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27.04.2010

Energie und Ressourcen sparen

Rohstoffe und Energie werden knapper und teurer – deshalb produzieren Firmen immer energie-effizienter und ressourcensparender. Dass dies möglich ist und dass sich dabei sogar noch die Qualität steigern und Geld sparen lässt, zeigen Fraunhofer-Forscher für die Herstellung von so unterschiedlicher Produkten wie Tondachziegeln, Stahl und farbigen Kunststoffen. Entscheidend dabei ist die Überwachung des Produktionsablaufes mit bildverarbeitenden sowie mit optischen Systemen. Die Verfahren stellen Experten der Fraunhofer-Allianz Vision vom 4. bis 7. Mai 2010 auf der Messe Control 2010 in Stuttgart (Halle 1, Stand 1502) vor.

Quelle: (idw) Fraunhofer-Gesellschaft
Dachziegel haben viel auszuhalten. Über Jahrzehnte hinweg sind sie im Winter dem Frost und im Sommer der Sonnenhitze ausgesetzt und müssen dabei Temperaturschwankungen zwischen etwa minus 30 bis zu plus 80 Grad Celsius überstehen. Dabei sollen sie von außen wasserdicht sein, aber von innen Wasserdampf durchlassen. Und sie sollen auf der Dachfläche exakt an- und ineinander passen. Blasen, Abplatzer oder Pressfehler müssen deshalb bei der Produktion vermieden werden.

Möglich macht das ein optisches 3-D-Prüfsystem, das Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart entwickelt haben. Es prüft die aus Ton gepressten Dachziegel, die auf einem Förderband Richtung Brennofen transportiert werden, mit Hilfe eines Lichtschnittsensors und einer Farbkamera. Dabei werden Oberflächen-, Farb- und Formfehler erfasst und anhand einer Auswertesoftware farbcodiert auf einem Bildschirm dargestellt. So lassen sich Defekte schon vor dem Brennvorgang erkennen. Das spart Energie und Ressourcen – die aussortierten Dachziegel werden wieder zermahlen, in die Tonmasse zurückgeworfen und können neu geformt werden.

Das Prüfsystem ist noch dazu schnell. Derzeit dauert es wenige Sekunden, bis ein Dachziegel geprüft ist. "Nun arbeiten wir daran, die 3-D-Prüfung komplett an den Produktionstakt anzupassen", sagt Ira Effenberger vom IPA, ?das heißt, ein Dachziegel pro Sekunde?.

Ein Drittel des weltweit produzierten Stahls kommt aus elektrisch betriebenen Schmelzöfen, in denen Metallschrott mit starken elektrischen Strömen und den dabei entstehenden Lichtbögen aufgeschmolzen wird. Dieser heiße und staubige Prozess gehört zu den energieintensivsten Produktionsverfahren überhaupt. 450 kWh elektrischer Energie sind nötig, um nur eine Tonne Stahl herzustellen. Das entspricht etwa dem Verbrauch eines Ein-Personen-Haushalts in Deutschland pro Vierteljahr.

"Dabei könnten Stahlproduzenten bis zu sieben Prozent der eingesetzten Energie einsparen", sagt Dr. Kai Degreif vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg, das gemeinsam mit den Lech-Stahlwerken, dem VdEh-Betriebsforschungsinstitut und dem Anlagenbauer SMS Siemag in einem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt ein Verfahren zur Optimierung der Stahlproduktion in Elektroschmelzöfen entwickelt hat.

STROMBOLI heißt das Messsystem, benannt nach einem aktiven Vulkan im Süden Italiens. STROMBOLI setzt dort an, wo während des Schmelzprozesses etwa 30 Prozent der gesamten eingesetzten Energie verloren gehen – nämlich beim Abgas, das aus dem Ofen abgeführt wird, und das typischerweise große Mengen unverbranntes Kohlenmonoxid (CO) enthält. "Wenn man die Konzentration dieses Kohlenmonoxids im Abgas analysiert und darauf abgestimmt gezielt Sauerstoff, O2, zusetzt, führt das zu einer Nachverbrennung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, also zu CO2, ohne die Stahlqualität zu beeinträchtigen", erklärt der Wissenschaftler. Dabei wird Wärmeenergie frei, mit der die Schmelze geheizt werden kann – das hilft wiederum, teure elektrische Energie zu sparen.

Das Messsystem, das in den Lech-Stahlwerken im bayerischen Meitingen getestet wurde, saugt das Gasgemisch über der Schmelze ab und bestimmt dann mit Hilfe eines Laser-Spektrometers die Konzentration von CO, CO2 und O2 – und zwar so schnell, dass jederzeit genau die richtige Menge Sauerstoff zugegeben werden kann, die zur optimalen Verbrennung notwendig ist. Die sensible Optik des Gasanalysators wird mit einer eigens entwickelten Spülung vor Staub geschützt.

"Das Verfahren zeigt", betont Kai Degreif, "dass die Verbesserung besonders energieintensiver Prozesse hilft, Ressourcen zu sparen, und zugleich einen enormen Beitrag zum Klimaschutz leisten kann." Forscher des IPM möchten nun mit weiteren Industriepartnern das Messsystem weiterentwickeln und an andere energieintensive Prozesse anpassen.

Hochwertige Kunststoffe, aus denen zum Beispiel Kunststoffgewebe oder Arbeitsflächen für Küchen hergestellt werden, müssen über große Chargen hinweg farbkonstant sein. Um das zu gewährleisten, muss das Ausgangsmaterial, das Kunststoffgranulat, schon während seiner Herstellung ständig auf die richtige Farbe hin überprüft werden. Bislang werden dazu aus dem Granulat immer wieder Messplättchen geformt, die dann spektroskopisch untersucht und mit der "Sollfarbe" eines Referenzplättchens verglichen werden. Weicht die Farbe zwischen den Plättchen ab, müssen bei der Herstellung des Granulats, bei dem Kompoundierungs-Prozess, entsprechend viele Farbpigmente dazu gemengt oder wieder herausgenommen werden. 30 bis 45 Minuten dauert es, bis so ein Kontrollplättchen produziert und untersucht worden ist. "Das ist eine relativ lange Zeit", sagt Kai-Uwe Vieth vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe. "Währenddessen läuft die Granulatproduktion jedoch weiter und es entsteht möglicherweise eine Menge Ausschuss."

Um dies zu vermeiden, haben er und seine Kollegen vom IOSB zusammen mit der Firma ROC GmbH in Münster das Messsystem ColorControl entwickelt. Damit lässt sich die Farbe des Kunststoffes gleich direkt am Granulat messen – und das automatisch innerhalb von nur etwa zwei Minuten. Das spart Ressourcen und Energie. Die Farbe an einer Handvoll Granulat zu bestimmen ist jedoch schwierig. Denn die Körner sind nicht eben, außerdem kommt es in Schatten und Randbereichen zu Farbabweichungen. Deshalb wird das Granulat auf einem Messtisch unter einer geschlossenen Halbkugel geprüft, in der es homogen beleuchtet wird. Wie mit einer Zeilenkamera wird das durchgeschobene Material dort spektral abgetastet und abgelichtet. An dem Bild, das dabei von dem Granulat entsteht, werden dann automatisch die Bereiche ausgewertet, die eine zuverlässige Farbinformation enthalten. Weicht der gemessene Farbwert vom "Sollwert" ab, müssen bei der Kompoundierung Pigmente zugefügt oder abgezogen werden.

Das ColorControl-System zur Messung von Farbdifferenzen bei der Kunststoffherstellung am Granulat wurde in umfangreichen Messserien erprobt und ist bereits bei mehreren Kunststoffherstellern im Einsatz.

Diese und weitere Mess- und Prüfsysteme mit Bildverarbeitung für die Qualitätssicherung in der Produktion präsentiert die Fraunhofer-Allianz Vision in Halle 1, Stand 1502.


Fördermassnahme

  • r³ - Teaserfoto

    (URL: /de/9815)


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