Integration von Strategien zur umweltgerechten Gestaltung in die Fertigungsprozesse von Flugzeugen
Der kommerzielle Luftverkehr ist für etwa 2-3 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Fertigungsunternehmen für die Luft- und Raumfahrt setzen sich Ziele, um die Emissionen zu senken – wie beispielsweise die Verpflichtung von Rolls-Royce, bis 2030 für den eigenen Betrieb eine Netto-Nullbilanz zu erreichen – sodass die Marktteilnehmer der Branche bis 2050 eine Netto-Nullbilanz erreichen können.
Die Herausforderung – Umweltverträglichkeitsprüfungen während der Entwicklung
Die Umweltverträglichkeit zu einem frühen Zeitpunkt in der Produktentwicklung zu ermitteln, könnte dazu beitragen, effizientere Luftfahrzeuge herzustellen, Entscheidungsprozesse zu beschleunigen und die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen. „Das Problem, mit dem Ingenieurinnen und Ingenieure derzeit bei der Material- und Prozessauswahl konfrontiert sind, liegt in der Erfassung von Umweltdaten, die in der Regel nicht parallel zum Produktentwicklungsprozess erfolgt, da es schwierig ist, solche Daten bis zur Fertigstellung eines Teils zu erheben. Die Auswahl von Materialien und Fertigungsprozessen basiert auf deren Eigenschaften (Sicherheit) und Kosten, obwohl ersteres für die Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung ist“, so Donna Dykeman, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts PLEIADES. Die Umweltleistung wird deshalb in den Hintergrund gedrängt, weil Ökobilanzen sehr zeitaufwändig sind. „Eine Ökobilanz für ein einziges Material kann sechs Wochen dauern. Hersteller der Luft- und Raumfahrtindustrie besitzen wahrscheinlich mehrere Tausend Materiallisten für ihre Luftfahrzeuge. Die Installation eines Energiemessgeräts an die Anlagen, welche die Flugzeugteile produzieren und montieren, liefert eine Fülle von Primärdaten, aber die Erhebung dieser Daten für verschiedene Produkte würde außerordentlich lange dauern“, ergänzt Dykeman.
Der Lösungsansatz – Verwendung von Referenzdaten und Minimierung der Datenunsicherheit nur für die wichtigsten Datenpunkte
PLEIADES griff auf leicht verfügbare Referenzdaten zurück – Daten, die bereits über Jahre hinweg über Primärquellen gesammelt wurden, oder nutzte Schätzwerte/Gleichungen zur Datenextrapolation. „Die Projektpartner gehen von einer 10- bis 100-fachen Reduzierung des Zeitaufwands bei der Zuordnung von umweltrelevanten Referenzdaten zu einer Materialliste aus, verglichen mit der Zeit, die erforderlich wäre, um eine vollständige Ökobilanz für jedes Produkt zu erstellen. Das Sichten von Referenzdaten ermöglicht es den Ingenieurinnen und Ingenieuren, bereits in der Frühphase der Produktentwicklung sowohl die technische Leistung als auch die Umweltverträglichkeit zu ermitteln“, erklärt Dykeman. Das Hauptergebnis von PLEIADES war die Darstellung von Arbeitsabläufen für umweltgerechte Gestaltung, bei denen Umwelt- und Nachhaltigkeitsaspekte bereits während der Konzeptplanung berücksichtigt werden. Die in der Konzeptplanung getroffenen Entscheidungen bestimmen über 80 % der Herstellungskosten des Produktes und seiner Umweltauswirkungen.
Neue Software
Die Projektpartner stellten eine Software vor, die Aspekte umweltgerechter Gestaltung in Konstruktionsprozessen erfasst. Rolls-Royce stellte firmeninterne Spezifikationen, Material- und Prozessdaten zur Verfügung, die in der Ansys Granta MI Enterprise Software Suite zur Verwaltung von Materialinformationen gespeichert wurden. Granta MI Enterprise ermöglicht die Überprüfung von Materiallisten im Hinblick auf Vorschriften für regulierte Stoffe, kritische Materialien und Aspekte sozialer Verantwortung, wie beispielsweise Konfliktmaterialien, sowie die Zuweisung von Umweltreferenzdaten, die aus MaterialUniverse stammen, einem Datensatz, der über 4 000 kommerziell verfügbare Materialien und Prozesse enthält. Die Universität Surrey untersuchte die Unsicherheitsfaktoren in den Umweltreferenzdaten. „Der CO2-Fußabdruck eines Materials variiert manchmal um +/-100 %, abhängig von den Regeln, die u. a. auf das Ökobilanzmodell und den Standort der Messung angewendet werden. Wir führten eine Sensitivitätsanalyse durch, um zu beurteilen, wie stark die Umweltauswirkungen durch solche Variablen beeinflusst werden, und konzentrierten uns auf die Materialien mit den höchsten umweltrelevanten Auswirkungen für eine weitere Verfeinerung der Ökobilanz“, erklärt Dykeman. Die Universität Surrey wandte die Sensitivitätsanalyse in Zusammenarbeit mit einem Unsicherheitsmanagementinstrument an, das auf dem Konzept einer „Stammbaummatrix“ basiert. Letztendlich setzten die Projektpartner Universität Stuttgart und Sphera die Software GaBi ein, um genauere Schätzungen der Umweltverträglichkeit eines Materials und/oder eines Fertigungsprozesses zu erhalten.
Schlüsselbegriffe
PLEIADES, Ökobilanz, Umweltverträglichkeit, Referenzdaten, Umweltdaten, Konzeptplanung
