowego (tuleja cylindrowa, wał napędowy i pompy). Celem projektu było wykorzystanie istniejących wyników badań w celu zastosowania ich w połączeniu w wysoce produktywnych łańcuchach procesowych w taki sposób, aby można było znacznie zaoszczędzić energię w fazie produkcji, ale układ napędowy również znacznie zyskuje na wydajności w fazie użytkowania i emituje mniej CO2.
Punktem wyjścia dla tego projektu był pomysł wykorzystania procesów obróbki powierzchni, które albo już istnieją, albo zostały dokładnie zbadane, ale nie są jeszcze w powszechnym użyciu, aby osiągnąć cel efektywności energetycznej. Zbadano celowe zastosowanie walcowania gładkiego lub głębokiego, mechanicznego młotkowania powierzchni, a nawet mikrostrukturyzacji lub honowania. W połączeniu z ultranowoczesnymi systemami kontroli łańcucha procesów, procesy te mogą być również produktywnie wykorzystywane w produkcji na dużą skalę i przyczyniać się do efektywności energetycznej i zasobooszczędności układu napędowego.
Rozmawialiśmy z trzema naukowcami IFW na temat projektu i poprosiliśmy ich o wyjaśnienie celu projektu, a przede wszystkim jego wyników.
Witam waszą trójkę, dziękuję za poświęcenie czasu na ten krótki wywiad. Chcieliśmy porozmawiać trochę o naszym wspólnym projekcie badawczym "Powertrain 2025 - Energooszczędne łańcuchy procesowe do produkcji układów napędowych zoptymalizowanych pod kątem tarcia, masy i żywotności". Benjamin, jako kierownik projektu, czy mógłbyś przedstawić nam jego ogólny zarys? O co chodziło i jaki był cel projektu?
Benjamin: W ramach projektu Powertrain 2025 opracowywane są innowacyjne łańcuchy procesów i koncepcje narzędzi hybrydowych, aby uczynić fazę produkcji i wykorzystania komponentów układu napędowego bardziej energooszczędną i zasobooszczędną. Ponadto przeprowadzana jest ocena ekologiczna opracowanych łańcuchów procesów. Celem jest zwiększenie efektywności wykorzystania energii i zasobów w produkcji i utylizacji komponentów napędowych. Ma to przyczynić się do ochrony klimatu.
Oliver: Zasadniczo chodzi więc o wykorzystanie istniejących technologii w produkcji na dużą skalę, aby oszczędzać energię w fazie produkcji, ale także w późniejszej fazie użytkowania, prawda? Christopher, czy możesz wyjaśnić różne technologie, które zostaną wykorzystane w projekcie?
Christopher: Wszystkie wykorzystywane przez nas technologie pochodzą z dziedziny technologii produkcji. Obejmują one zarówno produkcję addytywną i obróbkę skrawaniem, jak i procesy wykończeniowe, takie jak głębokie walcowanie, nagniatanie rolkowe i honowanie. W obróbce skrawaniem wykorzystywane są konwencjonalne procesy toczenia i frezowania, ale także innowacyjne procesy mikrostrukturyzacji i toczenia form.
Oliver: A w jaki sposób dwie metody obróbki powierzchni, walcowanie głębokie i mikrostrukturyzacja, są faktycznie wykorzystywane w projekcie i jakie są ich wyniki? Czy możesz wyjaśnić dwa przykłady z projektu?
Christopher: Walcowanie głębokie jest wykorzystywane do obróbki wałów napędowych. Byliśmy w stanie zmniejszyć grubość ścianek wałów napędowych i jednocześnie zwiększyć ich żywotność. Jest to możliwe, ponieważ proces obróbki wprowadza wewnętrzne naprężenia do strefy krawędzi obrabianego przedmiotu. Powoduje to utwardzenie materiału i wydłużenie żywotności pomimo zmniejszonej grubości ścianki. Zmniejsza to wagę i minimalizuje prawdopodobieństwo uszkodzenia komponentu.
Wykorzystujemy mikrostrukturyzację w innym aspekcie zachowania aplikacji: zachowaniu podczas tarcia. Wprowadzamy mikrostruktury na powierzchnię tulei cylindrowych w celu zmniejszenia tarcia między tuleją a tłokiem. Efekt jest taki, że zapobiegamy uszkodzeniu filmu smarnego przez kieszenie smarowe, a tym samym zmniejszamy zużycie i straty tarcia. W rezultacie możemy zmniejszyć siłę tarcia nawet o 20%, co przekłada się na oszczędność paliwa rzędu 1%. W skali całych dużych silników przemysłowych, np. na statkach, w górnictwie lub generatorach, oszczędności szybko się sumują. Jeśli dodamy do tego mikrostrukturyzację przegubów o stałej prędkości w układzie napędowym, sama redukcja tarcia może zaoszczędzić 760 000 ton CO2.
Oliver: Ok, to był w zasadzie poziom technologiczny, jakie właściwości wytwarzają procesy na komponentach. Jak to wygląda na drugim poziomie? Jak te procesy pasują do produkcji na dużą skalę? Jakie trendy tu dostrzegasz?
Benjamin: Trendy, które obserwujemy, to wszechobecna automatyzacja i cyfryzacja danych procesowych, które są wykorzystywane na przykład do kontroli i monitorowania. Zapewnia to nie tylko wzrost produktywności, ale także potencjał oszczędności energii, np. poprzez zmniejszenie liczby odrzutów lub skrócenie łańcuchów procesów. Na przykład poprzez wyeliminowanie obróbki na twardo. Procesy te mogą być wykorzystywane w produkcji na dużą skalę, ponieważ anomalie można łatwo wykryć w tych ustalonych procesach. Oczywiście wdrożenie jest następnie przeprowadzane przez firmy, ale możemy wspólnie rozwiązywać wyzwania, pracując razem.
Oliver: Leon, i tu właśnie wkraczasz ty. Projekt wykazał, że głębokie walcowanie i mikrostrukturyzacja mają ogromne zalety dla właściwości komponentów i że te dodatkowe procesy można zintegrować z produkcją na dużą skalę w wysoce produktywny sposób. Ale jaki wpływ ma to wszystko na zużycie energii? Czy możesz przedstawić wyniki projektu?
Leon: Oczywiście, z przyjemnością to zrobię! W ramach całego projektu Powertrain 2025 wybraliśmy trzy różne zmienne docelowe, które chcieliśmy poprawić w szczególności poprzez nasze prace badawcze. Są to masa układu napędowego, tarcie i energia produkcyjna. Zmniejszenie masy układu napędowego nie tylko oszczędza surowce, ale także zmniejsza zależne od masy emisje zanieczyszczeń w okresie eksploatacji pojazdu.
W ramach projektu udało nam się zmniejszyć masę układu napędowego o 6 kg, co przekłada się na roczny potencjał oszczędności w wysokości prawie 196 900 ton CO2. Christopher wspomniał już o ukierunkowanym wprowadzeniu mikrostruktur. Pozwoliło nam to zminimalizować tarcie o 759 000 ton CO2. Wreszcie, opracowując innowacyjne łańcuchy procesowe do produkcji układu napędowego, byliśmy w stanie zmniejszyć zużycie energii produkcyjnej o 12 905 MWh/rok. Odpowiada to potencjalnej oszczędności 35 241 ton CO2. Łącznie mamy zatem roczny potencjał oszczędności na poziomie 991 141 ton CO2 w Niemczech. Myślę, że to już robi wrażenie i bardzo dobrze pokazuje potencjał naszych prac badawczych!
Oliver: Ok, jeśli potencjał oszczędności jest tak duży, czy macie już projekty lub prośby o przeniesienie wyników? Jakie są główne wyzwania związane z wdrożeniem? A konkretnie, jak powinien wyglądać transfer do świata rzeczywistego? Co na ten temat mają do powiedzenia producenci OEM biorący udział w projekcie?
Benjamin: Największy potencjał istnieje w produkcji wałów napędowych do samochodów, ponieważ to właśnie tam produkowane są największe ilości, które są również w dużej mierze niezależne od rodzaju napędu (elektryczny, spalinowy). Ponadto, jest to miejsce, w którym możemy najłatwiej przenieść uzyskane oszczędności masy na inne warianty komponentów, ponieważ do tej pory przyjrzeliśmy się tylko jednej wersji. Wyzwaniem jest tutaj przede wszystkim interwencja w wysoce zautomatyzowane łańcuchy procesów produkcyjnych na dużą skalę, a także inwestycje. Skonfigurowane procesy, na przykład głębokiego walcowania, są już bardzo zbliżone do rzeczywistości przemysłowej, ale ostatnie szczegółowe kroki muszą być przeprowadzone w ścisłej koordynacji z produkcją partnerów.
Oliver: Dziękujemy za rozmowę i za wspaniałą współpracę nad wspólnym projektem. Współpraca zawsze była świetną zabawą dla nas i dla mnie osobiście.
Więcej informacji na temat głębokiego walcowania można znaleźć w artykule w Industrieanzeiger na temat projektu badawczego z Volkswagenem - Druk 3D odpowiedni do seryjnej produkcji motoryzacyjnej. Instytut Inżynierii Produkcji i Obrabiarek (IFW) na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze i Volkswagen AG w Brunszwiku współpracują przy projekcie z udziałem ECOROLL AG Werkzeugtechnik.
