Grüne Mechatronik

In Klartext hat die Redaktion für Ausgabe 10/2024 Expertinnen und Experten aus Industrie und Wissenschaft zum Thema „Grüne Mechatronik“ befragt. Die Statements von NSK, SEW-Eurodrive, Fraunhofer IEM und der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg erscheinen hier nun auch online, ergänzt um ein weiteres Statement eines Wissenschaftlers der Hochschule Aalen.

Ob Energie- und Ressourceneffizienz, die CO₂-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus, umweltfreundliche Materialien oder die Eignung für die Kreislaufwirtschaft. Nachhaltigkeit wird für mechatronische Systeme immer wichtiger – von der Konstruktion und Softwareentwicklung über die Inbetriebnahme und Wartung bis hin zum Betrieb. Was bringt die Konstruktion und Entwicklung bei der grünen Transformation der Mechatronik voran? Welche Kompetenzen, Werkzeuge, Materialien und Prozesse werden dafür benötigt?

Zu dem Special haben folgende Expertinnen und Experten Statements beigetragen:

• Gregor Dietz, Marktmanager Motoren, SEW-Eurodrive, Bruchsal
• Prof. Dr.-Ing. Bernhard Höfig, Studiengang Nachhaltigkeitstechnologien, Hochschule Aalen, Fakultät Optik und Mechatronik
• Prof. Dr.-Ing. Anna-Lena Menn, Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, Professur für Ingenieurmathematik und Optimierung technischer Systeme
• Ralf Petersen, Engineering Manager Industrial, European Technology Center, NSK Deutschland GmbH, Ratingen
• Stefan Pfeifer, Leiter der Abteilung Systems Engineering, Fraunhofer IEM, Paderborn

 

Gregor Dietz

Marktmanager Motoren, SEW-Eurodrive, Bruchsal

Mechatronische Antriebe sind Elektronik, Motor und Getriebe in einem Gehäuse. Hier arbeiten drei Baugruppen eng zusammen. Die Forderungen sind, die Verluste der Baugruppen zu minimieren, damit der Betrieb thermisch sicher ist. Die Wahl fällt auf verlustarme Elemente wie Synchronmotoren und Parallelwellengetriebe. Bei der Elektronik besteht, neben der Energieversorgung, die Aufgabe, die Kommunikation ins Feld herzustellen. Seit 2008 bietet SEW-Eurodrive dieses an, seit Anfang der 2020er-Jahre in zweiter Generation. Deutlich werden eine lange Produktions-lebenszeit und eine nachhaltige Nutzungsdauer beim Betreiber. Reparierbarkeit, Ersatz- und Verschleißteile sind genauso wichtig, wie das Aufspielen entsprechender Firmwareerneuerungen. Das ist in der zweiten Generation für die Nutzungsdauer einfacher umgesetzt. Verlustarme Baugruppen und sorgsamer Umgang mit Energie bedarf auch der bewussten Nutzung beim Betrieb. Im Vergleich können durchaus bis zu 50 Prozent Einsatz der Primärenergie reduziert werden.

 

 

 

Prof. Dr.-Ing. Bernhard Höfig

Studiengang Nachhaltigkeitstechnologien, Hochschule Aalen, Fakultät Optik und Mechatronik

Ingenieure stehen in einer besonderen Gestaltungsverantwortung für eine lebenswerte Welt. Sie sind Wegbereiter der klimaneutralen Produktion, Pioniere der Kreislaufwirtschaft und sorgen für eine zuverlässige Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen. Hierbei führt kein Weg vorbei an einem nachhaltig ausgerichteten, ganzheitlichen Systems Engineering. Unsere Absolvierenden müssen Transformationsprozesse zur klimaneutralen Produkt- und Produktionsgestaltung aktiv gestalten können. Sie brauchen Prozessverständnis wie zum Beispiel thermische Prozesse ressourceneffizient geführt, welche Materialien eingesetzt und wieder-verwendet werden können, wie man Komponentengewichte reduziert, Bewegungen und den Maschineneinsatz steuert, wie man Traglasten optimiert, Überspezifikation vermeidet. Und das ist grüne Mechatronik pur! Was es ebenso braucht, ist eine Rohstoffwende: Von der linearen zur Kreislaufwirtschaft! Dies startet mit der Kenntnis alternativer Materialien, die genutzt beziehungsweise wiederverwendet werden können und deren sortenreinem Einbau.

 

 

 

Prof. Dr.-Ing. Anna-Lena Menn

Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, Professur für Ingenieurmathematik und Optimierung technischer Systeme

Voranbringen werden uns Entwicklungsansätze, die es ermöglichen, von Beginn an im gesamten Systemverbund zu denken. Die wichtigsten Kernelemente sind dabei das frühzeitige Berücksichtigen aller beteiligten physikalischen Domänen und die Verknüpfung von technischen und ressourcenbezogenen Anforderungen. Mechatronische Systeme sind multiphysikalische Alleskönner, deren nachhaltige Entwicklung auf hochintegrierten Entwicklungskreisläufen beruhen muss. Die grüne Transformation kann nur durch das reibungslose Zusammenspiel von Systems Engineering, modelbasierter physikalischer Systemsimulation und der Analyse der Umweltauswirkungen gelingen. In meiner Lehre liegt der Fokus auf dem Anwenden dieses Dreiklangs. Durch die Verknüpfung des Model-based Systems Engineerings mit dem im Zentrum stehenden Systemmodell und der multiphysikalischen 1D-Simulation wird den Studierenden frühzeitig das Bewusstsein für essenzielle Schnittstellen und mehrschichtige Systemaufbauten vermittelt.

Bild: Phil Dera

 

 

 

Ralf Petersen

Engineering Manager Industrial, European Technology Center, NSK Deutschland GmbH, Ratingen

Die Werkzeuge für eine „grüne“ Mechatronik sind im Wesentlichen vorhanden. Schon seit 2008 bewerten wir die Umweltauswirkungen – insbesondere die CO₂-äquivalenten Emissionen – jedes neuen Produktes nach einem eigenen KPI (Key Performance Indicator), dem Neco-Faktor. Dabei gilt ganz klar der Ansatz: Die Effizienz muss von Grund auf in Produkte wie Wälzlager und Kugelgewindetriebe „hineinkonstruiert“ werden. Und die Entwickler müssen offen sein für neue Technologien wie zum Beispiel biobasierte Werkstoffe, die wir bei Wälzlagerkäfigen nutzen. Beim Entwicklungsziel, die CO₂-Emissionen und sonstige Umweltauswirkungen im Betrieb der Antriebskomponenten zu reduzieren, gibt es wirksame Maßnahmen wie Reibungsreduzierung, geringeres Gewicht, neue Materialien und minimierten Schmierstoffverbrauch. Diese Stellschrauben nutzen wir intensiv und können erhebliche Effizienzsteigerungen erreichen. Erfreulich ist, dass viele Kunden diesen Prozess unterstützen und gezielt NSK-Antriebskomponenten der neuesten Generation beziehen, um ihre CO₂-Bilanz zu verbessern und zugleich den Energieverbrauch von Maschinen und Anlagen zu senken.

 

 

 

Stefan Pfeifer

Leiter der Abteilung Systems Engineering, Fraunhofer IEM, Paderborn

Nachhaltigkeit ist in der Mechatronik längst kein Add-on mehr, sondern integraler Bestandteil der Entwicklungsprozesse. Im Projekt Sustainable Lifecycle Engineering (SLE) verfolgen wir einen modellbasierten Ansatz, der bereits in den frühen Phasen des Engineerings Nachhaltigkeitsaspekte wie Zirkularität und Energieeffizienz einbezieht. Durch die Verknüpfung von Systems-Engineering-Methoden mit klar definierten Nachhaltigkeitsparametern entwickeln wir ressourcenschonende Systeme. Unser Fokus liegt auf drei zentralen Handlungs-feldern: der Analyse von Nachhaltigkeitsaspekten im Engineering, der Einführung einer modellgestützten Entscheidungsunterstützung und der Integration von Nachhaltigkeitsdaten in bestehende Produktlebenszyklusmanagement-Systeme. Grüne Mechatronik bedeutet, Verantwortung zu übernehmen – von der Konstruktion bis zur Wiederverwendung.

 

 

 

 

 

Bilder: SEW-Eurodrive, Hochschule Aalen, Phil Dera, NSK Deutschland, Fraunhofer IEM