演讲主题

能源和资源效率– 可持续生产创新的动力

主讲人

Matthias Putz教授、工学博士

职位

生产管理事业部主管

公司/组织

机床和成型技术研究院（Fraunhofer）(IWU)，开姆尼斯

国籍

德国

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演讲内容

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。

下面是关于系统设计的问题，这是机床的图片，这里非常重要的一点是，当我们开发新的机器或者新的系统的时候，我们可以进行虚拟样机测试，我们可以进行3D的模拟，还有新的方式帮助我们进行虚拟的模拟，搜集分析数据，刚才提到的3D模拟图形，可以让工程师去看、去分析这些机器，不仅是机器的行为，而是整个的运动，这种虚拟样机还可以帮助工程师对能量效率还有能量消耗有更好的认识，帮助他们找到更加高效的解决方案。

我们在这里要考虑的还有控制算法，还有仿真模拟，这两点对于早期虚拟模拟都是非常重要的。因为在进行样机测试的时候，如果发生了故障，这对于我们后期的时效处理还有能源会产生非常大的影响。

优化，然后提供解决方案。其中，有工程师现在喜欢用仿生学知识来优化现在的系统，也就是我们要向大自然学习，优化我们的技术。两个例子，这个机器，从运动方面进行仿生学研究，也就是降低它的质量，提升它的效率。比如可移动的机加工，我们不是把零件移到机器那里，而是把机器移到零件那里进行加工，这是应用中心一个初步的设计，一种是在结构方面进行仿生学的设计，这种仿生学设计是通过设计方面，来优化它的负载，右面的这一个是我们的一个模拟，一个结构方面的一系列优化，基于仿生学的结构优化。图片上是可移动的机床，左边那个零件非常大，如果移动非常难，所以我们研究了新的机床，这是我们向啄木鸟学习的。还有移动磨头，可以用在难移动工件的研磨中，可移动的机床都可以降低能源的消耗，因为我们不需要移动部件，而是只需要找到一种方法，把机器移到工件处。但是还是有一些挑战的，第一就是工件的方向，如何协调工件与机器之间的位置，第二是我们要考虑到，工件实际是加工机器结构的一部分。我们认为，尽管有这些挑战，我们还是能找到解决方案的。比如降低动态量，降低整体能源消耗。

这两个是仿生学的例子，汲取大自然的知识，帮助我们解决在大零件加工方面、节能方面的问题。这个图片是要解释，能源消耗方面的曲线图还有数据，比如写的时候是使用手，而不是全身。红色曲线是手进行运动，从书写方面进行仿生学学习。除了人之外，还可以向青蛙、大象，其他各种生物进行学习，这样可以帮助我们提升机器的灵活性还有我们的设计。

这张图上有X1、X2，我们要决定使用哪个X，右侧是实验室中一个高效的系统。如果是大工件，可以降低18%的加工时间，但是精度可以提高，生产效率也可以提高。右侧是一个非常大的机床，可以进行大零件的加工，这是大众、西门子和我们的应用研发中心合作的一个项目，通过这样一个设计，所有的轴，可以实现联动，对于大工件的加工，动态效果较好。并且我们可以决定是让机床移动还是零件移动。对HTC和HSC都是非常适用的，并且有更高的刚性和准确度。

最左侧是我们的钢结构，如果进行一些轻量化设计，整体质量可以降低19%，更好的一种情况是可以进行材料方面的优化，比如轻量化结构、材料，如我们可以使用碳纤维增强塑料，这个特别适用于移动零件，通过这种方法，整体质量可以降低52%，与此同时可以提升刚度，提升14%的刚度，Y向上刚度可以提高96%。但是Z轴就会降低19%。所以整体设计时，这些因素都要考虑在其中。

还有一个例子是，就是立柱的重量，之前是3850kg，可以降低30%，降低到2700kg。但是要考虑到动力电子学还有电机方面的损失。

右侧图上可以看到，动力传动系统的电力损失是42%，这一个循环时间是5%。右侧下方是我们进行试验的数据，时间降低5%左右，所以对于能源消耗的降低有非常重大的帮助，而且降低机加工时间。

生产和流程工艺方面的节能：

我们要看能量是在哪里损失掉的。

引入汽车行业的一个例子，德国KEA数据，累计能量消耗。车方面的能量消耗，26%的能量是用于车身的制造，21.4%是用于生产汽车底盘，22%用于驱动，比如esu…所以说其中很大一部分能量消耗在于车身的制造。包括机加工、车体组装等都需要大量能量。这涉及到冲压车间、组装车间、喷漆车间等方面的整体的能量消耗。我们得到大众汽车还有其他16家汽车生产制造商的支持。我们分析了上述三个车间整体需要的能量，冲压车间50%的边角料的损耗，12%是产生在废料方面，还有缓冲方面，有60%损失，也就是说这些能量没有用在汽车的生产，在组装这方面，还有这样一个连接，各方面工序都需要消耗大量能量。喷漆车间，对于车身进行涂装都有能量的消耗，如果看整个系统，我们需要全面的解决方案，基于整体的方案，我们可以节省大约50%的能量。我们在进行车辆生产的时候，不仅要分析成本、分析时间，我们还应分析能量，分析节能方面的问题。

这个图片是我提到的一个例子，我们还做了其他详细的分析。我们要找的并不是技术方面的系统的解决方案，我们有一个很重要的目标，就是进行整个系统的威化，就是基于能量消耗对于整个系统进行规划，并提前知道每一个环节需要多少能量。还有一个小例子，这个图片上，我们进行汽车零件生产方面的，我们都是越来越多使用高强度的钢，把它加热，可能要超过1000℃进行热冲压，我们对这个热冲压过程进行了分析，我们对于每一个环节所需要的能量都做了归类。下面这个图形，加热过程中消耗能量最大，10-15年之前，我们的冲压车间只有冷却的环节，现在我们还有加热的环节，那么我们要问，是否值得做这样的热冲压。我们对整个流程进行了分析，我们有一位博士生做这个部分的，做了车削流程。需要的原材料、使用的能源、流程以及排放等，要找到所有这些研究数据，非常困难，要进行大量计算。我们最后发现一共有16个影响的因子，有很多因素都会影响能源的效率。

能源效率和部件最好的加工效果：

汽车引擎、气缸的加工、活塞。活塞运转的时候，会出现形变，而且真个系统的精度会受到影响，密封。燃烧时会出现气流，产生更高的碳排放，所以我们要优化系统，改进密封。有一个密封件，进行它的机加工的时候，可以去模仿一个气缸的形状，进行虚拟化的组装。所以当我们看到最终零部件的时候，他是一个四角形的。那我们有没有可能通过更精确的加工，处理好表面。右边是我们的解决方案，希望去模仿…下面是主要的切削加工，减少形变。先留出25μm的留量，…

工程和资源效率：

我们要进行零误差的生产，如果我们能寻找误差，我们就可以减少废品的产生，减少能源的消耗和资源的利用。可以进一步提高生产率。

零浪费，100%的能源使用，能进行冷却液闭环的使用。

零损失，提高能源的循环再利用，在生产线中进行设计优化，把不同功能进行整合。确定新的材料，如传感器等的应用，让他们进行互动。确定功能的整合和相互利用。