Mehr denn je ist es heute erforderlich Innovationen durch eine unternehmensübergreifende Zusammenarbeit voranzutreiben. Dazu eignet sich vor allem die Zusammenarbeit innerhalb einer Lieferkette, da hier auf die Anforderungen an die unterschiedlichen Belange an Werkstoffe und Verfahren zur Herstellung von Produkten optimal eingegangen werden kann. Die eiffo eG ist in diesem Sinne mit dem Schwerpunkt Oberflächentechnik am Markt aktiv. Im Rahmen eines von eiffo organisierten Workshops wird jährlich über den Fortschritt von Projekten berichtet sowie mögliche neue Zusammenarbeiten und Zielrichtungen beispielsweise zur Steigerung der Produktionseffizienz oder Verbesserung des Umweltschutzes initiiert. Zu der inzwischen zum dritten Mal stattfindenden Veranstaltung konnte Udo Sievers am 5. Oktober in Karlsruhe etwa 50 Teilnehmer aus Industrie und Forschung begrüßen.
Strategie
Der Vorsitzende der eiffo eG Udo Sievers hob einführend die strategische Entwicklung der Netzwerkaktivitäten als einen wichtigen Punkt der Arbeit hervor. Unter dem neuen Begriff eiffo:net werden in Zukunft die bisherigen Netzwerktätigen zusammengelegt und weitergeführt. Aktuell sind 40 Unternehmen in das Netzwerk eingebunden mit denen drei bis vier Projekte pro Jahr angestoßen werden können. Das Netzwerk mit den schwerpunktmäßig abgedeckten Fachbereichen Oberflächentechnik und Schichtsysteme, Produktion, Ressourceneffizienz und Lieferkettenbetrachtung ist zu 100 % marktfinanziert. Darüber hinaus sind 14 Hochschulen und Forschungsunternehmen mit eingebunden.
Die Arbeiten von eiffo gliedern sich in Ingenieurdienstleistungen und F&E. Dabei ist die Markumsetzung gemeinsam mit den Industriepartnern ein wichtiger Bereich. Zu Forschung und Entwicklung bringt sich eiffo unter anderem auch selbst als Projektpartner mit ein, derzeit beispielsweise im Projekt MEMAN, das sich mit Auswirkungen einzelner Abläufe innerhalb der Lieferkette befasst. Als Ergebnis des Projekts können beispielsweise sehr effiziente Handlungsweisen durch veränderte Produktionsprozesse gewonnen werden, wie sie infolge der REACh-Verordnung auftreten können.
Basis für erfolgreiche Projekte ist nach Erfahrung von Udo Sievers eine intensive Kooperation. Für die Projekte werden neue Fördermöglichkeiten in Anspruch genommen, beispielsweise in Zusammenarbeit mit der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, das themenoffene Programm des BMBF KMU-NetC, Testumgebungen für Industrie 4.0 oder europäischen Finanzierungsmöglichkeiten.
Ein erster Schritt zur Vorbereitung eines Projekts ist die Durchführung von Initiativprojekten. Daraus entstehen dann die F&E-Projekte in konkreter Zusammenarbeit mit den interessierten Unternehmen.
Projekte – Status quo
Berthold Sessler gab einen Überblick über den Stand der Projekte. Fertig gestellt wurden Projekte mit zwei Projektpartnern zur Bestimmung der Verschleppung direkt an der Arbeitsstation, bei dem beispielsweise Gewichtsbestimmung an Trommeln mit Auflösungen bis 50 g vorgenommen wurden. Die Untersuchungen erlauben Schlüsse auf die notwendige Nachdosierung sowie den Spülwasserverbrauch.
Ein weiteres Projekt befasst sich mit der Abscheidung von Kupfer-Zink-Zinn als Ersatz für galvanisch abgeschiedenes Nickel, beispielsweise unter Einsatz von Pulsstrom. In dem Projekt zum Thema Elektrolytbewegung kam ein Zyklonfiltersystem zum Einsatz, das die Trennung von Partikel ab 5 µm und größer erlaubt. Gute Ergebnisse wurden für das galvanische Verzinken und die chemische Vernickelung erzielt. Die automatisierte Bestückung mit integrierter Kontrolle war ein weiteres Projekt. Wenig zufriedenstellend sind hierbei die Ergebnisse der Qualifizierung, da die Prüfung durch Personen im Moment noch weitaus besser erfolgt.
Beim Projekt über selbstheilende Schichten für die Zinkbeschichtung zur Erhöhung des Korrosionsschutzes kommen Nanocontainer zum Einsatz. Dieses Projekt führte unter anderem dazu, dass sich die beteiligten Unternehmen im Nachgang deutlich intensiver mit F&E befassen.
Aktuell laufend ist unter anderem ein Projekt zur Anodenoptimierung, bei dem das Auflöseverhalten von Zinkanoden verbessert werden soll. Die Auflösung wird vor allem durch Anpassen der Anodenform optimiert. Abluftreinigung und Wärmerückgewinnung sind die Themen eines weiteren laufenden Projekts, das beispielsweise für die Hartverchromung von großem Interesse ist. Das System muss in bestehende Anlagen integrierbar und auf andere Unternehmen übertragbar sein. Beim Projekt Galvanik4.0 steht die Entwicklung integrierter Energie- und Stoffmanagement im Vordergrund. Das Verfahren wird bei der Beschichtung von Verbindungselementen getestet.
Ein umfangreicher Blick auf die Auswirkung von Veränderungen entlang der Lieferkette wird bei MEMAN gerichtet (Material and Energy flow Management in MANufacturing value chains). Hier sollten die Einflüsse von Materialqualität auf die Fertigung eines Produkts ermittelt werden. Arbeiten zur Entwicklung und dem Einsatz von Legierungsschichten führten zu einem Projekt über Multilagen, mit dem der Korrosion- und Verschleißschutz unter Nickelfreiheit erzielt werden kann. Ein umfangreicher Part ist hier die Analytik der Schichten sowie der Prozessstoffe.
Neue angestoßene Arbeiten laufen zu wasserbasierten Zink-Lamellen-Beschichtungen oder der Abscheidung von Hartchrom unter Einsatz von Chrom(III)verbindungen. Beim Einsatz von Polymercontainer als Baukasten wird die Möglichkeit untersucht, einheitliche Container mit unterschiedlichen Stoffen zur Erzielung unterschiedlicher Eigenschaften zu verwenden.
Roadmap
Dr. Uwe König befasste sich mit der Technologie-Roadmap aus Sicht der eiffo sowie den Unternehmen, die als Partner im Netzwerk mitarbeiten, wobei Erkenntnisse der bisherigen Netzwerke WeGaNet und REOnet einfließen werden. Die Erfahrungen führten zu einer unterschiedlichen Betrachtung einer Roadmap: produkt- oder produktionsorientiert. Betrachtungen der Innovation der letzten Jahre zeigen, dass bei der Entwicklung neuer Werkstoffe und neuer Produktionsverfahren Oberflächentechnik stets beteiligt ist. Darüber hinaus nimmt der Datenaustausch einen immer höheren Wert ein. Motivationen für neue Projekte basieren auf Leichtbauwerkstoffe, den Einsatz von Nanopartikeln oder integrierte Sensoren. Weitere Motivationen ergeben sich aus der Verbindung von Technologien, beispielsweise durch kombinierte Verschleiß- und Korrosionserkennung oder der Kodierung/Markierung von Produkten unter Einsatz von Beschichtungstechnik.
Lieferkette als Schlüssel zur einer nachhaltigen Oberflächentechnik (Bild: U. König)
Schließlich werden Roadmaps durch die Anforderung von Kunden beeinflusst. Als Beispiel führte er die Automobilindustrie an, die in älteren Anforderungen die Frage nach den eingesetzten Werkstoffen in den Produkten stellte und seit kurzem auch nach den im Prozess verwenden Stoffen fragt. Zu diesem Zweck rückt der Vergleich der unterschiedlichen Technologien immer stärker in den Fokus.
Als Ergebnis der Betrachtungen ergeben sich Schwerpunkte wie die Ressourceneffizienz in Prozessen und Lieferketten, die Erweiterung der Produktfunktionalität, Messverfahren, Simulationsverfahren oder neue Schichtsysteme. Somit sollten Punkte wie Materialien, neue Funktionen, Prozesstechnik oder Datenaustausch, -nutzung und -kontrolle in einer zielführenden Roadmap enthalten sein. Aufgabenstellung gehen nach Ansicht der eiffo zu einer stetig stärkeren Einbeziehung der Kunden der Oberflächentechnik, der Schaffung einer breiteren Verfahrensbetrachtung, das Verbinden von Elementen in der Liefer- und Wertschöpfungskette sowie die Nutzung von Datensystemen.
Förderangebote der DBU
Dr. Michael Schwake stellte die 1990 durch Gesetz ins Leben gerufene Einrichtung Deutsche Bundesstiftung Umwelt mit enger Verbindung zur Bundesregierung vor, die jedoch komplett eigenständig handeln kann. Die Stiftung kann heute über ein Kapital von über 2,1 Mrd. Verfügen. Seit 1991 wurden etwa 9000 Projekte abgewickelt und eine Gesamtförderung von 1,6 Mrd. Euro vergeben. Bei den Förderprojekten muss die Lösung aktueller Umweltproblem im Vordergrund stehen. Folgende Kriterien sind hierbei wichtig: Innovation, Umweltentlastung, Modellcharakter, Praxisbezug und Mittelstandsförderung. Neben der Forschung und Entwicklung können auch Investitionen für umweltrelevante Anlagen gefördert werden. Mittelstandsförderung bedeutet, dass Unternehmen auf ihre Mitarbeiterzahl und Umsatzhöhe beschränkt sind. Etwa 20 % des Förderbudgets sind themenoffen, allerdings müssen diese eine besonders hohe umweltbezogene Wirkung haben. 80 % des Budgets gehen in 13 vorgegebene, interdisziplinäre Förderthemen, wie Nachhaltigkeitsbewertung, umweltschonende Gebrauchsgüter, Energieeinsparung, Ressourceneffizient in der Werkstofftechnologie einschließlich der Oberflächentechnik oder effiziente Nutzung von umweltkritischen Metallen.
Der Ablauf sieht vor, dass ein mittelständisches Unternehmen als (Mit)Antragsteller agiert und Kooperationen vorliegen. Die Kosten für typische Projekte liegen im Bereich zwischen 150 und 500 T€, bei einer Förderquote zwischen 30 % und 50 % sowie Laufzeiten zwischen 12 und 24 Monaten. Die Förderung gliedert sich in zwei Stufen: aussagefähige Projektskizze, die durch ein Gremium bewertet und entschieden wird, sowie ein formloser Antrag, der begutachtet wird. Als ein Beispiel für den Bereich der Oberflächentechnik führte Dr. Schwake die Realisierung einer Dispersionsschicht für Gleitlager durch das Unternehmen IPT/CCT für Wieland an.
Industrie 4.0 Begleitforschung zur Mobilisierung von KMU
Nach den Worten von Dr.-Ing. Dominik Lucke ist die digitale Transformation für KMUs eine hohe Anforderung. Die Hürden sind vor allem die komplexe Technologie sowie die begrenzten personellen und technischen Ressourcen. Dies hat die Bundesregierung erkannte und infolgedessen ein Förderprogramm aufgelegt. Der Fokus ist auf die Komponenten-, Maschinen- und Anlagenhersteller gerichtet.
Gefördert werden Pilotprojekte für die Erprobung von Industrie 4.0 in einer entsprechenden Testumgebung. Damit soll den Unternehmen die Möglichkeit zur Weiterentwicklung ihrer Produkte und Systeme gegeben werden. Die Fördersumme reicht bis 100 T€ für die Unterbeauftragung der Testumgebung durch die KMU. Die Grenzen bezüglich der Unternehmensgröße liegen bei 250 MA und Umsätze bis zu 50 Mio. €. Gefördert werden bis zu 50 % der Kosten für Personal und Material. Die Einrichtung an der Universität Stuttgart (www.i4kmu.de) hilft bei der Herstellung von Kontakten, Vermittlung von passenden Testumgebungen oder Bewertung der eingereichten Anträge, wobei der VDI als Partner für die Vergabe zuständig ist.
BMBF-Fördermaßen in Form von Industrie 4.0-Testumgebungen (Bild: Lucke)
Industrie 4.0.
Der Begriff Industrie 4.0 ist auf die Einordnung der wesentlichen Technikentwicklungen der letzten 150 Jahre zurückzuführen. Die Technik kann nach Ansicht von Michael Hellmuth auch als Vernetzung interpretiert werden und ist im Prinzip eine weitere industrielle Revolution. Durch Industrie 4.0 verändern sich Arbeitsprozesse und -bedingungen, aber auch eine Zunahme der Produktivität und Produktqualität. Für die Oberflächentechnik sind insbesondere die Bereiche Automobil und Maschinenbau die treibenden Kräfte zur Einführung einer diesbezüglichen, hohen Vernetzung.
Ansatzpunkte für eine Umsetzung können für Galvanikbetriebe nicht pauschal aufgeführt werden, da sie stark von den Produkten und Kundenwünschen beeinflusst werden. Galvanikanlagen verfügen bereits in weiten Bereichen über eine Anbindung an ein ERP-System. Oftmals stehen allerdings Kosten oder Ressourcen nicht primär im Blick, sondern eher Termine oder Losgrößen. Im Hinblick auf Industrie 4.0 wäre die Schaffung einer Möglichkeit, vor Beginn der Bearbeitung eine Simulation der Bearbeitung durchzuführen und dafür die Kosten oder den Terminablauf vorher zu bestimmen. Dadurch lassen sich Abläufe im Vorfeld auf bestimmte Kenngrößen optimieren. Wird die Produktionstechnik auf die gesamte Lieferkette erweitert, sind zusätzliche Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit, Transparenz oder Echtheit der bereitgestellten Daten zu lösen.
Zur Realisierung des Ansatzes sind die bearbeiteten Produkte mit einer Intelligenz auszustatten, beispielsweise durch Barcode, RFID oder Smart Tags. Ergänzt wird dies durch eine umfassende Produktionsdokumentation, aus dem beispielsweise ein Life Cycle ersichtlich ist. Die Umsetzung einer entsprechenden Vernetzung führt zu Änderung der Organisationen in Unternehmen.
Wie Michael Hellmuth abschließend betonte, hat das ERP-System als Ausgangspunkt für Industrie 4.0 die Aufgabe, die Innenwelt einer Produktion mit der Außenwelt zu verbinden und die Kommunikation herzustellen. Dazu muss jedes Unternehmen seinen bestmöglichen Weg zur Einrichtung eines entsprechenden Systems erarbeiten und diese dann schrittweise umzusetzen.
Werkstoffbedingte Ursachen für Fehler beim Hartverchromung
Am Beispiel der Hartverchromung von Stahl machte Michael Kollenz einführend klar, dass bei der Betrachtung der Prozesskette bei einer Optimierung bis zu 55 % an Materialeinsparung möglich sind. Der Hersteller Stahl Judenburg verfügt über eine entsprechende Lieferkette. Diese wurde über einen Zeitraum von 1 Jahr detailliert vermessen und die Daten entsprechend analysiert. In einem weiteren Schritt wurden die unterschiedlichen Ursachen für eine fehlerhafte Verchromung erfasst. Diese sind beispielsweise Einschlüsse, Umformgrad, Korngrößen, Restmagnetismus oder Oberflächenhärte.
Untersuchte Lieferkette im Detail (Bild: Kollenz)
Besonders wichtig ist die Frage der messtechnischen Erfassung von Fehlern. Ziel der Erfassung und Bewertung ist die Schaffung eines Werkzeugs, mit dem der Werker vor Ort darüber entscheiden kann, ob ein Teil beim Beschichten ein gutes Ergebnis liefert. Als einer der zentralen Fehler wurden Poren ermittelt, wobei sich jedoch die Ursache für Poren beziehungsweise der Zeitpunkt des Entstehens nicht näher eingrenzen lassen. Der bisher erstellte Fehlerkatalog erfasst neben den Poren des Grundmaterials auch Einflüsse von Wasserstoff, Beschädigung oder das Spülen zwischen den nasschemischen Prozessstufen. Des Weiteren werden Nachbehandlung durch Polieren oder Versiegelung in Betracht gezogen. Nach Abschluss der Untersuchungen sollten genaue Spezifikationen für Vormaterial, der Oberfläche oder der Kosten vorliegen, die eine schnelle Bewertung von Bauteilen im Vorfeld einer Bearbeitung erlaubt.
PVD-Beschichtungen
Wie Dr.-Ing. Georg Erkens betonte, wären PVD-Schichten eigentlich ideale Lösungen für viele Industriebereiche, werden aber von den Kunden nur sehr beschränkt angenommen. Ein entscheidender Effekt einer guten Beschichtung ist nach seiner Ansicht, dass die Beschichtung eine Verbesserung bringt, deren zusätzliche Kosten aber für den Anwender nicht durch eine Erhöhung des Ertrags abdeckbar sind. Insbesondere reduziert die Verbesserung der Leistungsfähigkeit das verkaufbare Volumen. Aus diesem Grund werden die meisten Schichten nur so aufgebracht, dass sie gerade so viel leisten, wie sie müssen und nicht wieviel sie können. Darüber hinaus besitzen moderne Schichten andere Eigenschaften, die nur dann ihre Leistungsfähigkeit ausspielen können, wenn bestehende Verfahren mehr oder weniger stark geändert werden.
Am Beispiel von Zerspanwerkzeugen zeigte Dr. Erkens, dass den üblichen Methoden zur Optimierung von Werkzeugen nicht in allen Belangen mit den Besonderheiten zur Herstellung von optimalen Beschichtungen übereinstimmen. Dies bedeutet beispielsweise eine Verrundung einer Schneide, um den Vorteile der Beschichtung voll nutzen zu können. Als optimal gilt eine Verrundung im Bereich von 15 µm bis 20 µm. Nur die damit verbundene Systemverbesserung erzeugt einen wirklichen Mehrwert.
Informationsmanagement
Derzeit ist der Mensch auf dem Weg, sich aus dem Arbeitsleben abzuschaffen - das Internet der Dinge kommt als Ersatz für viele Dinge. Diese Erkenntnis ergibt sich für Frank Benner daraus, dass in seinem Unternehmen bereits heute immense Datenmengen anfallen, die sinnvoll zu behandeln und zu verwalten sind, um Vorteile für das Unternehmen und die Partner in der Prozesskette zu bringen. Die Datenerfassung ermöglicht bereits heute, dass die Anlage in allen Details protokolliert wird und die Daten zum Beispiel für das Finanzcontrolling verfügbar sind. Im nächsten und nutzbringenden Schritt müssen diese Daten so aufgebarbeitet und angewandt werden, dass organisatorische und betriebswirtschaftliche Vorzüge gewonnen werden.
Ein vorteilhaftes Beispiel ist die Nutzung der Lokalisierung von Fahrzeugen. Mit deren Hilfe beispielsweise kann der Kunde über die Anlieferung seiner Ware selbst Informationen abrufen. Als weitreichend kann das Managementsystem beim Unternehmen des Vortragenden angesehen werden, bei dem die Verbrauchszahlen für Energie oder Werkstoffe schnell und umfassend ermittelt und angezeigt werden. Wichtige Herausforderungen liegen bei der Ermittlung der jeweiligen Zahlen beispielsweise von Elektromotoren.
Ein großes Thema ist die IT-Sicherheit, bei der insbesondere die Vernetzung zwischen Großkunde und Dienstleister eine hohe Präsenz besitzen soll.
Störgrößen in der Lieferkette
Dr. Malte Zimmer stellte die Ansätze und bisher erarbeiteten Inhalte des Projekts MEMAN zu Untersuchung der Auswirkung von Störgrößen auf die Lieferkette der Oberflächentechnik vor. Er betonte, dass die Beschichtungsunternehmen in der Regel keinen Einfluss auf die Auslegung oder Beeinflussung einer Lieferkette haben, um die Effizienz zu planen. Naheliegend bei der Planung von Effizienz in einem einzelnen Unternehmen kann zum Beispiel die Verkleinerung oder Abschaffung eines Lagers sein. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass dies Einfluss auf die Belieferung durch den vorhergehenden Teil der Lieferkette hat. Zugleich ist aber mit hoher Sicherheit dadurch eine Anpassung oder Änderung der Prozessschritte erforderlich. Treten dann Störgrößen, also zeitlich nicht geplante Änderungen in der Prozesskette, auf, werden diese die gesamte Lieferkette betreffen.
Resultat daraus ist:
- die Optimierung eines Teilschritts optimiert nie den Gesamtprozess
- Störungen sind nicht zu vermeiden
- Störungen in einem Teilschritt wirken sich auf die gesamte Lieferkette aus
Dies macht es erforderlich, den Gesamtprozess zu bewerten, kritische Punkte zu ermitteln sowie einen Vorteil für alle Teilnehmer der Lieferkette zugänglich zu machen. Durch letzteres wird erst erreicht, dass jeder Teilnehmer der Lieferkette Interesse an der Optimierung seines Prozesses hat.
Lieferkette (Bild: Zimmer)
Voraussetzung zur Durchführung einer Optimierung ist nach Ansicht von Dr. Zimmer der Aufbau einer intensiven Datenkommunikation zwischen den Mitgliedern der Lieferkette. Des Weiteren muss eine Simulation eingerichtet werden, um den Einfluss der unterschiedlichen Störgrößen testen und dadurch passende Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Damit ist klar, dass eine Vernetzung auf Basis von Industrie 4.0 die unerlässliche Folge ist.
Benchmarking
Zum Abschluss stellte Udo Sievers Möglichkeiten vor, wie Unternehmen in Zusammenarbeit mit eiffo ihre Arbeit optimieren und sich für die Herausforderungen der nächsten Zukunft stärken können. Dabei ist vor allem der Trend zu nachhaltigen Lieferketten ein Kernelement. Dafür steht vor allem die Produktion in der Automobilindustrie, die derzeit über eine der längsten Lieferketten verfügt. Zudem wird dort auf eine ganzheitliche Bilanzierung als Mess- und Steuerinstrument für künftige Fahrzeugprojekte gedrängt.
Als weiterer Ansatzpunkt für Aktivitäten in der Lieferkette kann nach Ansicht von Udo Sievers die CSR-Direktive 2014/95/EU angesehen werden. Damit wird die Berichtspflicht in der Lieferkette verstärkt werden, wobei noch offen ist, wie mit den unterschiedlichen Informationen für unterschiedliche Kunden umzugehen ist, ohne die KMUs in dieser Kette zu benachteiligen. Ein Ansatz für diese Aufgabenstellung könnte die Schaffung von festen Abläufen zur Verteilung und Überwachung der Informationen sein
Fazit
Die Beispiele aus der Arbeit der eiffo eG und den verschiedenen Industriepartnern zeigen, dass unternehmensübergreifende Entwicklungen vermutlich der einzige zielführende Ansatz zur Bewältigung der derzeit erkennbaren Anforderungen sind. Dabei spielt neben den produktionstechnischen Neuerungen eine deutliche effizientere Datentechnik im Verständnis von Industrie 4.0 die herausragende Rolle. Für diese Aufgaben können unterschiedliche Förderungen genutzt werden, die eiffo in Zusammenarbeit mit Unternehmen verfügbar macht.
- www.eiffo.de
