Assessing carbon dioxide emission reduction potentials of improved manufacturing processes using multiregional input output frameworks

Evaluating innovative process technologies has become highly important within the last decades. As standard tools different Life Cycle Assessment methods have been established, which are continuously improved. While those are designed for evaluating single processes they run into difficulties when it comes to assessing environmental impacts of process innovations at macroeconomic level. In this paper we develop a multi-step evaluation framework building on multi regional input–output data that allows estimating macroeconomic impacts of new process technologies, considering the network characteristics of the global economy. Our procedure is as follows: i) we measure differences in material usage of process alternatives, ii) we identify where the standard processes are located within economic networks and virtually replace those by innovative process technologies, iii) we account for changes within economic systems and evaluate impacts on emissions. Within this paper we exemplarily apply the methodology to two recently developed innovative technologies: longitudinal large diameter steel pipe welding and turning of high-temperature resistant materials. While we find the macroeconomic impacts of very specific process innovations to be small, its conclusions can significantly differ from traditional process based approaches. Furthermore, information gained from the methodology provides relevant additional insights for decision makers extending the picture gained from traditional process life cycle assessment.DFG, SFB 1026, Sustainable Manufacturing - Globale Wertschöpfung nachhaltig gestalte

Einsatzverhalten und Leistungsbedarfe unterschiedlicher Kühlungsmethoden beim Außen-Längs-Runddrehen

Die Drehbearbeitung hochwarmfester Legierungen stellt produzierende Unternehmen vor wirtschaftliche Herausforderungen. Insbesondere die physikalischen Grenzen verfügbarer Schneidstoff-Beschichtungssysteme limitieren die Schnittparameter und damit potenzielle Produktivitätssteigerungen. Eine wichtige Einflussgröße, welche den Prozesswirkungsgrad und die Produktivität beeinflusst, ist die Wahl einer geeigneten Werkzeugkühlung. Zum besseren Verständnis und mit dem Ziel die Produktivität trotz vorhandener Grenzen zu steigern, wird die Ursache-Wirkungskette des Werkzeugverschleißes bei der Trockenbearbeitung, der Trockenbearbeitung mit einem geschlossen-innengekühlten Drehwerkzeug mit Flüssigstickstoffkühlung und der Überflutungskühlung mit Kühlschmierstoff beim Außen-Längs-Runddrehen von TiAl6V4 analysiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Modellierung der energetischen und wirtschaftlichen Effektivität und Ermittlung der jeweils günstigsten Prozessparameter. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich zukünftige Entwicklungspotenziale ableiten, um die Fertigung hochwarmfester Werkstoffe energetisch effizienter und ökonomischer durchzuführen

Einsatzverhalten und Leistungsbedarfe unterschiedlicher Kühlkonzepte beim Außen-Längs-Runddrehen

Cutting tools have to withstand high thermo-mechanical loads when turning materials that are difficult to cut, e. g. stainless steel, titanium or nickel alloys. Over a long term, the devel-opment of novel high temperature resistant cutting materials or chemically inert super hard coatings is the most efficient way to improve the productivity of cutting processes. The productivity and tool lifetime can be improved within a short time frame by optimising the flood cooling supply. As an alternative to flood cooling with cooling liquid, it is possible to apply internally cooled closed-loop turning tools to cool the cutting wedge. Unfortunately, internally cooled tools are not used in the shop floor, yet. This dissertation evaluates general limits and opportunities for internally cooled closed-loop turning tools. For this purpose, the performance of different cutting tools and the energy demand of a CNC turn-mill-centre were measured for dry cutting without any cooling, dry cutting with a closed-loop tool system and flood cooling with cooling liquid. The comparison of dry cutting, dry cutting with internally cooled tool and flood cooling revealed new insights on tool wear mechanisms when cutting Ti-6Al-4V. Another important result is that cryogenic nitrogen is not suitable to cool cemented carbides. An energy balance model considering the energy demands of the machine tool, the cutting tool production and the cutting process cooling was drawn up for all different cooling methods. Based on that model, parameter studies determined the most energy efficient and economic cooling method for different cutting parameters. The energy balance model allows for forecasting the effects of future technical improvements on the degree of efficiency of the process. Like this, wrong technical developments can be avoided and the progress of highly efficiency-raising methods can be forced

The behaviour and energy demands for different cooling concepts during longitudinal turning

Hochwarmfeste Werkstoffe bewirken bei der Drehbearbeitung eine hohe thermo-mechanische Beanspruchung der Zerspanwerkzeuge. Neben der Erforschung neuer Schneidstoffe und Hartstoffschichten ist die Kühlschmierung der Zerspanzone das wirksamste Mittel, die Produktivität zu steigern und den Werkzeugverschleiß zu verringern. Neben der Überflutungskühlung mit Kühlschmierstoff können auch geschlossen-innengekühlte Drehwerkzeuge eingesetzt werden, um die Werkzeugschneide zu kühlen. Diese technische Alternative konnte sich im industriellen Einsatz nicht durchsetzen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die allgemeinen Grenzen und Möglichkeiten geschlossen-innengekühlter Drehwerkzeuge aufgezeigt. Dafür sind das Einsatzverhalten unterschiedlicher Zerspanwerkzeuge und der Energiebedarf eines CNC-Dreh-Fräszentrums bei Außen-Längs-Runddrehprozessen für die reine Trockenzerspanung, die Trockenzerspanung mit geschlossenem Innenkühlsystem und die Überflutungskühlung mit Kühlschmierstoff analysiert worden. Durch eine Variation der Hartmetallsubstrate, Hartstoffbeschichtungen und Wendeschneidplattenmikrogeometrien konnte nachgewiesen werden, dass sich tiefkalter Stickstoff für die Kühlung von Hartmetallwerkzeugen nicht eignet. Weiterhin konnten durch den Vergleich zur Trockenzerspanung und Überflutungskühlung neue Erkenntnisse über die Verschleißmechanismen beim Zerspanen von TiAl6V4 gewonnenen werden. Für die verschiedenen Kühlungsmethoden ist ein Energiebilanzierungsmodell erstellt worden, welches die Energiebedarfe der Werkzeugmaschine, der Werkzeugherstellung und der Prozesskühlung berücksichtigt. Anhand dieses Modells wurde mit Parameterstudien die energetisch effizienteste und wirtschaftlichste Kühlschmiermethode bestimmt. Durch das Energiebilanzierungsmodell ist es möglich, die Wirkung technischer Verbesserungen auf den Prozesswirkungsgrad zu berechnen. Dadurch lassen sich frühzeitig technische Fehlentwicklungen vermeiden und die Entwicklung besonders effizienzsteigernder Maßnahmen forcieren.Cutting tools have to withstand high thermo-mechanical loads when turning materials that are difficult to cut, e. g. stainless steel, titanium or nickel alloys. Over a long term, the devel-opment of novel high temperature resistant cutting materials or chemically inert super hard coatings is the most efficient way to improve the productivity of cutting processes. The productivity and tool lifetime can be improved within a short time frame by optimising the flood cooling supply. As an alternative to flood cooling with cooling liquid, it is possible to apply internally cooled closed-loop turning tools to cool the cutting wedge. Unfortunately, internally cooled tools are not used in the shop floor, yet. This dissertation evaluates general limits and opportunities for internally cooled closed-loop turning tools. For this purpose, the performance of different cutting tools and the energy demand of a CNC turn-mill-centre were measured for dry cutting without any cooling, dry cutting with a closed-loop tool system and flood cooling with cooling liquid. The comparison of dry cutting, dry cutting with internally cooled tool and flood cooling revealed new insights on tool wear mechanisms when cutting Ti-6Al-4V. Another important result is that cryogenic nitrogen is not suitable to cool cemented carbides. An energy balance model considering the energy demands of the machine tool, the cutting tool production and the cutting process cooling was drawn up for all different cooling methods. Based on that model, parameter studies determined the most energy efficient and economic cooling method for different cutting parameters. The energy balance model allows for forecasting the effects of future technical improvements on the degree of efficiency of the process. Like this, wrong technical developments can be avoided and the progress of highly efficiency-raising methods can be forced