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
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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.
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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
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