10.11.2026
Forschung
Thermische und thermochemische Randschichtbehandlungen sind wichtige Verfahren in der industriellen Fertigung. Sie machen Werkzeuge und Bauteile beispielsweise härter, verschleiß- und ermüdungsfester und können ihre Korrosionsbeständigkeit verbessern, gleichzeitig sind diese Prozesse jedoch sehr energieintensiv. Wie sich der Energieverbrauch bei konstanter Bauteilqualität künftig optimieren lässt, untersucht das neue Verbundprojekt „CyPro – Cyber-physische Produktionssysteme zur Energieeffizienzsteigerung und Qualitätssicherung von thermischen und thermochemischen Behandlungsprozessen“, das vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST koordiniert.
Energieverbrauch und Bauteilqualität gemeinsam betrachten
Eine besondere Herausforderung bei thermischen und thermochemischen Behandlungsprozessen besteht darin, dass Prozessparameter, Energieverbrauch und Bauteilqualität eng miteinander verknüpft sind. Eine Reduzierung des Energieeinsatzes darf nicht zu Lasten der geforderten Bauteileigenschaften gehen. Das Projekt CyPro setzt genau an dieser Schnittstelle an. Ziel ist die Entwicklung eines cyber-physischen Produktionssystems (CPPS), das Prozess-, Energie-, Sensor- und Produktionsdaten kontinuierlich erfassen und miteinander verknüpfen soll. Ergänzend ist unter anderem der Einsatz der optischen Emissionsspektroskopie vorgesehen, um den Zustand des Plasmas in Echtzeit zu überwachen.
Auf Basis der erhobenen Daten sollen erklärbare KI-Modelle entwickelt werden, die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Energiebedarf und Qualitätsmerkmalen abbilden. Geplant ist, dabei beispielsweise die Nitrierhärtetiefe, die Ausbildung der Verbindungsschicht oder die Korrosionsbeständigkeit der behandelten Bauteile zu berücksichtigen. Im Unterschied zu reinen datengetriebenen Black-Box-Ansätzen soll damit nachvollziehbar werden, wie sich Veränderungen der Prozessführung auf Energieverbrauch und Bauteileigenschaften auswirken.
Darüber hinaus sollen die datenbasierten Modelle durch physikalisch basierte Modellierungen wie thermodynamische und CFD-gestützte Simulationen ergänzt werden, um so unter anderem Wärmeflüsse, Phasenübergänge und Abwärmepotenziale in der Anlage und ihrer Peripherie untersuchen zu können. Auf diese Weise sollen sich Energieverluste sowohl datenbasiert als auch physikalisch fundiert bewerten lassen. Zudem soll ein Planungswerkzeug auf Basis des bestärkenden Lernens perspektivisch nicht nur einzelne Prozessparameter, sondern auch Auftragsreihenfolgen, Anlagenbelegung, Durchlaufzeiten und Lastspitzen berücksichtigen. Geplant ist es, die gewonnenen Informationen in Echtzeit in einem Dashboard bereitzustellen und prädiktive Handlungsempfehlungen für den Anlagenbetrieb zu ermöglichen.
Plasmanitrieren als industrieller Demonstrator
Die Methoden werden zunächst am Beispiel des Plasmanitrierens entwickelt und erprobt. Als industrieller Demonstrator dient eine Plasmanitrieranlage des Fraunhofer IST, an der zentrale Messkampagnen mit definierten Referenzchargen durchgeführt sowie Prozess-, Energie- und Qualitätsdaten erfasst und ausgewertet werden sollen. Die behandelten Bauteile sollen hinsichtlich relevanter Randschicht- und Gebrauchseigenschaften charakterisiert werden, um auf dieser Basis die Sensorik, Datenmodelle und weiteren Komponenten des geplanten CPPS schrittweise integrieren und unter realitätsnahen Produktionsbedingungen zu validieren zu können.
Rund 24 MWh Einsparpotenzial pro Jahr
Eine erste Potenzialabschätzung für die Plasmanitrieranlage zeigt die mögliche Größenordnung: Rund 24 MWh Energie pro Jahr könnten langfristig deutschlandweit ggf. eingespart werden. Davon entfallen nach der Abschätzung rund 17 MWh auf die Rückgewinnung und Nutzung von Abwärme und weitere 7 MWh auf eine optimierte Prozessführung.
Im Projekt soll nun untersucht werden, wie sich diese Potenziale technisch erschließen und unter realitätsnahen Produktionsbedingungen nutzen lassen. Für Produktionsbetriebe und Lohnbehandler könnten sich daraus geringere Strom- und Betriebskosten, reduzierte Last-spitzen und ein geringerer CO2-Ausstoß ergeben. Gleichzeitig soll die präzisere Überwachung und Steuerung der Prozesse dazu beitragen, das Risiko von Qualitätsabweichungen und kostenintensiver Nacharbeit zu reduzieren.
Im weiteren Projektverlauf ist vorgesehen, die beim Plasmanitrieren gewonnenen Erkenntnisse auf weitere thermische und thermochemische Verfahren, insbesondere PACVD-Beschichtungen und Gasnitrieren, zu übertragen. Darüber hinaus soll geprüft werden, inwieweit sich die entwickelte Methodik auf andere industrielle Ofensysteme übertragen lässt, bei denen hohe Temperaturen, lange Prozesszeiten und relevante Abwärmeströme auftreten. Perspektivisch könnte das CPPS auch eine anlagenübergreifende Produktionsplanung ermöglichen, bei der mehrere Wärmebehandlungsanlagen dann energieoptimiert, lastflexibel und möglichst netzdienlich betrieben werden könnten.
(Quelle: Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST)
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