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Miniaturisierung: Wie weit kann man schrumpfen?

| Autor / Redakteur: Jakob Dück * / Kristin Rinortner

Um Material und Kosten zu sparen, werden Maschinen und andere Produktionsmittel immer kleiner. Doch wie weit kann die Verdichtung einzelner Funktionen und die Miniaturisierung sinnvoller Weise gehen?

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Miniaturisierung: Aufgrund der Erfahrungen in Zusammenarbeit mit Kunden aus unterschiedlichen Industriebereichen kann Harting als Hersteller von industriellen Schnittstellen praktische Empfehlungen und Erfahrungen teilen. So lassen sich die enormen Potentiale der Miniaturisierung entdecken und ausschöpfen.
Miniaturisierung: Aufgrund der Erfahrungen in Zusammenarbeit mit Kunden aus unterschiedlichen Industriebereichen kann Harting als Hersteller von industriellen Schnittstellen praktische Empfehlungen und Erfahrungen teilen. So lassen sich die enormen Potentiale der Miniaturisierung entdecken und ausschöpfen.
(Bild: Harting)

Für die fortschreitende Miniaturisierung technischer Systeme gibt es zahlreiche Beispiele. Das „Mooresche Gesetz“ beispielsweise besagt, dass sich die Integrationsdichte von Mikrochips alle 18 Monate verdoppelt. Heute finden rund 35 Mrd. Transistoren in einem einzelnen Chip Platz. Allerdings ist die physikalische Grenze erreicht.

Ein anderes Beispiel ist das Smartphone, das sich in den letzten 20 Jahren vom mobilen Telefon zu einem integrierten Kommunikations-, Navigations-, Unterhaltungs- und professionellem Multifunktionsgerät entwickelt hat. Der Trend zur „Verdichtung“ von Funktionen und technischen Eigenschaften hat bereits neue technische Disziplinen hervorgebracht: wo die Grenze zwischen Elek­tronik und Mechanik immer mehr verschwimmt, spricht man heute von Mecha­tronik.

Dass die Verkleinerung technischer Strukturen ein allgemeiner Trend ist, lässt sich aber nicht nur bei Gebrauchsgütern fest­stellen. So ist z.B. die aktuell stärkste Träger-Rakete Falcon Heavy von SpaceX im Vergleich zur historisch leistungsstärksten „Saturn V“-Rakete des Apollo-Programms filigran, d.h. sie schont den Energie- und sonstigen Ressourcenverbrauch – und ist dazu auch noch teilweise wiederverwendbar.

Doch macht die gegenwärtige Miniaturisierung auch bei Produktionssystemen im Allgemeinen Sinn? Es wird argumentiert, der Trend könne bei Maschinen und Anlagen ohnehin nur bedingt Auswirkungen haben, weil diese im Gegensatz zu typischen Mikroprozessor-IC oder Smartphones im Indus­trieumfeld aufgestellt und betrieben werden; und sie im Vergleich zu spektakulären Systemen wie Träger-Raketen wesentlich weniger Energie verbrauchen.

Miniaturisierung ist kein Selbstzweck

Der Einwand verliert an Bedeutung, wenn man versteht, dass Miniaturisierung kein Selbstzweck sondern „Mittel zum Zweck“ ist. Im technischen Sinne ist jede sparsamere und effizientere Lösung eine „Verkleinerung“, die weniger Fertigungs-, Verbrauchs- oder sonstige Materialien benötigt und den Einsatz von Energie, Arbeit und anderen Ressourcen optimiert – solange die geforderte Funktionalität gewährleistet ist und sowohl die Auslegung der Maschinen-Module und Komponenten als auch die Abläufe im Produktionsprozess stimmig bleiben.

Die Einsparung von Material- und Energie-Ressourcen ist also das eigentliche Ziel, das mit der Miniaturisierung erreicht werden soll. Um Aufwand und Nutzen der Miniaturisierung bei Produktionssystemen richtig und umfassend einschätzen zu können, muss man sowohl die Sicht der OEMs im Maschinen- und Anlagenbau als auch die Sicht von Endkunden/Betreibern berücksichtigen.

Als Leitfaden für eine systemorientierte Herangehensweise kann die Lebenszykluskosten-Analyse dienen (engl. LCC = Life Cycle Costs/Lebenszykluskosten), die vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) erarbeitet wurde. Zudem kann das Vorgehen gemäß jeweils passender Abschnitte der Richtlinie VDI 4800 BLATT 1 (Messung und Bewertung der Ressourceneffizienz / Februar 2016) sehr zielführend sein. Hier werden Standards und Methoden einer solchen Analyse und daraus abzuleitender Maßnahmen beschrieben.

Die Beobachtung besonders erfolgreicher Unternehmen zeigt, dass solche Analysen eine systematische Auflistung der Potentiale umfassen müssen. Eine Verwirklichung der Maßnahmen bringt letztlich Wettbewerbsvorteile, die sich im Verlaufe des Lebenszyklus eines Produktionssystems erschließen.

Welche Rolle spielen die Schnittstellen?

Harting ist einer der weltweit führender Anbieter für alle Arten von Schnittstellen, die in der modernen Steuerungs-, Antriebs-, HMI- und Kommunikationstechnik für Produktionssysteme erforderlich sind. Und die Rolle der Interfaces ist in dem Miniaturisierungsprozess nicht zu unterschätzen – dieses lässt sich sehr plakativ mit einem Beispiel aufzeigen.

Als Intel Ende der 70er Jahre seinen 8086-Mikroprozessor entwickelte, erreichte die Anzahl von Transistoren einen mittleren 5-stelligen Bereich; dafür war eine doppelreihige 40-Pin-Anschlusstechnik im DIP-Gehäuse absolut ausreichend. Nur 10 Jahre später wurden beim 80486-Mikroprozessor desselben Herstellers mit ca. 1 Mio. Transistoren bereits Pin Grid Arrays (PGA, dt. Kontaktstift-Rasterfeld) mit mehreren 100 Pins benötigt, um die Interfaces auszubilden, die den vollen Funktionsumfang (inkl. Anzahl von Interfaces, EMV ...) der Computer-Systeme sicherstellten.

Darüber hinaus war die Auslegung von Interfaces von entscheidender Bedeutung für der Erfolg bestimmter Mikroprozessor-Serien bzw. einzelner Versionen. Ähnlich wie in der IC-Technik, wachsen die Packungsdichte und der Integrationsgrad bei Maschinen-Modulen und Aggregaten der Produktionstechnik immer weiter und einhergehend mit diesen Anforderungen werden auch die Interface-Lösungen optimal ausgelegt. Aus Erfahrungen durch enge Zusammenarbeit mit Kunden aus den unterschiedlichsten Industriebereichen kann das Unternehmen aus Espelkamp daher entsprechende Empfehlungen aufstellen.

Innovationsstufen bei der Miniaturisierung

Folgende drei entscheidende Innovationsstufen – gestaffelt nach Aufwand – lassen sich demnach ableiten (siehe Tabelle 1):

  • Optimierung durch Verkleinerung, Vereinfachung, Minimierung des Materialaufwands sowie Einsatz progressiver neuer Materialien für bereits bestehende Komponenten, Module und Gesamtsysteme auf Basis des wachsendes OEM Kern-Knowhows und dank Einsatz immer genauerer CAE-Tools und -Methoden.
  • Verkleinerung der Komponenten, Aggregate und Maschinen-Module durch Kombination von zwei oder mehreren früher getrennt wirkenden Funktionseinheiten und entsprechend auch die Erhöhung des Integrationsgrads dieser Einheiten.
  • Einsatz innovativer Technologien und/oder Kombination von bestehenden und neuen Technologien für Komponenten, Aggregate und Module – mit dem Ziel signifikante, bis dato nicht mögliche Material- und Kosteneinsparungen oder auch Produktivitätssteigerungen herbeizuführen.

Tabelle 1: Matrix für drei Innovationsstufen.
Tabelle 1: Matrix für drei Innovationsstufen.
(Bild: Harting)

Während Verkleinerung und Vereinfachung zum Tagesgeschäft von Maschinenbau-OEMs gehören – und sich insofern selbst erklären – sind die beiden komplexeren Faktoren/Stufen erklärungsbedürftig und sollen anhand von Beispielen verdeutlicht werden.

Beispiele für komplexe Stufen der Miniaturisierung

Bild 1: Umsetzung der drei Innovationsstufen bei den Interface-Lösungen von Harting.
Bild 1: Umsetzung der drei Innovationsstufen bei den Interface-Lösungen von Harting.
(Bild: Harting)

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die innovative Wirkung wenn früher getrennt wirkende Funktionseinheiten kombiniert werden.

Bei Motorspindeln an Werkzeugmaschinen sind alle mechanischen Elemente (Achse, Lagerung, Werkzeugspanner etc.) des Antriebsmotors so ausgeführt, dass sie ohne weitere Adaption oder zusätzliche Elemente in die Maschine integriert werden und allen Belastungen durch die Maschine standhalten können. Gleichzeitig sind alle erforderlichen Elemente des elektrischen Servo-Antriebsstrangs – Wicklungen des elektrischen Motors, Drehgeber und Sensoren (Positionserfassung, Temperatur, Vibration) – direkt an den Formfaktor der Gesamteinheit angepasst.

Roboter-Greifsysteme, die je nach Aufgabe und Komplexität der Funktionen der Gesamt-Anlage auf vielfältige Art und Weise hochintegriert und auf konkrete Aufgabenpakete zugeschnitten, aber trotzdem flexibel aufgebaut werden können. Bei diesen Systemen gibt es unzählige Beispiele, wo der Integrationsgrad hoch und die Funktions-Verdichtung besonders stark ist.

Die dritte Innovationsstufe ist oft kostenintensiv und technisch am anspruchsvollsten. Sie ermöglicht aber auch die größten Innovationsvorsprünge: Beispielsweise werden bei einer vollelektrischen Kunststoff-Spritzgussmaschine das Einspritzen und Dosieren des Kunststoffs ebenso wie das Öffnen und Schließen des Werkzeugs komplett auf Servoantriebe umgestellt; dadurch können die Maschinen-Module wesentlich kompakter aufgebaut werden. Als zusätzlicher positiver Effekt kann sich der Energieeinsatz im Vergleich zu leistungsähnlichen Maschinen mit herkömmlicher Hydrauliktechnik fast halbieren.

Als letztes Beispiel sollen hochintegrierte Transportsysteme auf Basis von Linearmotor-Technologie mit einzelnen, unabhängig voneinander elektronisch steuerbaren Schlitten mit eigenen individuellen Bewegungspro­filen dienen: ihr Einsatz ermöglicht neue Konzepte und Leistungsspektren bei Produktionssystemen mit getakteten Bewegungs­abläufen für die Werkstücke.

Empfehlungen für das Vorgehen bei der Miniaturisierung

Aus erfolgreichen Verhaltensmustern der Kunden im Bereich Maschinenbau lassen sich generelle Vorgehensweisen ableiten und Schritte empfehlen, die für die gezielte Materialeinsparung und Miniaturisierung der Produktionssysteme notwendig sind.

Generell ist es empfehlenswert, die Einsparungs- und Miniaturisierungspotentiale einzelner Maschinen-Module oder der Gesamtanlage anhand bereits erwähnter Standards und Bewertungsmethoden zu bewerten (beispielsweise nach der Lebenszykluszeit-Analysen von VDMA (1) oder Richtlinie VDI 4800 BLATT 1 (2)).

Dabei empfiehlt es sich, wie folgt vor­zugehen: Sie sollten das Ausgangssystem getrennt nach Maschinen-Modulen, Aggregaten und Funktionen betrachten und nach einer der empfohlenen Systematik priorisieren. Ziel ist es, solche Elemente höher zu priorisieren, die den höchsten Material- oder Kostenanteil eines Systems darstellen. So lassen sich die Teile mit dem höchsten Einsparungspotential ausmachen.

In einer „Experten-Analyse“ mit dem gleichen Ziel wie oben werden oft noch weitere, weniger offensichtliche Optimierung-Potentiale im System entdeckt.

Danach sind die Systeme mit den höchsten Einsparungspotentialen unter einem anderen Gesichtspunkt zu bewerten, und zwar nach Key-Funktionen, die die Kernkompetenz des OEM wiederspiegeln; Grundfunktionen (z.B. Träger – oder Transportsysteme), die sich über das gesamte System erstrecken; Add-On- oder Hilfs-Funktionen, die eher dem allgemeinen Stand der Technik entsprechen und für den OEM zweitrangig sind.

Im letzten Schritt sollte die Anwendbarkeit der oben beschrieben drei Stufen der Innovationen im Sinne der Miniaturisierung für alle hochpriorisierten Maschinen-Elemente durch Experten bewertet werden.

Die Ergebnisse der Bewertung sind in einer möglichst abstrakten Matrix darzulegen. Der Vorteil ist, dass eine Ergebnismatrix entsteht, die Machbarkeit, technische Risiken und Einsparungspotentiale bewertet. Diese ermöglicht den Überblick und liefert gute technische und betriebswirtschaftliche Begründungen für die nächsten konkreten Schritte der Miniaturisierung und daraus erforderlichen Entwicklungsprozess. Der Abgleich der aufgebauten Matrix mit Ergebnissen regelmäßiger Zwischenbewertungen erlaubt effiziente Korrekturen und transparente Darstellung der Zielerreichung während der Entwicklungsphase.

Im Zuge einer gezielten Materialoptimierung und Miniaturisierung von Teilen von Produktionssystemen können enorme Einsparpotentiale aufgedeckt und verwirklicht werden. Mit wenigen Überarbeitungsschritten kann der OEM transparentere sowie kosten- und anforderungsoptimierte Maschinen erhalten – und der Endanwender realisiert in der Regel erhebliche Energie- und Ressourceneinsparungen.

Die Espelkamper Technologiegruppe unterstützt die Miniaturisierung im Maschinen- und Anlagenbau, indem sie Lösungen für alle Interfaces bereitstellt, die in der modernen Steuerungs-, Antriebs-, HMI- und Kommunikationstechnik für Produktionssysteme notwendig sind. Entscheidend ist, dass die Verkleinerung keine funktionellen Einschränkungen mit sich bringt. Dabei lassen sich bei den Produkten und Lösungen für Industrie-Schnittstellen die gleichen drei Innovationsstufen nachvollziehen, die je nach Stand der Miniaturisierung und Inte­grationsgrad für die jeweilige Applikation zielführend sind.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 18/2020 (Download PDF)

Miniaturisierung: Wo liegen die Grenzen?

Für die Miniaturisierung gibt es im Prinzip keine Grenze nach unten, jedenfalls keine, die durch die Schnittstellen bedingt wäre. Denn nicht die Schnittstellen, sondern die Funktionalität und Größe des Systems sind bei der Miniaturisierung „führend“ – auch in der Produktionstechnik. Wie sich seit Jahren in der Zusammenarbeit mit Kunden bestätigt, lassen sich die besten Ergebnisse beim „Schrumpfen“ im Maschinen- und Anlagenbau gerade dann erzielen, wenn die Anforderungen der OEMs mit den praktischen Erfahrungen von Interface-Herstellern für unterschiedliche Industriezweige und Anwendungen zusammengebracht werden. Daraus entstehen innovative Lösungen, die den Weg zu flexiblen, technisch und wirtschaftlich optimierten Lösungen ebnen – und weitere Horizonte für die künftige Entwicklungen aufzeigen.

Literatur

[1] Bode, M.; Bünting, F.; Geißdörfer,K.: „Rechenbuch der Lebenszykluskosten“, VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

[2] VDI 4800 Blatt 1:2016-02, „Ressourceneffizienz - Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien“ https://www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-4800-blatt-1-ressourceneffizienz-methodische-grundlagen-prinzipien-und-strategien

* Dipl.-Ing. Jakob Dück arbeitet als Global Industry Segment Manager bei Harting in Espelkamp.

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