Steigerung der Ressourceneffizienz durch wertorientierte Instandhaltung - Transforming Economies

Dr.-Ing. Bernhard Leidingerleidinger.technology

Hohe Innovationsgeschwindigkeit und hohe Kosten für handwerkliche Leistungen haben dazu geführt, dass wir eine Wegwerfgesellschaft geworden sind. Noch vor 50 Jahren hielt ein Telefon ein halbes Menschenleben – und heute nur noch so lange, bis der verbaute Chip nicht mehr mit dem neuesten Update der Software klarkommt. Bei werden im Falle eines Bauteilausfalls ganze Module oder gleich das komplette Gerät ausgewechselt.

Bei industriellen Produktionsanlagen werden geplante und ungeplante Unterbrechungen genutzt, um prophylaktischen Austausch von Komponenten und Systemen durchzuführen, die in naher Zukunft ausfallen könnten, aber aktuell noch voll funktionstüchtig sind.

Wertvolle Bauteile, die aus knappen Ressourcen unter hohem Einsatz von Energie gefertigt wurden, werden heute fast immer vor Verbrauch der Abnutzungsreserve verworfen und dem stofflichen bzw. thermischen Recycling oder sogar einer direkten Deponierung zugeführt.

Grund dafür ist die zu ungenaue Kenntnis über die jeweilig verbliebene Restlebensdauer dieser Teile.

Zu deren Prognose müssen geeignete verlässliche Modelle entwickelt werden.

Alterungsmechanismen von technischen Bauteilen

Für die Beschreibung der Abnutzung von Bauteilen sind unter anderem folgende Parameter relevant:

• Häufigkeit und Intensität der betrieblichen Beanspruchung (Betriebsstunden und/ oder Lastwechsel, mechanische Beanspruchungen (Kräfte), Einsatztemperaturen, chemische Beanspruchungen (Kontaktmedien))
• Lagerdauer und -konditionen vor dem Einsatz (Zeit, Temperatur, Feuchte, Verpackung/ Schutz)

Der Zahn der Zeit

Technische Bauteile beginnen bereits unmittelbar nach ihrer Produktion mit der Degradation ihrer wichtigsten Eigenschaften. Am einfachsten kann das anhand eines Autoreifens beschrieben werden: Die Gummi-Mischung altert auch, ohne dass der Reifen gefahren wird.

Automobilclubs empfehlen daher, keine Reifen zu erwerben, deren Herstellung bereits zwei oder mehr Jahre zurückliegt. Gleiches gilt beispielsweise auch für Elektrolytkondensatoren. Langsam laufende chemische Reaktionen im Grundmaterial oder der Verlust eines Vakuums aufgrund von Leckagen durch die Dichtungen sind die häufigsten Ursachen. Diese Alterungsmechanismen verlaufen je nach Temperatur, Feuchte und Zusammensetzung der Umgebungsluft unterschiedlich schnell.

Auch Temperaturen spielen eine Rolle

Eine weitere Degradation der Bauteileigenschaften entsteht durch den Wechsel von Temperaturen: selbst wenn dieser nicht durch die Nutzung des Bauteils selber, sondern beispielsweise durch sein Umfeld hervorgerufen wird.

Bei Temperaturwechselbeanspruchungen entstehen immer Differenzen zwischen den Oberflächentemperaturen und den Temperaturen im Kern des Bauteils. Unterschiedliche Temperaturen verursachen unterschiedliche Ausdehnung des Materials. Hierdurch entstehen im Inneren der Bauteile Scherkräfte. Dies führt schon bei homogenen Werkstoffen, aber insbesondere auch bei aus verschiedenen Materialien hergestellten Bauteilen, zu behinderten Wärmedehnungen, die zu mechanischen Überlastungen führen können. Das Resultat sind Risse, die die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische Beanspruchbarkeit einschränken.

Stärkste Abnutzung durch die Übertragung von Kräften

Die stärkste Abnutzung erfahren Bauteile, mit denen Kräfte übertragen werden: Bremsbeläge, Kupplungsbeläge oder Autoreifen werden beispielsweise zur abrasiven Kraftübertragung eingesetzt.

Ihre Abnutzung ist geplant, denn ein Fahrzeug kann auf der Straße nur dann beschleunigen, bremsen oder eine Kurve fahren, wenn es zwischen den Reifen und dem Asphalt Reibung gibt und ein Teil des Reifenprofils bei der Fahrt abradiert wird.

Parameter sind in mathematischen Modellen nicht abzubilden

Auf diese Angriffe reagieren Bauteile je nach ihrer Beschaffenheit unterschiedlich.  Grundsätzliche konstruktive Merkmale entscheiden über die erreichbare Lebensdauer – wie:

• Materialauswahl, Wanddicken und Wanddickenübergänge
• Fügeverfahren wie Kleben, Löten, Schweißen, Schrauben
• eine mögliche Wärmebehandlung z.B. zum Härten oder zum Entfernen von Eigenspannungen nach dem Schweißen oder Schmieden.

Noch viel stärker aber ist der Einfluss von inhärenter Sicherheit gegen mechanische Überbeanspruchung, zum Beispiel durch konstruktiv integrierte Kompensatoren für den Längenausgleich bei thermischer Beanspruchung.

Es gibt so gut wie keine Möglichkeit, all die vorgenannten Einflussparameter für die unterschiedlichsten Bauteile in einem mathematischen Modell so abzubilden, dass ein brauchbares Prognosemodell für die zu erwartende Einsatzdauer in der beabsichtigten Anwendung entsteht. Daher müssen statistische Modelle genutzt werden.

 Von Bauteilen und Kernobst

Möchte man Bauteile, die bislang nur etwa 1.000 Betriebsstunden genutzt wurden, auf ihre ausfallfreie Einsatzzeit bis zu 2.000 Stunden bewerten, so muss man die gemachten Erfahrungen extrapolieren. Die Antwort auf die Frage, ob sich die Ausfallrate bei doppelter Nutzungszeit verdoppelt oder ob sie sogar abnehmen wird, weil die Beanspruchungen äußerst gering sind und die bisherigen Ausfälle ausschließlich auf Herstell- oder Einbaufehlern beruhen, erfordert einen Blick in die Glaskugel, Denn meist handelt es sich um Anlagen und Bauteile mit hoher Individualität, so dass keine geeignete Statistik verfügbar ist.

Der Vergleich von Äpfeln mit Birnen ist so lange schwierig, wie man beide nicht als Kernobst behandelt. Tut man es dann aber, so wird der Vergleich plötzlich einfach.

Die „alten Hasen“ in der Instandhaltung

Da es keine identischen Bauteile mit identischer Historie in einer identischen Einbausituation für die identische betriebliche Beanspruchung gibt, muss eine für Prognosemodelle herangezogene Statistik auf vereinfachender Gleichmacherei beruhen. Hierzu ist „Engineering Judgement“ erforderlich und damit der Einsatz des Präsenzwissens der „alten Hasen“ in der Instandhaltung.

Die zweiparametrige stetige Wahrscheinlichkeitsverteilung, die der schwedische Ingenieur und Mathematiker Ernst Hjalmar Waloddi Weibull entwickelt hat, hat sich für Prognosen der Lebensdauer von Bauteilen als geeignet erwiesen und dient heute als Referenzmodell.

Das Verfahren hat sich als geeignet erwiesen, wenn man beabsichtigt, bisherige kurze Einsatzzeiten zu verlängern und man bestehende Erfahrungswerte in den Bereich größerer Reisezeiten extrapolieren möchte, um die Abnutzungsreserven der Bauteile besser auszubeuten.

 Ressourcenschonung durch Datennutzung

Im Wort „Ingenieur“ steckt die Vokabel „Genium“, was Geist bedeutet. Ingenieurtechnisches Wissen schafft einerseits kreative „geniale“ Lösungen – kann aber gerade beim Brainstorming zur Frage, welche Früherkennungsmöglichkeiten es für ein bevorstehendes Bauteilversagen gibt, hinderlich sein, weil die Nutzung des Wissens die Lösungsvielfalt auf durch gemachte Erfahrungen erklärbare Phänomene reduziert. Am besten ist es daher, wenn rein numerische Methoden durch rein numerisch geprägte Exporten durchgeführt werden.

Unmengen an Daten durch Digitalisierung

Im Zeitalter der Digitalisierung stehen Unmengen an erfassten Daten zur Verfügung, die sich in irgendeinem nicht näher zu definierenden kausalen und/ oder temporären Zusammenhang mit dem betrachteten Bauteil befinden.

Das können neben direkt am Bauteil aufgenommenen Signalen von Druckgebern, Temperaturgebern, Dehnungsmessungen, Frequenzen der Bauteilschwingungen, etc. auch Betriebsparameter, Wetterbedingungen, Umgebungsgeräusche sowie sogar auch die Biokurve des Bedienpersonals und unendlich viel Anderes sein. Alles was verfügbar ist, sollte ohne Vorfilterung in die Auswertung. Denn Kausalitätsansprüche werden in dieser Phase aus Prinzip ignoriert.

Dann arbeitet der Rechner

Arbeitsspeicher mit hoher Kapazität und schnelle Prozessoren überwinden frühere Limitierungen. In einem multidimensionalen Raum werden die Parameter in immer neuer Konstellation gegenübergestellt und die jeweiligen Verläufe miteinander verglichen.

Dabei wird nach Auffälligkeiten vor Eintritt eines zuvor bereits definierten tatsächlich eingetretenen Bauteilversagens gesucht. Dies dient einer holistischen Musteridentifikation, bei der alle bisherigen Vermutungen zur möglichen Schadenursache und/ oder Schadenentwicklung außer Acht gelassen werden.

… und dann interpretiert der Ingenieur

Erst wenn die identifizierten statistischen Auffälligkeiten quantitativ beschrieben sind, beginnt der Ingenieur mit seiner Interpretation. Und er fragt nicht, ob der erkannte Parameter Einfluss gehabt hat – das sagt ihm ja der Numeriker.

Er fragt, wie der Parameter einwirken konnte und wie er den Effekt abstellen oder reduzieren kann. Und wenn nicht, wie er  aus der Kenntnis des vorlaufenden Ereignisses, welches durch den erkannten Parameter beschrieben wird, ein Frühwarnsystem aufbauen kann.

Digitalisierung ergänzt bestehende Systeme

Am Ende kommt man wieder zurück zur bewährten Regelungstechnik. Man baut einen vom neu erkannten Parameter getriggerten Warn- und/ oder Ausschaltbefehl ein.

Die Digitalisierung ergänzt damit bestehende Systeme.

Die innovative Mustererkennung ist das Herzstück der Schadenvermeidung und Instandhaltungssteuerung. Sie erlaubt es, längere Reisezeiten zu riskieren, was der Ressourcenschonung dient.

Sie basiert auf der Auswertung unzähliger Informationen: Sowohl bereits verfügbarer Daten, deren Bedeutung bislang vernachlässigt wurden, als auch von Daten neuer Sensoren, die gezielt in die Anlagen integriert werden, weil auch dies durch die Innovation in der Feldtechnik, der Datenübertragung und der Datenspeicherung möglich wird.

Potentiale ausschöpfen

Heute werden mindestens ca. 30 Prozent aller Abnutzungsvorräte in technischen Anlagen nicht genutzt. Vermutlich ist der Anteil noch wesentlich höher. Begründet wird dies durch Sorge vor einem Bauteilausfall zur Unzeit, der zu Arbeitsunfällen und/ oder zu ungeplanten Stillständen führt.

Wenn es gelingt, mehr über die zu erwartende Lebensdauer der Bauteile zu erfahren, kann dieses Potenzial weitgehend ausgeschöpft werden.

Das jährliche Volumen an Industrieservice beträgt in Deutschland ohne Facility-Management etwa 30 Mrd. €. Etwa ein Drittel davon betrifft Ersatzteile, von denen wiederum ein Drittel nicht bis zum Ende der Abnutzungsreserve im Einsatz bleiben. Damit beträgt das Potenzial etwa 3 Milliarden Euro jährlich. Wenn hiervon nur die Hälfte gehoben werden könnte, wäre dies ökonomisch beachtlich.

Der ökologische Gewinn lässt sich schwer quantifizieren – aber auch er wird erheblich sein. Der Energieverbrauch der Maschinenbauindustrie beträgt bei einem Umsatz von 280 Milliarden Euro jährlich etwa 140.000 Terajoule. Daraus lässt sich ableiten, dass durch die wertorientierte Instandhaltung 1.500 Terajoule jährlicher Energieeinsparung möglich ist. Hinzu kommen noch die Einsparungen an seltenen Roh- und Grundstoffen.