Case Study: Vergleich der Lebensdauerkosten pneumatischer vs. elektromagnetischer Aktuator

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1 Case Study: Vergleich der Lebensdauerkosten pneumatischer vs. elektromagnetischer Aktuator Diese Studie soll anhand eines realen Beispiels aufzeigen, dass der Einsatz elektromagnetischer Aktuatoren in der Fabrikautomation in vielen Fällen deutliche Kostenvorteile im Vergleich zu einer konventionellen Ausstattung mit Pneumatik bietet. Die Vorteile von Betätigungsmagneten werden insbesondere dann deutlich, wenn die Kosten über die gesamte Lebensdauer betrachtet werden. Der Total Cost of Ownership-Ansatz (TCO) basiert auf einer ganzheitlichen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Investition, die neben den Beschaffungskosten auch alle anderen über die Lebensdauer anfallenden Kosten berücksichtigt. Die Vorteile der Elektromagneten im Überblick Amortisation der Investitionskosten nach 1,3 Jahren Über die Mindestlebensdauer wird eine Kosteneinsparung von 5.853,84 erreicht Keine Druckluft-Versorgung benötigt Geringes Geräusch-Level Ausgangspunkt für den Vergleich ist eine Kundenanfrage aus dem Jahr 2015 bei der Firma Kendrion über 20 Stopper-Elemente für ein automatisiertes Transfersystem, das aus 20 Werkstückträger und 20 Bearbeitungsstationen besteht. Die Stopper werden in dem Transfersystem dazu benötigt, die Werkstückträger nacheinander an einer Station zur Bearbeitung zu positionieren und nach Abschluss der Station zum Weitertransport wieder freigegeben. Die Taktung der Stopper in der Linie ist mit 10 Sekunden und diese zu jeweils 5 Sekunden ausgefahren (Stopper an) und 5 Sekunden eingefahren (Stopper aus) angenommen. Die technischen Anforderungen an das System wurden durch den Kunden wie folgt spezifiziert. (Das Gewicht des Werkstückträgers wird in diesem Beispiel vernachlässigt). Anfangskraft Schaltzyklen Laufzeit 80 N alle 10 sec. (5 sec. an & 5 sec. aus) 24h x 365 Tage Tabelle 1: Technische Anforderungen an das Stopper-System ims_pdf_kostenvergleich_stopper_hubmagnete-v2.docx // Seite 1 von 5

2 Zur Realisierung des Stopper-Konzeptes kommt für den Kunden sowohl eine pneumatische Lösung als auch der Einsatz elektromagnetischer Aktuatorik in Frage. Aus technischer Sicht sind beide Systeme gleichermaßen geeignet und auch die Lebensdauer der beiden Technologien ist vergleichbar. Entsprechend ist die folgende Frage zu klären: Welches System überzeugt bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung? Um diese Frage zu klären, wurde ein Kendrion-Elektrohubmagnet (LCL060070) mit einem am Markt verfügbaren und vergleichbaren pneumatischen Kompaktzylinder verglichen. Pneumatikzylinder Elektromagnet (LCL060070) Hub 10 mm 10 mm Betriebsdruck 6 bar - Spannung - 24V Nennstrom - 2 A Kraft 352 N 120 N Kolbendurchmesser 40 mm - Tabelle 2: Spezifikation des pneumatischen und elektromagnetischen Aktuator (Quelle: Mercalectro, Kendrion) Mit den spezifizierten Kundenanforderungen sowie den Daten zu den beiden Linearantrieben werden nun jeweils die Kosten über die gesamte Lebensdauer berechnet. Neben den Investitionskosten fallen unter die Lebensdauerkosten auch die Betriebskosten. 1. Beschaffungskosten Für den Vergleich der Investitionskosten werden diejenigen Komponenten verglichen, bei denen der Preise jeweils unterschiedlich ist. Dies gilt für den Aktuator selbst, die Steuerung sowie für den Kompressor mit Peripherie bzw. das Netzteil mit Peripherie. Tabelle 3 zeigt die Kosten für die Komponenten im Überblick sowie die Gesamtinvestitionskosten der jeweiligen Systeme. Während die pneumatische Lösung ca ,- Beschaffungskosten zur Folge hat, liegt die elektromagnetische Lösung bei ungefähr ,- was einer Differenz von 3.100,- entspricht. Pneumatischer Aktuator Elektromagnetischer Aktuator Komponente Preis Komponente Preis Kompressor Einheit 4.500,00 Pneumatikzylinder Stückpreis ,00 Steuerung (inkl. Peripherie) 2.500,00 Hubmagnet Stückpreis 150 Steuerung (inkl. Peripherie) 250,00 SPS S ,00 Netzteil 1.500, , ,00 Total 7.900, ,00 Seite 2 von 5

3 Tabelle 3: Vergleich der Investitionskosten für 20 pneumatische oder elektromagnetische Aktuatoren sowie der Zusatzkomponenten (Quelle: Seite 3 von 5

4 2. Betriebskosten Alle Daten sind für einen vollen Tag (24 Stunden) und 20 Zylinder angegeben. Jeder der 20 Zylinder leistet während den 24 Stunden Zyklen. Für die Berechnung der Laufzeit des pneumatischen Kompressors wurde von einem Druckluftnetz mit Aufbereitungsverluste, Leckage Verlusten und Aktor Verlusten gemäß Abbildung 1 ausgegangen. Abbildung 1: Energetische Verluste in einem Druckluftsystem 1 Der Normzylinder mit Vor- und Rücklauf hat einen Kolbendurchmesser von 40mm und wird bei einem Arbeitsluftdruck von durchschnittlich 6 bar betrieben. Unterberücksichtigung der technischen Daten des Zylinders und der energetischen Verluste, ergibt sich eine Kompressor Laufzeit von 16,21h pro Tag. Die Laufzeit der Elektromagneten beträgt genau die halbe Betriebszeit (12h pro Tag). Die Energiekosten werden auf Basis des Strompreises aus dem Jahr 2014 ermittelt. Dieser beträgt 8,44 2 Cent pro kwh. Es wird davon ausgegangen, dass die Linie 365 Tage in Betrieb ist. Pneumatischer Aktuator Elektromagnetischer Aktuator Laufzeit Kompressor (pro Laufzeit pro Magnet (pro 16,21 h 12 h Tag) Tag) Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme 960W 5.5 kw der Stellantriebe des Kompressors (el.) (20x48W el.) Energieverbrauch (pro Tag) 89,17 kwh Energieverbrauch (pro Tag) 11,52 kwh Energie INPUT (pro Jahr ) kwh Energie INPUT (pro Jahr) 4.197,5 kwh Energiekosten pro Jahr (Strompreis 8,44 Cent pro kwh) 2.746,97 Energiekosten pro Jahr (Strompreis 8,44 Cent pro kwh) 354,27 Tabelle 4: Vergleich Energieverbrauch sowie Energiekosten des pneumatischen und des elektromagnetischen Aktuator 1 Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE Ersatz von pneumatischen und hydraulische Antriebe durch Elektroantriebe Seite 4 von 5

5 3. TCO-Rechnung Der Vergleich der beiden Systeme zeigt, dass das elektromagnetische System zwar höhere Investitionskosten aufweist, aber bereits nach 1,3 Jahren aufgrund der wesentlich geringeren Betriebskosten das kostengünstigere System ist. Die Amortisationszeit berechnet sich, in dem der Mehraufwand aus den Investitionskosten durch den Mehraufwand durch die jährlichen Kosten geteilt wird. Pneumatisches System in [ /a] Elektromagnetisches System in [ /a] Investitionskosten 7.900, ,00 Mehraufwand Investitionskosten 3.100,00 Energiekosten pro Jahr 2.746,97 354,27 Mehraufwand Energie pro Jahr 2.392,70 Amortisationszeit 1,3 Jahre Tabelle 5: Berechnung Amortisationszeit bei der Investition in ein elektromagnetisches Stopper-System Für der Berechnung der Lebensdauerkosten werden die von dem Kunden geforderten 10 Millionen Schaltzyklen (3,2 Jahre) als Lebensdauer beider Systeme angenommen. Der Einsatz der 20 elektromagnetischen Aktuatoren über die Mindestlebensdauer führt zu einer Kosteneinsparung von 5.853,84. Sie haben Fragen zu unserer Beispielrechnung? Kontaktieren Sie uns! Daniel Guggolz Kendrion (Donaueschingen/Engelswies) GmbH August-Fischbach-Straße Donaueschingen Tel: daniel.guggolz@kendrion.com Seite 5 von 5