Grün, Grün, Grün ist meine Konstruktion…

Trendthema

Grüne Konstruktion – Konstrukteuren weht heute ein frischer Wind entgegen. Immer mehr sind sie mit grünen, nachhaltigen Anwendungen und Produkten konfrontiert, diese machen mittlerweile einen großen Anteil am Auftragsvolumen und Portfolio der Unternehmen aus.

02. November 2011

Etwas über »grüne« Konstruktion sollte das Thema sein, allerdings dämmerte es schon bei der ersten Recherche: Dieses Feld ist in mehrere Felder aufgeteilt. Auf der einen Seite stehen Konstruktionsprinzipien, die sich aus der Natur ableiten, auf der anderen Anwendungen für eine nachhaltige Energieerzeugung wie Solar oder Wind und dann gibt es noch die Herstellung von Produkten aus nachhaltigen Grundstoffen auf Basis innovativer Werkstoffe. Gemeinsam sind allen Aspekten aber die neuartigen Anforderungen und Blickwinkel, die Konstrukteure und Entwickler erfüllen und einnehmen müssen.

Neue Blickwinkel ergeben sich vor allem aus der Wissenschaft. Schon lange beschäftigt sich zum Beispiel Prof. Dr. Claus Mattheck vom Institut für angewandte Materialien, Werkstoff- und Biomechanik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit der Entwicklung von Konstruktionsprinzipien für technische Bauteile nach dem Vorbild der Natur. In Jahrmillionen hat sich diese selbst optimiert und offenbart an vielen Stellen Prinzipien, die auch in der Industrie Optimierungen bringen können. Bei Produkten gemeinhin Bionik genannt, steht bei Prof. Mattheck das Konstruieren im Vordergrund: »Wer nach der Natur konstruieren will, muss ihre Gestaltgesetze kennen. Nach viel zu langen Jahren der Computersimulation haben wir am KIT drei der Natur entlehnte Denkwerkzeuge zusammengestellt, mit denen wir ohne Formeln und Computer viele mechanische Schadensabläufe in Natur und Technik leicht analysieren können.«

Schäden vermeiden

Ziele der Aktivitäten sind, Schäden zu vermeiden und die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern sowie Material effizienter einzusetzen, damit weniger Energie verbraucht wird. »Die Innovation besteht in der drastischen Vereinfachung der Verfahren im Vergleich zu heute benutzten und aufwendigen Optimierungsverfahren«, erklärt der Professor. »Nach den Designregeln der Natur kann man ganz einfach leichte und dauerfeste Bauteile entwerfen. Anwender finden so mühelos Wege, wie sie Schäden umgehen können.«

Besonders kleine und mittlere Unternehmen benötigen laut Mattheck einfache und schnelle Methoden, die jeder Konstrukteur vor Ort anwenden und so Bauteile optimieren kann. Da diese ihre Funktion mit minimalem Materialaufwand über eine lange Lebensdauer zuverlässig erfüllen, schont das Ressourcen bereits bei der Herstellung und minimiert den Energieverbrauch für Transport und Betrieb des Bauteils.

Die vereinfachten Methoden zur Bauteiloptimierung eignen sich für Dienstleistungen von Ingenieurbüros, handwerkliche Einzelanfertigungen sowie die industrielle Massenfertigung. Dies birgt hohe ökologische und ökonomische Verbesserungspotenziale. »Wir nennen das Volksmechanik für alle. Einen ersten Zugang zu diesen Methoden gibt mein Buch Denkwerkzeuge nach der Natur«, sagt Mattheck abschließend.

Die Basis liegt in der Natur

Basis einer jeden Konstruktion sind Werkstoffe. Darum ist es nur logisch, dass die auf diesem Gebiet tätigen Unternehmen über nachhaltige Produkte forschen. BASF zum Beispiel hat jetzt den Schaumstoff Basotect entwickelt, der hilft, Solarenergie effizient zu nutzen. In Solarflachkollektoren der Linie »Gobi« von Heliodyne aus Kalifornien dämmt Basotect Rückseite und Seitenwände. Der Werkstoff, so erkannte der Auftraggeber, weist nicht nur sehr gute Dämmeigenschaften auf, sondern ist auch langlebig und temperaturbeständig.

Letzteres ist besonders wichtig, da in den so genannten stagnierenden Kollektoren die Temperatur auf 180 Grad Celsius steigen kann. Im Gegensatz zu anderen Dämmmaterialien aus Polymerschaumstoff hält Basotect auch solchenTemperaturen stand.

»Wegen des dünnen Profils von Gobi hatten wir nur wenig Platz für eine hocheffiziente und wärmebeständige Dämmschicht«, erläutert Ole Pilgaard, Geschäftsführer von Heliodyne. »Dank Basotect konnten wir nicht nur die Effizienz der Produktfamilie erhalten, sondern auch die Gesamtleistung des Kollektors steigern.«

Der Schaumstoff von BASF ist leicht, biegsam und faserfrei, er lässt sich besser lagern und montieren als andere Dämmmaterialien. Basotect setzt keine Substanzen frei, durch die die Kollektoren anlaufen könnten. Das BASF-Material lässt sich zudem leicht verarbeiten, ist schwer entflammbar, schallabsorbierend und wärmedämmend. Darum kann es auch Gebäude, Autos und Züge akustisch und thermisch dämmen.

Dupont hat das biobasierte Zytel-Polyamid für Kraftstoffleitungen erfunden, welches auch Diesel und Biodiesel widersteht, weil es beständiger gegenüber Temperaturen ist und die Langzeitalterung verlangsamt. Zytel RS besteht zudem zu über 60 Gewichtsprozent aus erneuerbaren Rohstoffen.

Deshalb fungiert es beim italienischen Fluidtechnik-Hersteller Hutchinson als Grundstoff für extrudierte, einschichtig ausgeführte Leitungen im Einsatz. Katia Rossi, Entwicklungsleiterin bei Hutchinson: »Wir haben eine Reihe flexibler Polyamide geprüft, Zytel vom Typ RS PA1010 erfüllte unsere Anforderungen am besten.«

In eine ähnliche Richtung geht Igus, Polymerforscher und Gleitlagerhersteller in einem. Zur letzten Hannover Messe präsentierte das Unternehmen sein verschleißfestes Gleitlager N 54, das, wie der Name schon sagt, zu 54 Prozent aus pflanzlichem Öl besteht. »Der mechanisch und tribologisch optimierte Biokunststoff ist universell einsetzbar im Niedriglastbereich«, erläutert Produktmanager René Achnitz: »Das neue, schmierfreie N54 ist ein erster, ernsthafter Schritt in Richtung grünes Lager.« Neben dem allgemeinen Maschinenbau sieht Igus vor allem im Konsumgüterbereich Märkte, zum Beispiel in Möbeln oder anderen Alltagsgebrauchsgegenständen.

Auch bei den Energieführungsketten setzt Igus auf grüne Automation. Hierbei tritt der Aspekt in den Vordergrund, mit zielgerichteten Konstruktionsprinzipien energieeffiziente und damit nachhaltige Produkte zu schaffen. Ergebnis ist die P4, eine Kette, die 57 Prozent weniger Antriebsleistung erfordert und dabei mehr als drei Meter pro Sekunde verfährt. Auf Verfahrwegen von bis zu 50 Metern soll das die Strom- und Betriebskosten signifikant senken.

Energieketten als hochdynamisch bewegte Maschinenteile gehören laut Igus generell zu jenen Engineering-Posten, die deutlich zu weniger Leistungsverbrauch bei Antrieben beitragen können. Die Profilrollen-Energiekette P4 ist zudem besonders abriebfest und leise.

Gezielt Produkte und Lösungen für nachhaltige Branchen wie Solar und Wind zu konstruieren und zu entwickeln, ist wie eingangs erwähnt ein weiterer wichtiger Aspekt. Ein Energiemanagementsystem für die Solarindustrie präsentierte jetzt Schneider Electric; unter dem Motto »Eat your own food« zeigt das Unternehmen im eigenen Haus, wie Kunden von der Einführung eines konsequenten Energiemanagements profitieren können.

Das System ist nach DIN EN 16001 zertifiziert, die dabei gewonnenen Erfahrungen kommen künftig, so Schneider Electric, auch den Kunden zugute. Deutschlandchefin Rada Rodriguez: »Wir haben erkannt, dass Energiemanagementkonzepte vor allem an Produktionsstandorten große Einsparpotenziale bieten. Unser Ziel ist es, unsere Energiekosten dieses Jahr um vier Prozent zu senken und so die Wirtschaftlichkeit und Rentabilität zu erhöhen.«

Für die Ermittlung der Energieverbrauchswerte kommen Messgeräte und Netzanalysatoren der Powerlogic-Reihe zum Einsatz. Diese nehmen an den Hauptverteilern den Stromverbrauch auf und speichern die Werte aller Standorte in einer SQL-Datenbank. Anschließend werden die Daten mit der Schneider Electric-Software ION Enterprise jeweils vor Ort erfasst, ausgewertet und visualisiert.

Vielfältiges Programm

Einen kompletten Katalog zu »Komponenten und Lösungen für Photovoltaikanlagen« hat Weidmüller entworfen. Er bündelt das gesamte Produktportfolio der Detmolder auf diesem Gebiet, von Modulanschlüssen über Installationskomponenten und Monitoring-Systeme bis hin zu Generatoranschlusskästen und Komponenten für Wechselrichter. Eine zentrale Grafik einer Photovoltaikanlage ermöglicht den direkten Einstieg. So können Konstrukteure schnell das richtige Bauteil für die entsprechende Applikation finden.

Im Windsektor aktiv ist Fibro mit seinem neuen Fibromax-Kipptisch. Dieser ermöglicht es Herstellern von Windkraftanlagen, die schwergewichtigen Bauteile bis zu 50 Tonnen präzise in den passenden Winkel zu drehen, zu verschieben und zusätzlich auch zu kippen. Verglichen mit dem Aufwand für eine zusätzliche Maschinenachse ist die Lösung laut Fibro sowohl hinsichtlich der Investitionskosten als auch des Programmieraufwands deutlich wirtschaftlicher. Weil auf einen Schwenkkopf verzichtet werden kann, sinkt die bewegte Masse am Werkzeug und die Energieeffizienz steigt.

Vier Fragen an Andreas Hermey

Welche Motivation gab es bei der Entwicklung der P4?

Immer schnellere Maschinen, Handlingportale und Automationslösungen benötigen passende Energieketten, die höhere Verfahrgeschwindigkeiten ermöglichen und weniger Antriebsenergie verbrauchen. Darüber hinaus senkt das niedrigere Geräuschniveau der P4 die Lärmemissionen am Arbeitsplatz. Wartungsfreiheit ist ein weiterer wichtiger Aspekt

Welche besonderen Anforderungen stellt die Konstruktion nachhaltiger Produkte an Mitarbeiter und Equipment?

Information ist extrem wichtig. Unsere Quellen sind beispielsweise Fachmedien, Besuche bei Kunden, Messen und Anwendern. Dazu kommt ein sehr modernes Equipment wie Rapid Prototyping-Verfahren und ein Labor mit über 150 Versuchen auf 80 Achsen, das alle denkbaren Tests ermöglicht. Damit können wir Neuheiten blitzschnell fertigen und sofort auf Herz und Nieren prüfen. Der Weg von der Idee zur Serienfertigung kann so sehr kurz sein.

Wo liegen die Unterschiede zur herkömmlichen Konstruktion?

Aspekte wie gesetzliche Regelungen, Kosten, Gewicht, Haltbarkeit und Material sind auch in der »klassischen« Konstruktion zu beachten. Bei umweltfreundlicheren und wirtschaftlicheren Produkten treten sie und ihre Wechselwirkungen noch stärker in den Vordergrund. Wir schauen uns die Konstruktionsprinzipien genau an und setzen zum Beispiel auf Rollreibung, die um 75 Prozent geringer ist als Gleitreibung.

Gab es spezielle Schulungen oder Informationsveranstaltungen zu Beginn und während der Entwicklungszeit? Kontakte zu Hochschulen oder Instituten?

Die entscheidenden Impulse entstehen intern und im Kontakt mit unseren Kunden. Zusätzlich befassen wir uns intensiv mit Themen wie Bionik und Formoptimierung. Wir unterhalten vielfältige Kontakte zu Universitäten, Instituten und Organisationen.

Erschienen in Ausgabe: 08/2011