Time-Dependent Eco-Efficiency Assessment in the Production of Composite Structures Case study from manufacturing aircraft ribs made of fiber-reinforced polymer (FRP)

Kurzfassung

Heutzutage unterliegen Technologien zur effizienten Produktion von Strukturen aus faserverstärkten Polymeren in verschiedenen Industriezweigen einschließlich der Luftfahrt einer ständigen Weiterentwicklung. Dies macht es erforderlich, die Ökoeffizienz von Prozessvarianten zu bewerten, um die Treiber ihrer ökonomischen und ökologischen Auswirkungen aufzuspüren. Daher spielen Entscheidungsunterstützungswerkzeuge zur Prozessbewertung eine entscheidende Rolle bei zukünftiger Produktion der Strukturen aus faserverstärkten Polymeren. In der Praxis sollten solche Bewertungsunterstützungssysteme auf gesammelten Prozessdaten basieren und sie müssen für relevante Prozessszenarien anpassbar sein. Darüber hinaus ist diese Entscheidungsfindung ein zeitgemäßer Ansatz in moderner Produktion. Deshalb ist die zeitabhängigen Bewertungsfähigkeit ein Schlüssel zur Abdeckung dieser Prozessvarianten und zur rechtzeitigen Entscheidungsfindung. In der Literatur gibt es eine Vielzahl von Rahmenwerken und Konzepten, die nur bestimmten Aspekten der zeitabhängigen Ökoeffizienz-Bewertung in der Produktion von Strukturen aus faserverstärkten Polymeren dienen. In der Literaturübersicht dieser Arbeit sind nicht nur Rahmenwerke für die Ökobilanzierung, Modellierung und Industrie 4.0, sondern auch ausgewählte Konzepte und Studien zur zeitabhängigen Bewertung und Echtzeit-Datenerfassung betrachtet. Basierend auf diesen konventionellen Ansätzen wurde in dieser Arbeit ein umfassender Rahmen für die zeitabhängige Ökoeffizienzbewertung in der Produktion von Strukturen aus faserverstärkten Polymeren eingeführt. Um diesen Rahmen zu realisieren, wird das zuvor entwickelte Ökoeffizienz-Bewertungsmodell, das als Eco-Efficiency Assessment Model (EEAM) benannt wurde, erweitert und für die Bewertung der parametrisierten Produktion implementiert. Darüber hinaus wurde das Konzept der Smart-Work-Station (SWS) etabliert, um Prozessdaten in Echtzeit bereitzustellen und die Prozesse zu parametrisieren. Ähnlich wie das Rahmenwerk wurde das SWS-Konzept so entwickelt, dass es für eine Vielzahl zugehöriger Produkte und Prozessszenarien innerhalb definierter Systemgrenzen anpassbar ist. Es umfasst die Bestimmung der erforderlichen Sensorknoten für die Messung der zugehörigen initialen Daten. Die in dieser Arbeit eingeführte zeitabhängige Ökoeffizienzbewertung ist ein Schlüssel nicht nur zur Durchführung der Bewertung und des Vergleichs von Produktions- und Produktvarianten, sondern auch zur Erleichterung der Abschätzung in frühen Entwicklungsphasen. Als Fallstudie ist die hochautomatisierte Fertigung von Seitenleitwerksrippen in Verkehrsflugzeugen ausgewählt, um den Rahmen zu untersuchen, das Datenerfassungskonzept der SWS zu realisieren und die Ergebnisse aus EEAM zu validieren. Die Ergebnisse der Bewertung dieser Fallstudie zeigen direkte Kosten von rund 221,3 e/kg und einen Kohlenstoffdioxid-Fußabdruck von etwa 105,7 kgCO2/kg aus den betrachteten Vorbereitungs-, Zuschnitt-, Vorform- und Trimmteilprozessen. Diese zeitabhängigen ökonomischen und ökologischen Auswirkungen werden in jedem Teilprozess ihren Treibern zugeordnet und validiert.