Analytische Energiebedarfsbestimmung von ... WGTL_Analytische... · Zyklus t j Dauer eines...
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fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
fml - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner
Technische Universität München
Analytische Energiebedarfsbestimmung von
Intralogistiksystemen in der Planungsphase
Dipl.- Ing.
Sebastian Habenicht
Dipl.- Ing.
Rainer Ertl
Dortmund
17.09.2013
2fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
Agenda
Einleitung1.
Energiebedarf von Stetigförderern2.
Energiebedarf von Regalbediengeräten3.
Energiebedarf von intralogistischen Systemen4.
Zusammenfassung5.
3fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
1. Einleitung
Ausgangssituation
• Energieeffizienz rückt verstärkt bei der Planung von logistischen Anlagen in den Fokus.
• Ermittlung des Energiebedarfs in der Planungsphase mit den bestehenden Ansätzen ist
schwierig.
• Langwierige Simulationsdurchführung nicht tauglich für schnellen Variantenvergleich.
Fokus
Energieeffizienz
Gesetzgebung Richtlinien
EU-Vorgaben (z.B. ErP-Richtlinie
(Energy-related Products,
2009/125/EG))
Image „Grün“ als Imageträger
BMW: Branchenführer im Dow
Jones Sustainability Index
Wunsch nach „grünen Produkten“
durch den Kunden
Kosten jährliche Energiekosten ( Blindstrom-
Komponente, Max.-Last,
Gesamtverbrauch)
Kosten für Installation der
Energieversorgung
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1. Einleitung
Zielsetzung
• Berücksichtigung des Energiebedarfs bei der Auswahl von Planungsalternativen
soll erleichtert bzw. erst ermöglicht werden.
• Aufwandsarme, genaue Ermittlung des jährlichen Energiebedarfs von
Intralogistiksystemen in der Planungsphase.
• Analytisches Berechnungsmodell für schnelle und einfache Berechnung.
Au
fwa
nd
Genauigkeit der Ergebnisse
Analyse- und Dimensionierungsmethoden von Materialflusssystemen
Analytische
Berechnung mit
Durchschnittswerten
Analytische Berechnung
unter Berücksichtigung
stochastischer Einf lüsse
Ereignisorientierte
numerische Simulation
Quelle: Allgayer / Rall
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Agenda
Einleitung1.
Energiebedarf von Stetigförderern2.
Energiebedarf von Regalbediengeräten3.
Energiebedarf von intralogistischen Systemen4.
Zusammenfassung und Ausblick5.
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2. Energiebedarf von Stetigförderern
Energiebedarfsmessungen - Tragkettenförderer
Bildquelle: Haro-Gruppe
0
1
2
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40
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tte
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isch
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eis
tun
g
[W]
Zeit [s]
Messwerte
Anzahl Paletten
Energiebedarf:
E=∫P(t)dt
Ermittlung des Energiebedarfs durch zyklusabhängige
Modellierung der elektrischen Leistung und der Laufzeit
• Innerhalb der Intervalle, in denen die Anzahl an Fördereinheiten konstant bleibt, schwankt die
elektrische Leistung wenig.
• Durch eine reine Betrachtung der Laufzeit zur Ermittlung des jährlichen Energiebedarfs würden
die unterschiedlichen Zustände hinsichtlich der Anzahl an Fördereinheiten und folglich die
unterschiedlichen elektrischen Leistungen unberücksichtigt bleiben.
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2. Energiebedarf von Stetigförderern
0
1
2
0
100
200
300
400
500
600
0
1,5 3
4,5 6
7,5 9
10,5 12
13,5 15
16,5 18
19,5 21
22,5 24
25,5 27
28,5 30
31,5 33
34,5
An
za
hl
Fö
rde
rein
he
ite
n
Le
istu
ng
[W
]
Zeit [s]
1.Abschnitt 2.Abschnitt 3.Abschnitt 4.Abschnitt 5.Abschnitt
Energiebedarf pro
Zyklus
tj Dauer eines Zyklusabschnitts
k Anzahl der Abschnitte
Pj mittlere Leistung innerhalb des Zyklusabschnitts
jährlicher Energiebedarf
Modellierung Energiebedarf
Ei Energiebedarf Zyklus
ni Zyklushäufigkeit
m Anzahl Zyklusausprägungen
𝑬𝒊 = 𝒕𝒋
𝒌
𝒋=𝟏
∙ 𝑷𝒋
𝑬𝑱𝒂𝒉𝒓 = 𝒏𝒊
𝒎
𝒊=𝟏
∙ 𝑬𝒊
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2. Energiebedarf von Stetigförderern
Modellierung der elektrischen Leistung
𝑷𝒆𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒊𝒔𝒄𝒉 = 𝑷𝒎𝒆𝒄𝒉𝒂𝒏𝒊𝒔𝒄𝒉/(𝜼𝑭𝑼 ∙ 𝜼𝑴𝒐𝒕𝒐𝒓)
tls-web.de
Motor
Frequenzumrichter
Übertragungselemente
Elektrische Leistung
directindustry.de
Getriebe
zz-antriebe.com
becker-antriebstechnik.org
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2. Energiebedarf von Stetigförderern
Modellierung der Laufzeit
Problemstellung am Beispiel der Betriebsweise eines Kettenförderers.
• Steuerung der Fördertechnik auf verschiedene Art möglich.
• Durchsatz pro Stunde hat Auswirkung auf die Betriebsweise (Zyklushäufigkeit).
max. Anzahl an FE
pro Förderelement
Intermittierender
Betrieb mit FE
(ja/nein)
S
kontinuierlicher
Betrieb (ja/nein)
BetriebsweiseDefinierte
Auftragsblöcke
Auftragsschwankungen
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
06:0
0
07:0
0
08:0
0
09:0
0
10:0
0
11:0
0
12:0
0
13:0
0
14:0
0
15:0
0
16:0
0
17:0
0
18:0
0
Pro
zen
t vo
m T
ag
esm
itte
l
Uhrzeit
Tagesverlauf
Zyklushäufigkeiten n der verschiedenen Blockgrößen
Laufzeiten t je Zyklus𝑬𝒊 = 𝒕𝒋
𝒌
𝒋=𝟏
∙ 𝑷𝒋
𝑬𝑱𝒂𝒉𝒓 = 𝒏𝒊
𝒎
𝒊=𝟏
∙ 𝑬𝒊
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2. Energiebedarf von Stetigförderern
Modellierung der Laufzeit - Zyklushäufigkeiten (1/2)
• Quellenverhalten: um Mindestabstand verschobene Exponentialverteilung
• Beispielhaftes Abrisskriterium: 20 [s]
• Oberes Beispiel zeigt eine Verteilung, in der 20 % der Fördereinheiten einen
größeren Abstand zu einander als den Mindestabstand besitzen.
exponentiell verteilte Zwischenankunftszeiten
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
0 10 20 30 40 50 60Wa
hrs
ch
ein
lic
hk
eit
Abstand [s]
Abstandsverteilung Abrisskriterium
20 % der Fördereinheiten besitzen einen
größeren Abstand als das Abrisskriterium
zueinander
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2. Energiebedarf von Stetigförderern
Modellierung der Laufzeit - Zyklushäufigkeiten (2/2)
einzeln
(20%)
2er-Block
(16%)
3er-Block
(12,8%)4er-Block
(51,2%)
20%80%
20%80%
20%80%
>20s
>20s
>20s
𝒏𝑵 = 𝑴 ∙ 𝟏 − 𝒒 𝑵−𝟏/𝑵
M Anzahl Fördereinheiten im Jahr
q Anteil der Fördereinheiten über dem Abrisskriterium
N maximale Blockgröße
Ermittlung der Zyklushäufigkeiten
𝒏𝒊 = 𝑴 ∙ 𝒒 ∙ 𝟏 − 𝒒 𝒊−𝟏/𝒊 𝒏𝑵 = 𝑴 ∙ 𝟏 − 𝒒 𝑵−𝟏/𝑵
12fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
Dauer eines Zyklusabschnittes mit weniger als der maximalen Anzahl an
Fördereinheiten
2. Energiebedarf von Stetigförderern
Modellierung der Laufzeit - Laufzeiten je Zyklus
𝒕𝑱 = 𝒍 − 𝑱 − 𝟏 ∙ 𝒍𝑭 − (𝑱 − 𝟏) ∙ 𝒍𝑨 /𝒗
Dauer eines Zyklusabschnittes mit der maximalen Anzahl an Fördereinheiten
lF Länge der Fördereinheit
lA minimaler Abstand zwischen zwei Fördereinheiten
v Fördergeschwindigkeit
l Länge des Förderers
J maximale Anzahl an Fördereinheiten des Zyklus
𝒕𝒋 = 𝟐 ∙ 𝒍𝑭 + 𝒍𝑨 /𝒗
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30 35
An
za
hl
Fö
rde
rein
he
ite
n
Zeit [s]
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2. Energiebedarf von Stetigförderern
Zusammenfassung
Ermittlung der
Zyklushäufigkeit
Modellierung der
Zeiten eines
Zyklusabschnitts
Modellierung der
elektrische Leistung
𝐸𝑖 = 𝑡𝑗 ∙ 𝑃𝑗
𝐸𝐽𝑎 ℎ𝑟 = 𝑛𝑖 ∙ 𝐸𝑖
Energiebedarf pro Zyklus
Jahresenergiebedarf
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Agenda
Einleitung1.
Energiebedarf von Stetigförderern2.
Energiebedarf von Regalbediengeräten3.
Energiebedarf von intralogistischen Systemen4.
Zusammenfassung und Ausblick5.
15fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte
• Vielzahl von Einflussgrößen auf den Energiebedarf von Regalbediengeräten
• Geschlossener, allgemeingültiger analytischer Ansatz nicht möglich
• Konkrete Annahmen für ein analytisches Energiemodell
Einflussgrößen auf den Energiebedarf
Lager-bewirtschaftungs-
strategie
chaotisch
Ein- nahe Auslagerung
ABC-Zonierung
Lagerkonfiguration
Lagertiefe (einfachtief, doppeltief)
Lage des E/A-Punktes
Antriebskonfiguration
Ohne Rückspeisung
und Zwischenkreis
Mit Zwischenkreis
Mit Rückspeisung
Verfahrstrategie
Durchsatz-orientiert
Energie-orientiert
Lagerbewirtschaftungsstrategie
Chaotisch
Lagerkonfiguration
Einfachtief
E/A-Punkt unten
Antriebskonfiguration
mit Rückspeiseeinheit
Verfahrstrategie
durchsatzorientierter Betrieb
16fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
Fahrantrieb Kinetische Energie Reibungsarbeit Rückspeisefähige
Energie
3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte
• Definition der Fahrstrecke x0:
• Grundlastverbrauch:
• Keine Berücksichtigung von rotatorischen Energieanteilen und der Zwischenkreiskopplung
,
1 1
2x kin x
x
E M a x
,
21 1
2x kin
x
xE M v
,
1 1
2x r x
x
E w M g x
,
1
2x R R x x xE M a w g x
0,
1
2x r x
x
xE w M g x
2
, 0
1
2x R R x x xE M v w g x
0: xFür x
0: xFür x
Hubantrieb Potenzielle Energie Reibungsarbeit Rückspeisefähige
Energie
,
1y pot
y
E m g y
, 0y potE
,
1y r y
y
E w m g y
, 0y RE
, 0y rE , 1y R R y yE w m g y
: y 0Für
: y 0Für
2
0x
x
vx
a
GL GL fE P t
Kinetische Energie
Potenzielle Energie
Reibungs-arbeit
Grundlast-verbrauch
Energie-bedarf
Modellierung des Energiebedarfs
17fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte
• Unterteilung der Regalwand in vier Bereiche B1-4
• Aufstellung der Berechnungsansätze für die vier Bereiche B1-4
H
L
y
xx0
B3
fw>1
B4
B1
B2
, 1
1 1 1, 1 1 2
2
12 2 2 2
2
ES B y R y y N N x x
y x
EAR x N x x GL f EA EA
E x y m g w y w m m g y M m a w g x
M m a w g x P t t P t
B1
Ansatz zur analytischen Berechnung des Energiebedarfs für ein Einzelspiel
vx,max
nicht erreicht
vx,max
erreicht
B3 B4Hubzeit-
kritisch
B1 B2Fahrzeit-
kritisch
18fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte
• Mehrdimensionale stetige Verteilung
• Gleichverteilung der Zufallsvariablen x und y (chaotische Lagerung)
• Berechnung des Erwartungswerts für den Energiebedarf
Berechnung des mittleren Energiebedarfs für Einzelspiele
-5 0 5 10 15 20 25 30 350
5
10
15
E/A
E__mR__integral
kW
s
20 30 40 50 60 70
0
2
4
6
8
0
5
10
15
200
20
40
60
80
Höhe [m]Länge [m]
Energ
iebedarf
[kW
s]
22 20 0 0
0
0 0
1 11 1 2
1
21 2 1 1
2 2 2
12
3
y R y y N N
y x
ES
x x R x N x x
x
EA EA w
wx
w m g H w m m g H M m
Ex x xg
v w g L x M m v wL L a L
LP P t P f
fv
Für
fW > 1
,
1
n
ESES ES i i
i
E E EE p
0 0
1,
H L
ES ESE E x y dxdyA
19fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte
• Mehrdimensionale stetige Verteilung
• Gleichverteilung der Zufallsvariablen (chaotische
Lagerung)
• Analoges Vorgehen zum Einzelspiel
• Erhöhter Komplexitätsgrad für die Zwischenfahrt
vom Einlagerungspunkt P1 zum
Auslagerungspunkt P2
Berechnung des mittleren Energiebedarfs für Doppelspiele
y
x
H
L
P1
P2
E/A
, 1 2 , 1 2 1 1 2 2 2 2 1 12
0 0 0 0
1, , ,
H L H L
DS P P DS P PE x y x y dx dy yE dx dA
Für
fW > 1
2 32 2 0 0 0
2 3
2 32 0 0 0
2 3
2 0 0 0
2
31 2 1 41 1 1
3 6 3 2 6
1 3 31 1
3 2 2 2
²1 3 1 1
2 6 2 2
xDS y R y y N R x
y x
xN R x
x
R x x N
x
w x x xE w w m m gH MgL
L L L
w x x xm gL
L L L
x x x xv M m
L L L
0
2
2 1 0 1
0 0 0
, ,
²
6
1 1 2 30 80 35 25 ² 10 ³ 4
3 60W W W W W W W EA EA
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L LP f P f f f f f f P P t
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, 1 , 1 1 1 1 1
0 0
1,
H L
DS EAP DS EAPE x y dx yE dA
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0
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1,
H L
DS P EA DS P EAE x y dx yE dA
P1 P2 P2 E/AE/A P1
20fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte
Berechnung des mittleren Energiebedarfs pro Jahr
, ,, ,RBG ES E ES A DS GLES E ES A DS BRE P PT T P T P T
Mittlerer Energiebedarf je
RBG pro Jahr [J]
Mittlere Spielzeit eines
Einzelspiels [s]
Einzelspielbetrieb
(Einlagern) im Jahr [s]
Mittlere Energie pro
Einzelspiel (Einlagern) [J]
Einzelspielbetrieb
(Auslagern) im Jahr [s]
Mittlere Energie pro
Einzelspiel (Auslagern)
[J]
Mittlere Spielzeit eines
Doppelspiels [s]
Doppelspielbetrieb im
Jahr [s]
Mittlere Energie pro
Doppelspiel [J]
Grundlastleistung [W]
Brachzeit pro Jahr [s]
E RBG
t ES
TES,E
E ES,E
TES,A
E ES,A
t DS
TDS
PGL
E DS
TBR
, ,
, ,
ES E ES A DSRBG GLES E ES A DS BR
ES ES DS
E E EE T T T P T
t t t
Gesamtenergiebedarf pro RBG
Energiebedarf für
Einzelspiele (Einlagern)
Energiebedarf für
Einzelspiele (Auslagern)
Energiebedarf pro
Doppelspiel
Energiebedarf bei Leerlauf
21fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
Agenda
Einleitung1.
Energiebedarf von Stetigförderern2.
Energiebedarf von Regalbediengeräten3.
Energiebedarf von intralogistischen Systemen4.
Zusammenfassung und Ausblick5.
22fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
4. Exemplarische Anwendung an einem intralogistischen System
• Automatisiertes Hochregallager (HRL) mit zwei Gassen mit zwei
Regalbediengeräten
• Lagervorzone bestehend aus Kettenförderern und Eckumsetzern
Aufbau des Logistiksystems
Q
S
E A E A
Parameter des Logistiksystems
• 120.000 Fördereinheiten pro Jahr
• Aufteilung auf die Lagergassen zu gleichen Teilen
• Gleich viele Ein- und Auslagerungen im Laufe des Jahres
• 250 Arbeitstage im Ein-Schichtbetrieb
Q
S120.000
FE/Jahr
120.000
FE/Jahr120.000 FE/Jahr
E1 A1
60.000
FE/Jahr
60.000
FE/Jahr
60.000 FE/Jahr
120.000 FE/Jahr
E2 A2
60.000
FE/Jahr
60.000
FE/Jahr
60.000 FE/Jahr
Abschnitt A
Abschnitt C
Ab
sch
nit
t B
Graph des Logistiksystems
23fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
4. Exemplarische Anwendung an einem intralogistischen System
Parameter der Subsysteme
• Stetigfördersystem:
• fünf Eckumsetzer und
Kettenförderer
• 2er-Blockbildung im Abschnitt C
• Hochregallager:
• Einzelspielbetrieb:
66 Ein-/Auslagerungen pro Stunde
• Doppelspielbetrieb:
43 Ein-/Auslagerungen pro Stunde
• Einzel- und Doppelspielbetrieb je
zur Hälfte
• 20 % Brachzeit in der Betriebszeit
Stetigförderanlage Regalbediengeräte, HRL
v 0,3 m/s M 10,7 t
m 500 kg m 2,2 t
lF Quer: 0,8 m
Längs: 1,2 m
mN 500 kg
lA 0,2 m H 22 m
q 20 % L 50 m
vx 160 m/min
vy 55 m/min
ax 0,5 m/s2
24fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
Jährlicher Gesamtenergiebedarf:
30.182 kWh
Jährliche Energiekosten:
4.829 €
4. Exemplarische Anwendung an einem intralogistischen System
• Stetigförderer:
• Regalbediengeräte:
Energiebedarfsermittlung pro Jahr
Abschnitt A 1.621 kWh
Abschnitt B 432 kWh
Abschnitt C 1.191 kWh
Stetigförder-
anlage
3.244 kWh
Einzelspiel
(Einlagern)
0,1321 kWh 54,59 s
Einzelspiel
(Auslagern)
0,1028 kWh 54,59 s
Doppelspiel 0,1784 kWh 84,60 s
Hochregal-
lager
26.938 kWh
11%
89%
Stetigförder-anlage
Hochregal-lager
25fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
Agenda
Einleitung1.
Energiebedarf von Stetigförderern2.
Energiebedarf von Regalbediengeräten3.
Energiebedarf von intralogistischen Systemen4.
Zusammenfassung und Ausblick5.
26fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
5. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
• Neuer analytischer Ansatz zur Energiebedarfsermittlung von Intralogistiksystemen
• Schnelle und einfache Bestimmung des Energiebedarfs
• Variantenvergleich unter Einbeziehung des Energieverbrauchs in der Planungsphase
• Rechnertool zur Einbeziehung des Energiebedarfs in die Logistikplanung
Ausblick
• Regalbediengeräte: Energiemodell für Zwischenkreiskopplung
• Stetigförderer: Untersuchung der Auswirkungen von Verteil- oder Zusammenführungselementen
• Umfangreiche Validierung anhand Messungen über längere Zeiträume
27fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München
Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit!
Lehrstuhl Fördertechnik Materialfluss Logistik
Dipl.-Ing. Sebastian Habenicht
Boltzmannstraße 15
85748 Garching
Tel.: 089/289 15913
E-Mail: [email protected]
Lehrstuhl Fördertechnik Materialfluss Logistik
Dipl.-Ing. Rainer Ertl
Boltzmannstraße 15
85748 Garching
Tel.: 089/289 15930
E-Mail: [email protected]