机械加工:资源和能源的有效利用

   2020-09-01 互联网中国铸造网9240
核心提示:资源和能源的有效利用,特别是创新方面的启发。有关绿色制造、环保、工程而且有关创新的部分。IWU认为我们
Matthias Putz教授、工学博士、机床和成型技术研究院(Fraunhofer)(IWU),生产管理事业部主管

资源和能源的有效利用,特别是创新方面的启发。有关绿色制造、环保、工程而且有关创新的部分。IWU认为我们可以通过节约能源和资源的同时,获得高附加值的生产。

这里有四个主题,第一是从我们的角度来看,生产技术和资源能源有效利用之间的关系,另外就是工程,工程的制造对于效率是非常有用的,而且未来几年会有很大进展;无排放绿色制造。

我来自一个关注生产工程的研究院IWU,我也介绍一系列研究和案例分析,如何得到生产技术的提高,还有能源有效利用对于最终产品的特性的影响。

Frauhofer研究院,有500名员工,每年预算2900万欧元,其中2500万欧元来自于供应商。我们的实验室非常先进,而且是结合客户需求的。我们有轻量化切削、成型、总装方面的。还有生产管理,也是我们的主要领域。

人口的增长,70亿人口,未来会增长到90亿,我们要减少消耗,并确定生产对于环境的影响,必须大大减少。德国的工程师希望用最少的资源来更大程度地增加附加值,这就需要创新。第二点重要的就是资源,有一些数字可以分享,每天我们需要1100万吨的矿物油,900万吨的煤,80亿m³的天然气。这样的资源如果不合理利用。

可再生能源的利用,太阳能、风能、地热、生物能源。是否可以利用这些能源来满足我们未来对于能源的需求。德国现在有17%的能源来自可再生能源,但是在未来需要有更多的可再生能源,才能满足我们对于能源的需求。

气候变化,在欧洲有两个主题是我们一直讨论的,一个是全球变暖,由人的行为造成的,另外就是自然本身运转使全球变暖的一个阶段,是非人为的。所以我们要考虑能源的有效利用和节能减排的问题。

未来的工厂:

减少能源消耗,这意味着生产的有效性,同时在我们生产的流程和工序方面要减少能源的消耗,我们要进行全面的能源管理,同时还有能源效率的提高,还有包括与工厂工序相关的能源的有效利用,比如说我们德国的工程师认为,我们可以通过对工作流程的优化减少30%的能源消耗,这张图上,X轴上是能源增加的时间,Y轴上所显示的是能源的每个工件的利用量。在不同的使用方式之下,每一个零部件所使用的能源以及如何去减少能源的浪费,可以获得更高的使用效率,我们完全可以减少30%的能源消耗。

第二个部分是,我们可以进行全面的能源管理,减少整个工厂的能源消耗,最大的减少量可以达到20%。我们也可以通过工艺的改进减少能源的消耗,同时也可以在一个周期中进行闭环的能源的利用。比如说成型加工和紧压加工,现在65%的能源都消耗在缓冲方面了,这是完全可以进一步改进的。

报告的另外一个部分,主要的例子,如何更好的使用能源,更好地改进技术。

这里有一些具体的要求,我们要求有30个经理进行问卷调查,能源效率对于他们的品牌有什么样的影响,可以看到,很多人认为能源效率对他们的品牌影响非常的大,并且能影响未来他们的发展。现在越来越多的经理人都非常注重可持续发展,以及成本,和降低能源消耗。这是一个非常重要的趋势,能源效率是可以帮助大家获益的。

另外还有政治方面的影响,ISO现在就希望制定一些标准来降低能源消耗,提升能源效率,在我们操作和运行方面的能源消耗,在欧盟也有一些指令,希望能源消耗能降低30%。还有CE1、CIMO制造商自己的项目。所有标准共同的目标都是降低能源消耗。但是能源消耗最终取决于使用的人员,在这里有三种不同的机器,小型、中型和大型。大型可以使用较低的能量,生产较多的工件,根据不同的可用设备,对于能源消耗会产生很大影响。机器零件也要考虑是否节能,还有就是生产时间,因为非生产时间也会消耗能量,所以闭环的能量循环。

举个例子,关于系统和工艺流程,第一个,当我们谈到工艺流程,工程师已经开始使用仿真技术来模拟工作流程,有的时候是用经验的描述,有的时候是用物理模型,或者其他模拟技术,对生产工艺流程进行仿真模拟。谈到能源效率方面,如果我们能在能源能量方面进行模拟的话,我们可以把它整个流程进行详细分析,并把它放在整个工艺链中进行分析,这是一个技术分析,也是关于流程的分析,网络的整体优化。对于我们的工程师来说,首先要找到模型的限制,把不同单独的流程连接在一起,还有就是我们进一步深入研究效益的时候,我们要选择正确的、相关的变量和参数,还有模型的使用要正确。举例,下方会看到一个预成型的零件,直到最后成品的流程,每一个步骤都进行了模拟,也就是每一个流程我们的工程师都可以进行模拟,探索每一个过程进行节能和效率优化,通过实验和仿真,我们可以收集数据。在我们应用中心的例子,整个过程的能量的使用,中空的齿轮,左侧第一行是我们传统的过程,打孔、车削、镗孔、硬化,最后精加工,中间我们进行了优化,我们不再进行钻孔,而是进行旋压、车削,不再进行镗削,而是进行齿轮滚压、然后车削,在下一步我们进行整合和优化,就是把第一步的旋压和车削进行一些整合,再把齿轮滚压和车削进行整合和优化。我们整体的目的就是延伸机床的寿命并提高精确度,也要降低失效率还有提升最终成品的精确度。

第二点我想指出的,就是在打孔中的一个例子,左侧图片,如果提升切削率,会对能量和效率产生一定影响,我们这样做是希望可以降低机床的使用能量,提高效率,右侧图片我们进行了分析,各个变量,如冷却系统,如果采用三种不同的方法会怎样,第一种是浸没式的,第二种是微量润滑,第三种是干式,可以看到冷却系统对我们的能量节约是一个非常重要的方面,特别是在钻孔方面。在此,我们可以得到很大效率的提升,所以如果能优化润滑冷却系统的话,能带来很大益处。

 
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