Hydraulische Pressentechnik: Eine Frage der Systemgrenzen

Die Zeichen stehen auf Nachhaltigkeit. Pariser Klimaabkommen von 2015, Klimaschutzziele der Bundesregierung, Green Deal der EU (Europäische Union): Der Kurs ist abgesteckt, nicht zuletzt für die Industrie. Besonders betroffen sind energieintensive Prozesse und in der Umformtechnik stehen dabei auch die hydraulischen Pressen im Fokus.

Der Ende 2019 verkündete Green Deal soll die EU bis 2050 klimaneutral machen. Allerdings hat die Corona-Pandemie dem ehrgeizigen Vorhaben kurz nach dem Start einen Dämpfer verpasst und den wirtschaftlichen Spielraum vieler Unternehmen stark eingeschränkt. Sind Ökologie und Ökonomie unter solchen Bedingungen vereinbar?

„Das stellt für Lasco keinen Widerspruch dar“, sagt Jochen Günnel, Vertriebsleiter bei Lasco-Umformtechnik. Der Pressenbauer erzeugt Solarstrom auf seinem Betriebsgelände, setzt auf einen modernen Maschinenpark für die Produktion und energieeffiziente Antriebstechnik für die eigenen Produkte. Nachhaltiger und klimafreundlicher zu produzieren sei sicherlich nicht der alleinige Ausweg aus Pandemie- und Umweltproblemen oder wirtschaftlichen Zwängen. „Aber es ist ein Teil der Lösung“, ist sich Günnel sicher. „Gerade jetzt beschäftigen sich viele unserer Kunden mit nachhaltigen, hocheffizienten Produktionsanlagen, und die Nachfragen nach umweltbewussteren Produktionsanlagen werden neben höherer Ausbringung und geringeren Investitionskosten zunehmen“, erwartet er.

Tobias Hain, Geschäftsführer des Industrieverband Massivumformung (IMU), nimmt bei der Frage Ökologie versus Ökonomie kein Blatt vor den Mund: „Ökologie macht nur Sinn, wenn der Laden überhaupt noch läuft. Wer nicht mehr produziert, braucht sich keine Sorgen machen um den CO2-Ausstoß. Das war die Situation letztes Jahr.“ In einzelnen Monaten seien die Unternehmen in den vom Verband vertretenen Branchen auf 20 Prozent ihrer Kapazität gelaufen. Mittlerweile liege die Auslastung wieder bei 80 Prozent und mehr. Es ist also Luft vorhanden, um sich nach dem Krisenmanagement wieder Gedanken um Weichenstellungen für die Zukunft zu machen. Etwa in der vom Verband mit einem guten halben Jahr Corona-Verspätung gestarteten Initiative „No Carb Forging 2050“. „Wir alle sind seit letztem Jahr Teil eines großen Green Deals, der die Maßgabe verfolgt, für die gesamte Industrie bis spätestens 2050 klimaneutrale Produktionsprozesse zu erreichen, und das ist eine Aufgabe, der wir uns auch stellen wollen“, betont Hain.

Hohe Investitionskosten für Maschinen und Anlagen, Amortisationszeiten, die sich besser in Jahrzehnten als in Jahren bemessen lassen: All dies ist für viele hy­draulische Pressen eher die Regel als die Ausnahme. Entsprechend lange kann es dauern, bis sich Innovationen in der Fläche durchsetzen. Entsprechend hoch sind aber auch die Anforderungen der Betreiber und das Interesse an Entwicklungen, die im Betrieb Kosten einsparen. Die Frage nach mehr Energieeffizienz stellt sich deshalb ganz unabhängig von Nachhaltigkeitsdiskussionen. Die Antworten darauf lauten immer häufiger „Digitalisierung“ und „Servo-Direktantrieb“.

Generell ist beim Umstieg von einer konventionellen auf eine hydraulische Presse mit Servo-Direktantrieb eine Reduzierung des Energieverbrauchs um bis zu 30 Prozent erreichbar. Einzelne Hersteller versprechen sogar bis zu 70 Prozent gegenüber ihren eigenen Vorgängermodellen ohne Servo.

„Die Servo-Hydraulik hat das Potenzial, nach und nach zum Stand der Technik zu werden“, stellt Maxi­milian Gruber vom Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen UTG an der Technischen Universität München fest. Servo für hydraulische Pressen bedeutet, es werden, wo es möglich ist, Ventile durch Servo-Motoren ersetzt – mit einer ganzen Reihe von Vorteilen. So benötigen die Aggregate weniger Öl, was gleichzeitig die Kühlleistung reduziert. „Darüber hinaus habe ich durch die präzisere Steuerung einen deutlich effizienteren Ansatz und dementsprechend höhere Ausbringungen. Heißt, ich kann schneller fahren und habe gleichzeitig weniger Ausschuss“, erklärt Gruber. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur Rekuperation, also die Möglichkeit, die Bremsenergie der Presse zu nutzen, um beispielsweise den Antrieb zu speisen.

„Grundsätzlich ist der Servo-Direktantrieb für alle hydraulischen Pressen nachrüstbar“, sagt Jochen Günnel von Lasco. Ebenso Standard beim Retrofit ist ein Upgrade der Steuerungstechnik – mit dem Nebeneffekt, dass sich selbst ältere Maschinen und Anlagen in Industrie-4.0-Umgebungen einbinden lassen, und das rentiert sich doppelt. „Auch die Digitalisierung reduziert den Energieverbrauch“, sagt Hans-Dieter Schmees, der als Fachreferent den Arbeitskreis Umformtechnik beim VDW betreut. Durch die Vernetzung laufen Prozesse im Ganzen effizienter, digitale Zwillinge erlauben virtuelle Inbetriebnahmen und eröffnen neue Möglichkeiten bei Wartung und Instandhaltung.

Gerade wenn es um Nachhaltigkeit gehe, sollten Maschine und Verfahren gesamtheitlich betrachtet werden, stellt Schmees klar: „Steuerungstechnik, wirtschaftliche Aspekte, immer höhere Taktzeit-Anforderungen und Bauteilanforderungen spielen ebenfalls eine Rolle. Diese Anforderungen stehen häufig im Konflikt mit der Energieeffizienz und müssen fallweise gelöst werden“, betont er. Hydraulik punkte in der Regel damit, dass sie in ihrer Größe gut skalierbar und steuerbar sei und so viele Vorteile im Vergleich zu anderen Antriebstechnologien biete, so Schmees.

Einen Schritt weiter geht Maximilian Gruber: „Es kommt auch immer darauf an, wie man seine Systemgrenzen setzt“, erklärt er. „Pressen stellen ein Produkt her. Dafür brauchen sie Primärressourcen, also die Halbzeuge, und Verbrauchsstoffe wie Wasser, Schmierstoffe oder Energie. Wenn ich dieses System aber weiter fasse, dann kommen noch ganz andere Faktoren dazu, die entscheidend für die Auswirkungen auf die Umwelt sind. Zum Beispiel welche Ressourcen werden aufgewendet, um das Halbzeug oder die Presse an sich herzustellen.“ Last but not least: Welche Rolle spielen die Endprodukte? Ihr Product Carbon Footprint und das spätere Recycling?

In den Presswerken von Volkswagen hat das Streben nach mehr Energieeffizienz dazu geführt, dass bei der Blech-Kaltumformung die hydraulischen Pressen durch schnellere und effizientere mechanische Pressen ersetzt wurden, Try-out-Pressen zur Werkzeugeinarbeitung inbegriffen. Allerdings können hydraulische Pressen im Gegensatz zu mechanischen in jeder Position anhalten und in jeder Position über längere Zeit die maximale Presskraft aufbringen. Dieser Vorteil kommt bei der Warm­umformung hochfester Stähle zum Tragen.

Hier wird ein circa 900 Grad Celsius heißes Blech in das Werkzeug eingelegt, dann schließt die Presse, und das Blech wird im geschlossenen Werkzeug auf etwa 200 Grad Celsius abgekühlt. Während dieses Vorgangs muss das Werkzeug mit einer definierten Kraft zugehalten werden. „Das ist mit mechanischen Pressen so nicht möglich, und wo dies erforderlich ist, können sich hydraulische Pressen trotz der geringeren Stößelgeschwindigkeiten, des höheren Energieverbrauchs und der höheren Umweltrisiken gegen mechanische Pressen durchsetzen“, berichtet Volkswagen-Sprecher Sebastian Schaffer.

Komponenten aus hochfestem Stahl übernehmen nach einer teilweisen Abkehr von kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) im automobilen Leichtbau immer häufiger tragende Rollen in der Karosserie. Aufgrund seines guten Verformungswiderstandes eignet sich warm­umgeformter Stahl vor allem für sicherheitsrelevante Strukturbauteile. Gleichzeitig lässt sich Stahl besser recyceln als CFK und je länger und öfter ein Werkstoff genutzt wird, desto günstiger fällt seine CO2-Bilanz aus.

Das Recycling ausgedienter Stahlteile übernehmen in Deutschland beispielsweise Hüttenwerke wie die Georgsmarienhütte, die bereits 1994 auf Elektrostahlproduktion umstellte – Elektrostahl auf Schrottbasis. „Wir liegen bei CO2-Emissionen weit unter dem Branchendurchschnitt“, sagt Frank Koch, CEO der GMH-Gruppe. Bei der Elektrostahlproduktion entsteht laut GMH pro Tonne Stahl fünfmal weniger CO2 als in vergleichbaren integrierten Hüttenwerken mit Koks und Hochöfen. Ziel von GMH ist es, bis 2050 klimaneutral Stahl zu produzieren. „Der entscheidende Hebel für die Zukunft ist verlässlich verfügbarer grüner Strom in ausreichender Menge, mit dem wir unsere Emissionen noch einmal um zwei Drittel senken können“, so Koch.

GMH ist einer der 50 Teilnehmer der No-Carb-Forging-2050-Initiative, zu der neben Maschinen- und Anlagenbauern und Presswerken unter anderem auch Stahlhütten und Ofenbauer gehören. Die Initiative steht zwar noch ganz am Anfang, doch in zwei Punkten ist sich Andreas Kucharzewski, IMU-Fachbereichsleiter Forschung und Technik, schon jetzt sicher: „Das eigentliche Pressen wird nicht zu den großen Hotspots im Gesamtprozess zählen, sondern das werden die Thermoprozesse sein, primär jene im Stahlwerk, aber auch bei den Schmieden die Vorerwärmung und gegebenenfalls die spätere Wärmebehandlung, und es wird am Ende – Stichwort CO2-Neutralität – sicherlich eine Residualgröße übrig bleiben, die nicht lösbar ist und für die man über zusätzliche Ausgleichsmaßnahmen nachdenken muss.“