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Im Zeitraffer vom Konzept zum Produkt

03.09.2012
Gemeinsam mit dem Spezialchemiekonzern LANXESS haben Fraunhofer-Forscher in Rekordzeit eine neue Produktionsanlage zum Herstellen von Umkehr-Osmose-Membranelementen für die Wasseraufbereitung entwickelt und gebaut. Durch den Einsatz von Virtual Engineering konnten Forschung und Entwicklung zeitparallel laufen.

Nur etwa 0,3 Prozent des globalen Wasservorkommens sind direkt als Trinkwasser nutzbar. Gleichzeitig wächst die Weltbevölkerung stetig – der Bedarf an sauberem Wasser nimmt also noch zu. Wasseraufbereitungs-Technologien wie die Umkehr-Osmose sollen dazu beitragen, dass wir zukünftig genug zu trinken haben: Mit der Membran-Filtrationstechnik lassen sich Stoffe wie Salze, Pestizide, Viren und Bakterien aus dem Wasser entfernen.


In der halbautomatischen Anlage in Bitterfeld werden die Membranelemente zur Wasseraufbereitung gefertigt. Ein einzelnes Membranelement besteht aus einem Paket mit mehr als 20 Lagen. Dieses wird zu einem Wickelmodul angeordnet und fixiert. Der LANXESS-Mitarbeiter (links) hält ein solches Modul. © LANXESS AG

Anfang 2010 hatte sich der Spezialchemiekonzern LANXESS entschieden, in dieses neue Geschäftsfeld zur Wasseraufbereitung einzusteigen: Bis zum Herbst 2011 sollte in Bitterfeld, dem Standort der Unternehmenstochter IAB Ionenaustauscher GmbH, eine hochmoderne Produktionsstätte entstehen. Ein ambitioniertes Vorhaben – es bedeutete, dass in sehr kurzer Zeit sowohl das Produkt als auch die Produktionstechnologie konzipiert und zur Fertigungsreife gebracht werden musste. Für den Bereich Automatisierungstechnik wollte sich das Unternehmen dazu externe Expertise mit ins Boot holen – und wurde mit dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF direkt vor Ort fündig.

Viel Vorbereitungszeit hatten die Wissenschaftler nicht. »Forschung und Entwicklung mussten parallel laufen, deswegen haben wir von Anfang an auf Virtual Engineering gesetzt«, sagt Prof. Dr. Ulrich Schmucker, Leiter des Geschäftsfelds Virtual Engineering am IFF. »Dadurch konnten wir schon sehr früh mit Arbeiten beginnen, die bei einer konventionellen Vorgehensweise erst in der Schlussphase der Entwicklung stattfinden«.

Filterelemente am Rechner simulieren

Da die Membranfilterelemente – die später in der Produktionsanlage gefertigt werden sollten – noch nicht existierten, analysierte ein Expertenteam der IAB GmbH und des IFF zunächst deren Produkteigenschaften mithilfe verschiedener Simulationen am Rechner. Das war notwendig, um wichtige Fertigungsparameter zu ermitteln, die später auch bei der Konzeption der Anlage eine Rolle spielen – etwa die Geschwindigkeit. Anhand von virtuellen Modellen der halbautomatischen Anlage konnten die Wissenschaftler anschließend die einzelnen Prozessschritte durchspielen und optimieren. Auch der voraussichtliche Arbeitskräftebedarf ließ sich so planen.

Die Konstrukteure hatten also bereits recht klare Vorgaben für die darauffolgende CAD-Konstruktion. Doch damit nicht genug: Die Magdeburger Forscher haben eine spezielle Methode entwickelt, die es ermöglicht, schon anhand relativ grober CAD-Modelle mit der Steuerungsprogrammierung zu beginnen. Üblicherweise erfolgt dieser Schritt erst zum Schluss, wenn die Maschine fertig gebaut und angeschlossen ist. Mechanische Änderungen sind zu diesem Zeitpunkt jedoch kaum mehr möglich. »Wir schließen dagegen die reale Steuerung an das virtuelle Modell an. Am Bildschirm sieht man dann, wie sich alle Teile zueinander bewegen. Der Programmierer kann dadurch überprüfen, ob die Reihenfolgen richtig sind, er kann Fehler- und Ausnahmenzustände beheben oder auch Kollisionsprüfungen durchführen«, erläutert Prof. Schmucker. Bei Bedarf bessert der Konstrukteur nach, bevor die Maschine überhaupt in die Fertigung geht.

Nicht zuletzt die Abstimmung mit dem Kunden wird deutlich erleichtert. »Oft sind die Vorstellungen, wie die Bedienoberfläche aussehen soll, anfangs eher abstrakt«, weiß Prof. Schmucker. »Wenn der Kunde dagegen ein klares Bild vor Augen hat, fällt es viel leichter, die benötigten Bedienelemente sinnvoll zu planen und festzulegen«. Auch für LANXESS hat sich die Entscheidung bewährt, sich mit dem Einsatz von VR-Modellen auf entwicklungstechnisches Neuland zu begeben: »Virtual Engineering wird bei uns in Zukunft sicher eine stärkere Bedeutung bekommen«, ist Jean-Marc Vesselle, Leiter des Geschäftsbereichs Ion Exchange Resins, überzeugt.

Seit Herbst letzten Jahres werden in Bitterfeld die Membranelemente gefertigt. Die Experten des IFF arbeiten unterdessen bereits an der Nachfolgetechnologie: Im September soll die vollautomatische Anlage in Betrieb gehen. Das Investitionsvolumen für das neue Werk in Bitterfeld liegt bei etwa 30 Millionen Euro. Rund 200 neue Arbeitsplätze werden langfristig am Standort geschaffen. Auf einer Gesamtfläche von 4000 Quadratmetern sind Produktionsanlagen, Labore, Logistikflächen und Büros entstanden.

Prof. Dr. Ulrich Schmucker | Fraunhofer Forschung Kompakt
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2012/september/im-zeitraffer-vom-konzept-zum-produkt.html

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