Werkzeugmaschinen produzieren effizienter
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Werkzeugmaschinen produzieren effizienter
Projektinfo 03/2014 Energieforschung konkret Werkzeugmaschinen produzieren effizienter Forscher reduzieren den Energieverbrauch moderner Bearbeitungszentren Wenn Werkzeugmaschinen ein komplexes Bauteil bearbeiten, fließt oft nur etwa 20 % der eingesetzten Energie in die eigentlichen Spanprozesse. Hauptverbraucher sind vielmehr periphere Komponenten der Maschine, wie Kühlsysteme oder hydraulische Antriebe. Im Projekt Maxiem zeigen Wissenschaftler der TU Darmstadt gemeinsam mit Partnern aus der Industrie, wie sich dieser Energiebedarf im Idealfall mehr als halbieren lässt. Dieses Forschungsprojekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Programmgesteuerte, vollautomatische Bearbeitungszentren sind wahre Multi talente: Sie bohren, fräsen, sägen, drehen und schleifen, bis nach zahlreichen Bearbeitungsschritten aus einem Rohling das gewünschte Bauteil entstanden ist. Der Bedienaufwand ist dabei minimal. Sowohl die notwendigen Werkzeugwechsel, die Werkzeugbewegung als auch die Positionierung der Werkstücke über verschiedene Drehachsen erledigen die Maschinen selbstständig. Bei der Entwicklung solcher komplexer Werkzeugmaschinen spielt der Energiebedarf bisher eine untergeordnete Rolle. Wichtigere Verkaufsargumente sind Präzision, Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Flexibilität. Dies führt dazu, dass selbst den Maschinenherstellern der tatsächliche Energiebedarf in der Nutzungsphase kaum bekannt ist. Seit einigen Jahren wächst aber der Wettbewerbsdruck, den Energieverbrauch zu senken. Wo die größten Stellhebel zur Einsparung liegen, untersuchen die Forscher der TU Darmstadt zusammen mit Maschinenherstellern, Komponentenherstellern und Kunden aus der Automobilindustrie. Letztere haben umfassende Energiesparprogramme aufgelegt und wollen bei der Beschaffung neuer Maschinen und Anlagen in möglichst energieeffiziente Lösungen investieren. Mit einer Befragung im Vorfeld des Projektes Maxiem (Maximierung der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen) ermittelten die Forscher, wie hoch die Werkzeugmaschinenhersteller selbst das Einsparpotenzial einschätzen. Diese hielten eine Effizienzsteigerung 2 BINE-Projektinfo 03/2014 Abb. 1 Inbetriebnahme der Maschine zur Energiemessung von 10 bis 15 % für realistisch. Die von den Forschern erzielten Ergebnisse erlauben weit optimistischere Prog nosen. Durch zahlreiche Optimierungen an einem Bearbeitungszentrum erzielten die Forscher beispielsweise Einsparungen von über 50 % gegenüber dem Ausgangszustand. Den geringeren Energiekosten stehen meist höhere Investitionskosten entgegen. Über die gesamte Lebensdauer gerechnet bleibt jedoch auch bei einer Nachrüstung ein deutliches Plus. Einzelne Maßnahmen amortisieren sich sogar nach wenigen Monaten. Konkrete Entscheidungshilfen und Handlungsvorschläge geben die Wissenschaftler in ihrem Forschungsbericht. Die von ihnen entwickelten Methoden und ein neu entwickeltes Softwaretool sind insbesondere bei der Neukonzeption von Werkzeugmaschinen hilfreich. Der Energieverbrauch der Komponenten im realen Betrieb kann jetzt besser prognostiziert werden. Abb. 2 4-Achs-Bearbeitungszentrum MAG XS-211 Energieverbrauch analysieren Als Demonstrator diente ein modernes 4-Achs-Bearbeitungszentrum (MAG XS-211), wie es in der Automobilindustrie für die Herstellung komplexer Antriebskomponenten eingesetzt wird. Dieses wurde speziell für die Forschungszwecke umgebaut. Zu Beginn der Forschungsarbeiten analysierten die Wissenschaftler die Energieverbräuche der einzelnen Funktionsmodule. Es zeigte sich, dass die KühlschmierstoffAnlagen (KSS-Anlagen), die Maschinenkühlung und die Hydraulik die energieintensivsten Systemkomponenten sind. Auf diese konzentrieren sich auch die Einsparpotenziale. Exemplarisch für eine Vielzahl von Einzelergebnissen werden im Folgenden einige der Verbesserungsvorschläge vorgestellt. Kühlschmierstoffe Die größten Effizienzreserven fanden die Forscher bei der Kühlschmierstoff-Versorgung. Vier Pumpen führen an verschiedenen Stellen Kühlschmierstoffe (KSS) zu bzw. zurück. Während eine Hochdruckpumpe für die innere KSS-Zufuhr der Hauptspindel sorgt, spülen zwei Niederdruckpumpen das Maschinenbett und den Arbeitsraum. Eine weitere Niederdruckpumpe fördert überschüssiges Kühlmittel zurück in den Vorratstank. In der Summe benötigen sie 60 % des Gesamtenergiebedarfs. Wie bei solchen Maschinen derzeit üblich, stellt die Hochdruckpumpe einen konstant hohen Druck von 50 bar Abb. 3 Blick auf den Arbeitsraum mit eingespanntem Werkstück auf dem Arbeitstisch gegen ein fest eingestelltes Druckventil bereit, unabhängig vom tatsächlichen Bedarf. Auch der Volumenstrom der Kühlschmierstoffe ist konstant und folgt nicht den Anforderungen. Überschüssige Flüssigkeit wird ungenutzt und unter Energieaufwand zurück in den Tank gepumpt. Erhebliche Einsparpotenziale erschließen sich deshalb mit drehzahl- und druckgeregelten Pumpen. Hierzu werden eine drehzahlvariable Ansteuerung des Motors sowie ein Drucksensor nachgerüstet. Die Steuerung wird befähigt, Drucksollwerte des NC-Programms zu übergeben. Nach diesen Optimierungen reduziert sich der Stromverbrauch der Hochdruckpumpe um 75 %. Die Anschaffung der effizienten Komponenten amortisiert sich bereits nach rund sieben Monaten. Für die Maschinenbett- und Arbeitsraumspülung wurden verschiedene Möglichkeiten durchgerechnet. Schon die einfachste Lösung, bei der wie vorher ungeregelte Pumpen eingesetzt werden, die aber optimal auf den Arbeitspunkt ausgelegt sind, realisiert erhebliche Einsparungen. Die bestmögliche Variante wurde umgesetzt und experimentell untersucht: Die Forscher ersetzten bei- BINE-Projektinfo 03/2014 Werkzeugmaschine Hauptspindel Achse Peripherie Elektronik/ Sonstiges Hauptspindelantrieb Achsantrieb Hydraulik Filter Spannsysteme Frequenzumrichter Schaltschrankkühlung Niederspannungsver. Sperrluft Klemmung/ Bremse Maschinenkühlung Schütze/Relais Lagerung Gewichtsausgleich Absaugung Steuerung Frequenzumrichter Lagerung/ Führungen KSS-Versorgung Lüfter Beleuchtung Sperrluft Abb. 4 Maschinenstrukturbaum der Komponenten und Funktionsmodule Funktionsmodule Energiekosten pro Jahr Kühlschmierstoff-Hochdruckpumpe (KSS-HD) 2.152 € Maschinenkühlung 1.922 € KSS Hebepumpe 1.524 € KSS Dusche/Spülung 1.518 € KSS Filter (Vorlauf KSS-HD) Antriebsstrang 1.081 € 818 € Hydraulik 473 € Rest 677 € Druckluft 638 € Schaltschrankklimatisierung 319 € Absaugung 286 € Abb. 5 Kühlung und Hydraulik sind Hauptverbraucher des Bearbeitungszentrums de Pumpen durch eine gemeinsame, die sich über Drucksensoren drehzahlgeregelt dem Bedarf anpasst. Gegenüber dem Ausgangszustand reduzierte sich der Energiebedarf um 72 %. Bei dem gewählten Szenario ergab sich eine Amortisationszeit von unter vier Jahren für eine Nachrüstung. Maschinenkühlung verlustärmer regeln Die Kühlung der Werkzeugmaschine hat mit etwa 15 % einen nennenswerten Anteil am gesamten Energieverbrauch. Dabei entfallen 3 % auf die Schaltschrank-Klimatisierung und 12 % auf die kaltwassergespeiste Maschinenkühlung. Gerade der Kühlung der Hauptspindel kommt eine große Bedeutung zu. Die Temperatur muss hier sehr genau geregelt werden. Andernfalls führt die Wärmeausdehnung der Komponenten zu Ungenauigkeiten am bearbeiteten Werkstück. Bei Standardbearbeitungen kann eine Hysterese von 1,5 K toleriert werden. In diesem Fall arbeitet der Verdichter des Rückkühlwerks getaktet – entsprechend dem Leistungsbedarf. Die hochpräzise Endbearbeitung, z. B. bei Schleifprozessen erfordert im Extremfall eine Hys- terese von maximal 0,1 K. Die hierfür nötige Taktfrequenz würde die Lebensdauer des Verdichters zu stark begrenzen. Deshalb wird die Temperaturgenauigkeit meist dadurch erreicht, dass überschüssige Kühlleistung aktiv vernichtet wird. Mit dem Einsatz eines Digital-Scroll Verdichters, der eine weite Leistungsregulierung erlaubt, könnten diese Verluste vermieden werden. Einsparungen von 30 % im Teillastbetrieb und noch größere im StandbyBetrieb sind möglich. Ähnliche Einsparpotenziale ergeben sich auch beim Einsatz von inverter-geregelten Kompressoren. Als weitere Möglichkeit untersuchten die Forscher die Kaltwasserbeimischung. Diese ist bei ausreichend großem Speicher eine gute Alternative. Hydraulikverluste mit Sitzventilen reduzieren Das Hydraulikaggregat arbeitet mit einem Druckspeicher nach dem Konzept des Speicherladebetriebs. Beladen wird er über eine Innenzahnradpumpe mit einem netzbetriebenen Asynchronmotor als Antrieb. Fällt der Druck im Speicher unter 115 bar, so schaltet die Pumpe über ein Ventil vom drucklosen Umlauf in den Förderbetrieb, bis 120 bar erreicht werden. Danach schließt das Ventil und die Pumpe arbeitet wieder im drucklosen Umlauf. Die Messungen zeigten, dass die Pumpe alle 27 Sekunden für kurze Zeit zugeschaltet wird, ohne dass tatsächlich hydraulische Energie genutzt wurde. Ursache sind systembedingte Leckageverluste in den Schieber- bzw. Druckregelventilen. Die Forscher ersetzten die Schieberventile durch Sitzventile, wodurch sich die Leckage deutlich reduzierte. Die Pumpe geht jetzt erst nach mehr als 7 Minuten wieder in den Förderbetrieb. Software liefert Entscheidungsgrundlagen Für die Arbeiten in Maxiem entwickelten die Forscher ein neues Softwaretool, das verschiedene Konfigurationen der Werkzeugmaschine vergleicht und bewertet. Es baut auf einer Datenbank auf, in der die Kenndaten einzelner Funktionsmodule hinterlegt sind. Das Programm gibt bereits früh einen Überblick über die Energieströme und Kostenstrukturen. Dadurch lässt sich der Energieverbrauch und Leistungsbedarf, abhängig von den eingebauten Komponenten und der Betriebsweise, abschätzen. Auch eine Kostenkalkulation, bei der die Energiekosten pro Werkstück und angenommene Kostensteigerungen einfließen, ist möglich. Von der Forschung in die Praxis Die Ergebnisse von Maxiem stoßen auf ein breites Interesse bei der Werkzeugmaschinenindustrie und deren Kunden. Die Hersteller können sich durch das Angebot energieeffizienter Maschinen vom internationalen Wettbewerb differenzieren und die Anwender werden durch den Einsatz solcher Maschinen langfristig Kosten einsparen. Viele Maschinenhersteller setzen die aufgezeigten Lösungen bereits heute um. Die Forscher werden gemeinsam mit einzelnen Werkzeugmaschinenherstellern die Bewertungsmethodik fortentwickeln. Ziel ist es, ein anwendungsreifes Tool für die Konzeption energieeffizienter Werkzeugmaschinen bereitzustellen. Vor allem im Bereich der Energierückgewinnung können noch erhebliche Potenziale gehoben werden, insbesondere bei einer integralen Analyse der gesamten Fertigung, angefangen bei den Maschinenkomponenten bis hin zur Gebäudehülle. Diesen Weg beschreiten die Forscher der TU Darmstadt mit einem neuen Referenzprojekt, der eta-Fabrik. 3 BINE Projektinfo 01/2010 BINE-Projektinfo 03/2014 eta-Fabrik – Industrie 4.0 Das vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Verbundprojekt „eta-Fabrik“ untersucht, wie die Fabrik der Zukunft aussehen könnte. Unter der Federführung der Technischen Universität Darmstadt entwickeln Wissenschaftler eine hoch energieeffiziente Modellfabrik der Metallverarbeitung. Dabei verfolgen sie einen interdisziplinären Ansatz, bei dem über die kontinuierliche Optimierung der „Fabrik“ als Gesamtsystem eine erhebliche Effizienzsteigerung erreicht werden soll. Die Wissenschaftler betrachten das Zusammenspiel des Gebäudes, der technischen Gebäudeinfrastruktur und der Produktionsmaschinen, um weitere Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz zu erschließen. Neben den Optimierungsmöglichkeiten an einzelnen Maschinen liegt ein bisher noch kaum erschlossenes Energieeffizienzpotenzial in der Nutzung der beim Maschinenbetrieb entstehenden Abwärme. Thermische Speicher und Verfahren zur Energietransformation ermöglichen es, Energie räumlich und zeitlich, entsprechend dem Bedarf, aufzunehmen oder bereitzustellen. Die eta-Fabrik soll auch zur Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses sowie zur Übertragung der Ergebnisse in die Industrie genutzt werden. Sie soll sich als interdisziplinäre Schulungs- und Lernfabrik an der Technischen Universität Darmstadt etablieren und durch den interdisziplinären, übergreifenden Ansatz die Zusammenarbeit der verschiedensten Fachrichtungen und Unternehmen stärken. Die vierte industrielle Revolution ist im Gange. Sie folgt der Mechanisierung im 19. Jahrhundert, der Massenproduktion und der digitalen Automatisierung. Jetzt verändert Kommunikationstechnik, Sensorik und Aktorik die Produktionstechnik grundlegend. Logistik und Produktion sind vernetzt. Maschinen erkennen aktuelle Betriebszustände, kommunizieren miteinander und optimieren Abläufe autonom. Menschen werden in der modernen Fabrik aber nicht überflüssig. Sie erhalten vielmehr Echtzeitinformationen als Entscheidungsgrundlagen und sind weniger auf vage Erfahrungswerte oder statistische Wahrscheinlichkeiten angewiesen. Die Kostenvorteile der Massenproduktion bleiben erhalten, gleichzeitig können Produkte immer besser an die individuellen Kundenwünsche angepasst werden. Statt nur die Produkte zu verkaufen, werden sie mit hochwertigen Dienstleistungen gebündelt und als Hybridprodukt vermarktet. Die Bundesregierung hat auf diese neuen Chancen mit der Hightech Initiative Industrie 4.0 (www.plattform-i40.de) reagiert. Impressum Projektorganisation Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) 11019 Berlin Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Steffen Linsmayer 52425 Jülich Förderkennzeichen 0327488A ISSN 0937 - 8367 Herausgeber FIZ Karlsruhe · Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen Autor Dr. Franz Meyer Urheberrecht Titelbild und alle weiteren Abbildungen: PTW, Darmstadt Eine Verwendung von Text und Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion gestattet. Sprechen Sie uns an. Projektbeteiligte >> Projektleitung: Technische Universität Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Darmstadt, Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele, Tilo Sielaff, Martin Beck, www.ptw.tu-darmstadt.de >> Projektpartner: Alfing Kessler Sondermaschinen GmbH, Audi AG, BMW AG, Bosch Rexroth AG, Daimler AG, Grob-Werke GmbH & Co. KG, Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH, MAG Powertrain, Fachgebiet Pro duktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Siemens AG, Power Generation Studer Schaudt GmbH, Volkswagen AG Links und Literatur >> www.maxiem.eu >> Abele, E.; Sielaff, T.; Beck, M.: Engineering, Energieeffizienz, Bearbeitungszentren. Konfiguration energieeffizienter Werkzeugmaschinen. In: wt Werkstattstechnik online. Jg. 102 (2012), H. 5, S. 292 98 > > Abele, E.; Sielaff, T., Beck, M.: Maximierung der Energieeffizienz spanender Werkzeugmaschinen. Schlussbericht zum Projekt Maxiem. FKZ 0327488A. Technische Universität Darmstadt. Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (Hrsg.). Sept. 2013. 94 S. Mehr vom BINE Informationsdienst >> Energieeffiziente Feinbearbeitung im Maschinenbau. BINE-Projektinfo 03/2013 >> Supraschmierung im Automobil. BINE-Projektinfo 11/2012 >> Dieses Projektinfo gibt es auch online und in englischer Sprache unter www.bine.info im Bereich Publikationen/Projektinfos. BINE Informationsdienst berichtet aus Projekten der Energieforschung in seinen Broschürenreihen und dem Newsletter. Diese erhalten Sie im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo Kontakt · Info Fragen zu diesem Projektinfo? Wir helfen Ihnen weiter: 0228 92379-44 [email protected] BINE Informationsdienst Energieforschung für die Praxis Ein Service von FIZ Karlsruhe Kaiserstraße 185-197 53113 Bonn www.bine.info Konzept und Gestaltung: iserundschmidt GmbH, Bonn – Berlin · Layout: KERSTIN CONRADI Mediengestaltung, Berlin 4