Bei energieeffizienten Werkzeugmaschinen zählt jede Komponente
Energieeffizienz reicht bis ins Detail
Energieeffizienz wird für Maschinenbauer zunehmend auch ein Marketingargument. In der Praxis besteht aber das Problem, dass der zu erwartende Energieverbrauch von den Herstellern nicht exakt quantifiziert werden kann. Die Folge sind häufig anzutreffende Überdimensionierungen oder energetisch ungünstig gesteuerte bzw. betriebene Komponenten.
Um eine Beurteilung der Gesamtwirtschaftlichkeit von Werkzeugmaschinen zu erreichen, wurde deshalb das Verbundprojekt „e-Sim-Pro“ im Rahmen der Innovationsplattform „Effizienzfabrik“ initiiert – eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Berlin, und des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA), Frankfurt. Dabei sollen exemplarisch energieoptimierte Maschinen- und Komponentenkonzepte entwickelt werden.
Simulationsmodelle errechnen Energiebedarf von Werzeugmaschinen
Wie die dabei gewonnenen Erkenntnisse in die praktische Produktentwicklung einfließen, erläuterte Christian Eisele, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt: „In diesem Verbundprojekt wurde eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, den Energiebedarf verschiedener Baugruppen einer Werkzeugmaschine mit Simulationsmodellen zu berechnen. Dadurch könne der Maschinenhersteller bereits im Entwicklungsprozess der Maschine verschiedene konstruktive Lösungen hinsichtlich des zu erwartenden Energieverbrauchs bewerten und somit sicherstellen, sowohl eine kosten- als auch eine energetisch optimierte Maschine am Markt anbieten zu können.“
Bis heute, so Eisele, „fehlen objektive, standardisierte Vergleichsmöglichkeiten für den Energiebedarf spanender Werkzeugmaschinen“. Die im Projekt entwickelte Simulationssoftware ermögliche es, die zu erwartende elektrische Leistungsaufnahme der einzelnen Maschinenkomponenten zu quantifizieren. Mithilfe des Nutzungsprofils der Werkzeugmaschine könne somit der Energieverbrauch einer spezifischen Bearbeitungsaufgabe in den verschiedenen Maschinenzuständen berechnet werden. Damit habe der Hersteller die Möglichkeit, Maschinen auch energetisch optimal auf den Bearbeitungsfall abzustimmen und somit Überdimensionierungen von Komponenten zu vermeiden.
Seine Erwartungen an die Metav 2012 im Hinblick auf die Effizienzbemühungen der Werkzeugmaschinenhersteller umreißt der Darmstädter Fertigungsforscher so: „Aus meiner Sicht hat in den vergangenen Jahren eine zunehmende Sensibilisierung der Werkzeugmaschinenhersteller für das Thema Energieeffizienz stattgefunden, und viele gute Lösungen werden bereits angeboten. Innerhalb des Verbundprojekts konnte ich feststellen, dass der Austausch zwischen den Maschinen- und Komponentenherstellern sowie den Anwendern von Werkzeugmaschinen zu vielen Verbesserungen geführt hat.“
Spindelmotor und Stromspeisung als Stellschrauben zur Effizienzerhöhung von Werkzeugmaschinen
Wie wichtig das Thema Effizienz und der Einfluss der Komponenten für die Branche ist, zeigt ein weiteres Verbundprojekt im Rahmen der Innovationsplattform Effizienzfabrik: „Energie MSP – Effiziente Motorspindel für Werkzeugmaschinen“. Ausgangspunkt des Projekts ist die Annahme, dass eine durchschnittliche Dreh-, Fräs- oder Schleifmaschine jährlich indirekt so viel CO2 emittiert wie zehn Mittelklasse-Pkw. Für diesen Verbrauch sind nicht nur die Hauptspindel als Kernkomponente von Werkzeugmaschinen, sondern auch deren Peripherieaggregate wie Kühlung, Schmierung und Hydraulik verantwortlich. Der Energieaufwand bei der Maschinennutzung hänge dabei stark vom Aufbau des Spindelmotors und der Konzeption der Stromspeisung der Antriebe ab. Hier verberge sich noch ein großes Potenzial zur Effizienzerhöhung
Das Verbundprojekt hat das Ziel, den Energieverbrauch des Systems „Hauptspindel und Peripherieaggregate“ um 25 % zu senken. Wie groß der Anteil dieses Systems am Gesamtenergieverbrauch einer Werkzeugmaschine ist, lässt sich nach Einschätzung des Projektkoordinators Johannes Gelbke, Entwicklungsleiter bei Franz Kessler, Bad Buchau, „so pauschal nicht beantworten“. Der Anteil der Motorspindel am Energieverbrauch der Gesamtmaschine sei abhängig von der Größe der Maschine selbst sowie vom zugrunde liegenden Bearbeitungsprozess. In einem Fallbeispiel wurde ein Anteil von 47 % am Gesamtenergieverbrauch einer Werkzeugmaschine ermittelt.
Spindeloptimierung könnte bei Werzeugmaschinen durchschnittlich 11,7 % Energie einsparen
Bezogen auf die Basisannahme, dass eine durchschnittliche Werkzeugmaschine heute indirekt jährlich so viel CO2 ausstösst wie zehn Pkw, emittiert bei diesem Beispiel also allein die Spindel indirekt jährlich so viel CO2 wie 4,7 Pkw. Nun behandelt das Projekt „Energie MSP“ nur die Hauptspindel und die Peripherieaggregate. Gelbke: „Hiervon eine Aussage über die gesamte Werkzeugmaschine herzuleiten, ist schwierig“. Gleichwohl sei nach dieser Rechnung bei einer angepeilten Energieeinsparung von 25 % das Ergebnis „eine Einsparung von jährlich so viel CO2 wie momentan 1,17 Pkw erzeugen“. Das wiederum bedeutet, dass nach der Spindeloptimierung eine durchschnittliche Werkzeugmaschine nur noch so viel CO2 emittiert wie 8,83 Pkw – was dann einer Gesamtenergieeinsparung von immerhin noch 11,7 % entspräche.
Dabei weist Verbundprojektkoordinator Johannes Gelbke jedoch darauf hin, dass der Energieverbrauch des Gesamtsystems Werkzeugmaschine in parallelen Projekten untersucht und optimiert wird: „Deshalb ist davon auszugehen, dass die Einsparung der indirekten CO2-Emission der gesamten Werkzeugmaschine höher sein wird.“
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