Horizon 2020 European Union funding

for Research & Innovation – GA N°636881

Projekt REProMagResource Efficient Production of MagnetsRessourceneffiziente Herstellung von Permanentmagneten

Prof. Dr. Carlo Burkhardt

Leiter Technologie & Innovation

OBE Ohnmacht & Baumgärtner GmbH & Co. KG, Ispringen

1

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Die Energiewende ist eine Werkstoffwende…

2

Quellen: www.energyandpolicy.org; www.earthtimes.org; www.wind-energy-the-facts.org; www.homepower.com;

www.cleantechnica.com

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Die Energiewende ist eine Werkstoffwende…

3

Quellen: www.honda.com; www.bmw.com; www.smart.com; www.toyota.com; www.iisb.fraunhofer.com; www.gizmag.com

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Die Energiewende ist eine Werkstoffwende…

4

Quellen: www.elements.geoscienceworld.org; www.telegraph.co.uk; www.spiegel.de

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Das Seltene Erden Problem…

5

Quellen: www.altenergystocks.com

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Das Seltene Erden Problem…

6

Quellen: www.altenergystocks.com

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Das Seltene Erden Problem…

7

Elektromobilität?

Windkraft?

Magnete für die

ganzen „Lifestyle“-

Anwendungen?

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8

Das Seltene Erden Problem…

Chinesische Position

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9

Das Seltene Erden Problem…

Chinesische Position

Sales trends for electric vehicles (BEV + PHEV) in selected markets. Source: CAM

“China is making success in electric vehicles a national

priority for three reasons:

• Reduce Dependence of Foreign Oil.

• Improve Air Quality.

• Take Leadership in a Key Emerging Technology”

President Xi Jingpin 2017

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Das Seltene Erden Problem…

10

Quellen: www.metaerden.de

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Das REProMag Projekt:

100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten

Seltenen-Erd-Magneten (Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial

in einem geschlossenen Materialkreislauf

11

Potential der für das Recycling verfüg-

baren Nd-Fe-B-Magneten (allein in D):

• Computer/Laptops >60t/a (~10g/Stück)1)

• PKWs (konventionell) >450 t (~1 kg/Stück)2)

• Elektromotoren (Industrie) >30 t (0,05–2 kg/Stück)3)

>500 Tonnen pro Jahr

1) Prof. Dr. Ralf Wehrspohn, Kritikalität Seltener Erden, Fraunhofer Industrieworkshop „Magnetwerkstoffe“ ,Bremen, 19.05.20152) F. Meyer, Recycling von Nd aus Nd-Fe-B Magneten in Elektroaltgeräten, HS Hamburg, 16.04.20123) M. Buchert, Untersuchungen zu seltenen Erden: Permanentmagnete im industriellen Einsatz in Baden-Württemberg, Stuttgart, 13.11.2013

Ausblick: (Recyclingmengen derzeit (noch) vernachlässigbar)

• Hybrid-Fahrzeuge >10 kg/Stück

• Elektrofahrzeuge >30 kg/Stück

• Windkraftanlagen >600 kg/MW

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Das REProMag Projekt:

100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten

(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf

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Ni- Beschichtung

(wird abgesiebt)

NdFeB Pulver

Quellen: www.greencarcongress.com; www.reuk.co.uk

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Das REProMag Projekt:

100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten

(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf

13

Nd-Fe-B-Pulver

alternativ: 3D- Druck

Grünteil

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Das REProMag Projekt:

100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten

(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf

14

Nd-Fe-B-Pulver

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Das REProMag Projekt:

100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten

(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf

15

SDS Prozess:

höhere Maßgenauigkeitkomplexere Geometrien= bessere Montierbarkeit= geringere Kosten= bessere Performance (s.u.)= kleinere Abmessung bei

gleicher Leistung wie bisher

Innenbelüftung möglich= höhere Lebensdauer = höhere Leistung bei

Dauerbetrieb

mehr Pole möglich= geringeres „Torque ripple“= höheres Drehmoment= höhere Auflösung bei

Stellmotoren

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Das REProMag Projekt:

Stand der Technik Fortschritt durch REProMag

Abhängigkeit vom Import kritischer Rohstoffe

außerhalb der EU

100% Recyclingmaterial,

Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen

Bearbeitung mit hohem Energieverbrauch und

großer Abfallmenge

Reduktion des Energieverbrauchs und Materialverbrauchs

aufgrund von endkonturnahen Geometrien um 30%

Hohe Ausschussrate aufgrund komplizierter und

schwieriger Formgebungsprozesse

Ansatz mit endkonturnaher Geometrie und

rechnergestützter Modellierung des Prozesses ermöglicht

deutliche Reduzierung der Ausschussrate während des

Fertigungs- und Montageprozesses

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Das REProMag Projekt:

100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten

(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf

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Laufzeit: 1.1.2015 – 31.12.2017

Budget: 5,7 Mio €uro

Förderquote: 100%

14 Partner aus 5 Europäischen Ländern

OBE Ohnmacht & Baumgärtner

GmbH & Co. KG, Ispringen (D)

University of Birmingham (GB)

Technische Universität Wien (A)

Montanuniversität Leoben (A)

Institut Jozef Stefan Ljubljana (SLO)

National Physics Laboratory Sheffield (GB)

FOTEC GmbH, Wiener Neustadt (A)

Pt+A GmbH, Dresden (D)

Hage GmbH, Obdach (A)

Lithoz, Wien (A)

TEKS s.a.r.l., Montgenèvre (F)

Siemens A.G., München (D)

Sennheiser GmbH & Co. KG, Wedemark (D)

Steinbeis Europa-Zentrum, Karlsruhe (D)

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Das REProMag Projekt

19

Magnetische Charakterisierung der SDS Magnete

Nd Dy Pr Fe Co B Cu Nb Al

wt%

27.

3

4.4

2

0.3

5

61.

1

4.4

4

1.0

5

0.0

4

0.8

7

0.3

6

ρ = 7,3 g/cm³

ρ = 6,9 g/cm³

ρ = 6,3 g/cm³

ρ = 7,4 g/cm³

Ausrichtung mit

300 mT im

Werkzeug

Br: 644 mT

Hcj: 1.061kA/m

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Das REProMag Projekt

20

Messwerte der Koerzitivfeldstärke der Magnete vor und nach dem Recycling

>95,5% des

Ausgangswerts!

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21

Das REProMag Projekt

Von der Europäischen Kommission als

„European Success Story“ ausgezeichnet

Projekt ausgezeichnet beim Programm

„100 Betriebe für Ressourceneffizienz“

Baden-Württemberg“

1. Platz beim Umwelttechnikpreis des Landes

Baden-Württemberg in der Kategorie

„Materialeffizienz“ 2017

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Vorläufiges Fazit

Wir leisten einen technischen Beitrag zur Verbesserung der Materialversorgung

mit seltenen Erden. Bezüglich des politischen Beitrags greifen wir ein Zitat* auf…

„Zur Erschließung der Seltenen-Erden Sekundärpotenziale aus

Magneten der Industrie (und anderen Anwendungen) ist der Auf-

bau einer europaweiten Recycling-Infrastruktur für Permanent-

magnete zwingend notwendig!“

22

* aus der Präsentation

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Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

23

Inhabergeführtes, mittelständisches Familienunternehmen (3. Generation) in Laupheim

als klassische Kokosweberei im Jahre 1936 gegründet

Mitarbeiteranzahl: 60

Sortiment: von klassischer Türmatte bis hin zu individuell angepasstem Autoteppich

Exportanteil (2016): 56%

Mit der Erfahrung aus mehr als acht Jahrzehnten Entwicklung und Produktion bürgen wir für hohe Qualität und Langlebigkeit unserer Produkte

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

1.1 Allgemein

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

Stanzvorgang der Rohware

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

16 Teile

3m Länge

67% Ausnutzung

16 Teile2.5m Länge83% Ausnutzung

Ersparnis:16% Material

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

ca. 220 000 € Materialverlust jährlich

auftragsübergreifende Schnittbild-Optimierung

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

- Nicht nur technische Optimierungen durch Einsparung von Materialkosten

- Arbeits- und Maschinenzeiten werden wertschöpfend eingesetzt

- Mitarbeiter lernen wie wichtig:

Kommunikation ist

miteinander arbeiten (gemeinsam Einfluss auf Effizienz)

Sensibilisierung des Materialwert ist

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

5,02m Länge 7, 05m Länge

86% Ausnutzung 78% Ausnutzung

Einsparung: ~ 28% Material

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

Beflockte Türmatte

Multi Color

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

Hochfrequenzschweißen

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

Nachhaltigkeit

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

DIN ISO 9001:2015 gleichbleibend präzise Abläufe garantieren wir durch unser

zertifiziertes Qualitätsmanagement nach DIN ISO 9001 und bestens geschulten Mitarbeitern

AEO-F (zollrechtliche Vereinfachung mit entsprechenden Sicherheitsstandards) dieser Status als Authorized Economic Operator der

Europäischen Union bestätigt unsere Zuverlässigkeit, Zahlungsfähigkeit und die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften.

BSCI (Business Social Compliance Initiative) Überwachung und Verbesserung von sozialen Standards in

Lieferländer für Konsumgüter. Bsp. Einhaltung der Arbeitsstandards der Internationales Arbeitsorganisation (ILO) und UN-Menschenrechtscharta sowie nationale Rechtsvorschriften.

Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG

Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim

Energetische und stoffliche

Verwendung von Abfallkondensat

- ein Beitrag zur Nachhaltigkeit

FUCHS SCHMIERSTOFFE GmbH Mannheim

Ressourcen- und Kreislaufwirtschaftskongress |18.10.2017 |

Dr. Seyfert, Prüffeldleiter

FUCHS auf einen Blick

l 38

Rund 5.000Mitarbeiter/-innen

weltweit

davon ca. 800in Mannheim

57 Gesellschaften

weltweit

2,3 Mrd. Euro

Umsatz in 2016

Nr. 1der konzernunab-

hängigen Anbieter

von Schmierstoffen

Vorzugsaktie ist

MDAX-Mitglied

Ein Vollsortiment

von über

10.000Schmierstoffen

und verwandten

Spezialitäten

FUCHS PETROLUB SE

Vor 3 Generationen

als Familienunternehmen

in Mannheim gegründet

Prüffeldneubau

Was ist das?

01

Prüffeld - Aufgaben

l 40

Schmierstoffprüfungen für F&E

von Metallbearbeitung ...

... über Schmierfettprüfungen…

… bis hin zur Erprobung

in Getriebekomponenten

mehr als 30 Prüfstände / 1.600 m² (Bestand)

Prüffeld Neubau

Erweiterung für automotive+industrielle Anwendungen

Getriebeprüfhalle

Technikum

Hydraulik

Zentrale

zentraler

Werkstattbereich

Lager-

platz

Büros

(1./2. Etage )

Prüfstandsboxen

Aufgabe: Nachhaltigkeit im Betrieb 02

Prüffeld

Nachhaltiger Betrieb

l 43

Prüfstände mit großem Kühlbedarf

hohe Luftwechselrate (Heiz+Kühlbedarf)

teilw. Luftbefeuchtung

nachhaltiges

Energiekonzept Luft-Luft-Wärmetauscher

adiabatische Kühlung Zuluft

2 Temperaturniveaus bei Kühlwasser

Hybridkühlturm

energieeffiziente Pumpen

LED Beleuchtung

…

Konzept und Realisierung

Energetische und stoffliche Nutzung

Abfallkondensat

03

45

geplante Parkplätze

Lagergebäude(Bestand)

Heißkondensat

Baugelände (Werk I) vor Projektbeginn

Platz für neues

Prüffeldgebäude

bestehende

Produktion

vPrüffeld

(Bestand)

Heißkondensatanfall

Bedarf an Wärme +

entsalztem Wasser

Randbedingungen und technische Lösungen

l 46

schwankender Anfall

Heißkondensat

Pufferspeicher

Restwärmenutzung (T<50°C)

Frostfreihaltung Lager

• jahreszeitlich schwankender

Bedarf an Speisewasser

Speichertanks

• max. Einleitetemperatur /

Adiabatische Luftkühlung

Tischkühler

Schema der Kondensatnutzung

l 47

Ergebnis

Investitionen und Einsparungen

04

Investitionen und Einsparungen

l 49

Investitionen:

- zusätzliche Rohrleitungen

und Pumpen

- Speicher + Tanks

- Planungsmehraufwand

+ Einsparung Dampfstation,

und Dampftrasse

130 MWh Energie

Ökologie: 18 to CO2 jährliche Einsparung

2500 m³ Trinkwasser

Abfallkondensatnutzung - Zusammenfassung

l 50

ein nachhaltig energetisch optimiertes

Prüffeldgebäude wurde errichtet

auf dem Werksgelände anfallendes

Abfallkondensat wird stofflich und

energetisch genutzt

der Wärmeinhalt des Heißkondensats

wird durch 2-stufige Nutzung maximal

verwendet

1.000 m³ des anfallenden Kondensats

können als voll entsalztes Wasser

genutzt werden

das Abfallkondensat muss nicht mehr

mit Leitungswasser gekühlt werden

Energiewertstromanalyse von WerkzeugmaschinenStuttgart, 2017-10-18

1867 4,25 Mrd. €

Umsatz

5Märkte

19.000Mitarbeiter

60In über

4,9 %

F&E-Quote In Familienbesitz seit

Voith in Zahlen

Ländern

Stand: 2015/16

52Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

Wie definiert sich Nachhaltigkeit für Voith

Unser Anspruch:

Uns geht es nicht nur um Technologieführerschaft in

unseren Branchen, wir wollen auch im Bereich

Nachhaltigkeit führend werden.

Unsere Mission:

Wir leisten einen messbaren Mehrwert zur

nachhaltigen Entwicklung des Unternehmens, der

Gesellschaft und der Umwelt.

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

1.047 Tsd. m3Frischwasserverbrauch

1,5 Mrd. € 42,8 Mio. €Energiekosten

Optimierung der Ökoeffizienz:

Eine komplexe Herausforderung

Fertigungsstätten

Basis: FY 2015/16

54

Materialaufwand*

über120* Aufwendungen für Roh-, Hilfs-, Betriebsstoffe

und bezogene WarenEnergiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

Die Input-Output-Analyse am Standort zur

Identifikation der Treiber der Verschwendung

Input

[EUR, kWh, kg, m³]

Output

[EUR, kg, m³]

Energie Emissionen

Durch das Verbinden von ökonomischen Prinzipien und

ökologischen Aspekten messbaren Mehrwert schaffen

55

1 Geschäftsjahr

Abwasser

Produkte/AbfallMaterial

Wasser

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

Werkzeugmaschinen*

45%

Sonstige

18%

Beleuchtung

12%

Druckluft

5%

Fernwärme

20%

Ein wesentlicher Hebel zur Steigerung der

Energieeffizienz sind Werkzeugmaschinen

* In einzelnen produzierenden Industrieunternehmen können Werkzeugmaschinen einen Anteil von 60% am Strombedarf ausmachen

Quelle: Forschungsprojekt „MAXIEM“ Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

Energiekosten einer exemplarischen Produktionshalle

in Prozent

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

77 % des gesamten Energiebedarfs sind auf

die Peripherie-Einrichtungen zurückzuführen

Berechnetes

Einsparpotential:

3,0 – 3,5 Mio.€/a*

Kühlschmierstoffversorgung

2,8%

4,3%

5,5%

10,2%

11,6%

20,1%

20,3%

25,6%

Quelle: Brecher, C.: Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen durch die Optimierung

der Technologien zum Komponentenbetrieb – EWOTeK, Apprimus Verlag, Aachen 2012

* gemäß Literatur

Hydraulik

Vorschubantriebe

Steuerung

Hauptspindel

Kühlung

Sonstiges

Kühlschmierstoffaufbereitung

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

4%

26%

70%

2%

33%

65%

6%

28%

66%

Drei Werkzeugmaschinen wurden in einem

Pilotprojekt auf ihre Energieeffizienz analysiert

Portalfräsmaschine I Portalfräsmaschine II Hobelmaschine

Σ 44.000 €/a Σ 13.000 €/aΣ 37.000 €/a

Betriebsbereit ProduktivbetriebSteuerung Aus

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

59

0

20.000

40.000

60.000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Leistung [W]

Zeit [s]

wertschöpfenden Energie: 22 Wh = 1,91 %

Produktivbetrieb

,

Luftschnitt

0

20.000

40.000

60.000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Leistung [W]

Zeit [s]

wertschöpfende Energie: 379 Wh = 21,50 %

Produktivbetrieb Luftschnitt

Beispiel Portalfräsmaschine I:

Duale Energiesignatur - Luftschnitt

Bohrvorgang Fräsbearbeitung

Energiebedarf*:

Luftschnitt:

Produktivbetrieb:

1.155 Wh

1.177 Wh

Energiebedarf*:

Luftschnitt:

Produktivbetrieb:

1.377 Wh

1.756 Wh

* außen Kühlschmierstoff aktiv

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

Das Verharren im betriebsbereiten Zustand ist

energieintensiv und unproduktiv

0

50

100

150

200

250

300-13.000€

Energiesparen erfordert “nur“ einen

konsequenten Tastendruck

Maßnahme

Gezielte Abschaltung des

betriebsbereiten Zustands

Investition

Steuerung Aus im betriebsbereiten Zustand

Steuerung Aus

Betriebsbereit

Produktivbetrieb

Portalfräsmaschine I

Energie

[MWh]

Beispiel Portalfräsmaschine I:

Einfache Optimierungsmöglichkeit

0 € Personeller Aufwand

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

61%

39%

73%

12%

15%

Effizienzpotenziale der 3 Werkzeugmaschinen-

Hochrechnung Voith Konzern 3,2 Mio.€/a

Σ 4.500 €/aΣ 11.000 €/a

Bei Umsetzung aller Effizienzpotenziale weltweit Einsparungen von 3,2 Mio. € möglich

Σ 13.000 €/a

Potenzial des Pilotprojektes durch Abschalten 24.000 €/a

Einheitliche BearbeitungsrichtungBetriebsbereit Verkürzung Zykluszeit Kühlaggregat

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

Portalfräsmaschine I Portalfräsmaschine II Hobelmaschine

62

hoch

100%

Monetäre

Einsparung

Die höchsten Einspareffekte können mit dem

geringsten Aufwand erzielt werden

Optimierung durch

drehzahlvariable

Antriebssysteme

1 2 3

Gezielte

Abschaltung /

Steuerung Aus

Optimierung des

Fertigungsverfahren

niedrig mittel Aufwand

90%

70%

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

Nach GRI G4 & Abdeckung > 85% des Umsatzes

Voith hat sich Umweltziele gesetzt und berichtet

regelmäßig über den Zielerreichungsgrad

Frischwasser/Umsatz

-10%*

Energie/Umsatz

-20%*

Abfall/Umsatz

-25%*

Energieeffizienz

Wassereffizienz

Materialeffizienz

* Bis FY 2017/18, Basis: FY 2011/12Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18

65

niedrig

100%

Monetäre

Einsparung

Höhere Anfangsaufwände haben nur mittlere

Hebelwirkung

Optimierung durch

drehzahlvariable

Antriebssysteme

1 23

Gezielte

Abschaltung /

Steuerung Aus

Optimierung des

Fertigungsverfahren

mittelhoch Aufwand

90%

70%

Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18