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Wissen & Umwelt

Schmieden statt fräsen: die Fabrik der Zukunft

Eine neue Fraunhofer-Forschungsfabrik in Chemnitz zeigt, wie sich Produkte herstellen lassen, ohne Energie und Material zu verschwenden. Der besondere Clou: Menschen und Roboter werden zu Partnern.

Vor gut hundert Jahren symbolisierten rauchende Schlote und riesige Güterzüge voller Stahl und Kohle industriellen Fortschritt. Vor einem Vierteljahrhundert waren es dann vollautomatisierte Fertigungsstraßen voller Roboter und ohne Arbeiter.

Die Fabrik der Zukunft sieht heutzutage noch anders aus: Dort arbeiten Roboter und Menschen Hand in Hand, Schornsteine sollen besser gar nicht mehr rauchen. Außerdem soll nur noch soviel Arbeitsmaterial hineinkommen, wie als Endprodukt wieder herauskommt.

Am 15. Mai 2014 eröffnet das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz eine solche Vorbild-Fabrik.

Diese führt das Kürzel E3 im Namen. "Das erste E steht für Energie und Ressourceneffizienz, das zweite für Emissionsneutralität der Fabrik und das dritte für die Einbindung des Menschen in die Produktion", erklärt Michael Cherkaskyy, Wirtschaftsingenieur am IWU.

In der Fabrik der Zukunft des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz stehen verschiedene Antriebswellen, die durch Umformtechnik hergestellt wurden. Sie wurden also nicht mit Drehmaschinen und Fräsen durch zerspanende Methoden erzeugt, sondern durch Erhitzung und Pressung geschmiedet (Foto: Fraunhofer IWU)

Geschmiedet, nicht gefräst: Antriebswellen aus der Zukunftsfabrik

Schluss mit der Verschwendung

Ein Beispiel für das erste E, also die Energie und Ressourceneffizienz, hält Cherkaskyy in der Hand: eine Antriebsstange, also eine zylindrische Getriebewelle mit einem Zahnrad darauf. "Die Produktionskette für die Herstellung einer solchen Antriebsstange verkürzt sich. So können wir Prozessschritte und Zeit sparen."

Bisher werden solche Bauteile zuerst in einer Drehmaschine durch Abtragen in Form gebracht. Dann schneiden Metallfräsen die Zähne des Zahnrades hinein. Dabei fallen riesige Mengen Metallspäne an, die später wieder aufwendig recycelt werden müssen.

In der Fabrik der Zukunft fällt dieser Abfall gar nicht erst an: Das ganze Stück wird geschmiedet, also erhitzt und dann in Form gedrückt, bis es so aussieht wie gewünscht. "Wir sind der Meinung, dass man mit dieser Technik etwa 30 Prozent der Getriebewellen mit solchen hohen Zähnen herstellen kann", sagt Institutsdirektor Matthias Putz.

Ein schöner Nebeneffekt: Wird das Bauteil später in ein Auto eingebaut, macht die geschmiedete Getriebewelle auch weniger Lärm als eine herkömmliche, weil die Oberflächen fließender verlaufen.

So wenige Emissionen wie möglich

Beim zweiten E, also der Emissionsneutralität, geht es darum, möglichst wenige Abgase zu erzeugen - zum Beispiel durch einen geschickten Umgang mit Energie. Energiemanagement 2.0 nennt sich das im Fachjargon und bedeutet, dass man die Energieerzeugung und die Produktion besser aufeinander abstimmt und synchronisiert.

"Wir haben die Energieversorgung von den klassischen Energieversorgern. Wir haben aber auch ein eigenes Blockheizkraftwerk" sagt Institutsdirektor Putz. "Dazu kommt Solarenergie. Und wir werden auch Energiespeicher haben, so dass wir wirklich ein Energiemanagement ausprobieren können."

In der Fabrik der Zukunft kann die vorhandene Energie nicht nur dahin gebracht werden, wo sie gerade gebraucht wird - außerdem laufen Maschinen, die besonders viel Energie verbrauchen, gerade dann, wenn viel Energie zur Verfügung steht - zum Beispiel zur Mittagszeit, wenn die Sonne scheint und viel Solarstrom erzeugt wird.

Bessere Produkte durch menschliche Kreativität

Und nicht nur um die Maschinen geht es: Das dritte E steht für den Menschen und dessen Einbindung in die Produktion. "Mehr und mehr wurde der Mensch aus der Produktion heraus gedrängt", sagt Wirtschaftsingenieur Cherkaskyy. Er glaubt aber, dass eine Fabrik, in der nur noch Roboter, aber keine Arbeiter mehr sind, viele Chancen vergibt. Zum Beispiel bei der Herstellung individueller Produkte, sagt Institutsleiter Putz. Soll in Zukunft ein Kunde zum Beispiel seine Automobilkarosserie mit gestalten können, geht das nicht ohne Menschen und flexible Werkzeuge.

In der Fabrik der Zukunft des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz steht ein Mensch vor einem Roboter (Foto: Art-Kon-tor + Fraunhofer IWU)

Menschen werden in der Produktion wieder wichtiger - weil Produkte individueller werden.

Bisher sind Roboter in Käfigen eingesperrt, damit sie nicht aus Versehen einen Arbeiter verletzen. In Zukunft müssen Arbeiter und Roboter aber immer enger zusammenarbeiten. Eine Herausforderung für die Forscher - auch wegen des Arbeitsschutzes. "Die Berufsgenossenschaft sagt bisher meist: 'Das geht nicht!'", sagt Putz. "Trotzdem ist es für uns ein ganz interessantes Forschungsfeld: Wie viel Arbeitsraum kann sich der Mensch mit einem Roboter teilen?"

Aus dem echten Leben gegriffen

Auch wenn die Produktionswege in der Fabrik der Zukunft neu sind - die Produkte, die sie herstellt, kennen alle schon. "Hier wird dieselbe Tür produziert, wie sie an einem ganz normalen PKW auch dran ist, mit derselben Qualität, mit denselben Bearbeitungsschritten", sagt Putz.

Automobilhersteller kommen zum Fraunhofer-Institut nach Chemnitz, um sich die Fabrik der Zukunft anzusehen, denn sie suchen Lösungen, die auch erprobt sind. Denn wenn sie einmal in eine neue Produktionstechnik investiert haben, darf es danach keine Pannen mehr geben.

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