Energieeffizienz in der Produktion unter Berücksichtigung des Prozesses und der Bearbeitungsmaschine

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1 Energieeffizienz in der Produktion unter Berücksichtigung des Prozesses und der Bearbeitungsmaschine Univ.Prof. DI Dr. F. Bleicher 17. Januar 2011 DI (FH) Christoph Dorn MSc. DI Ulrich Renger DI Stefan Brandstetter Institut für Fertigungstechnik Labor und Hochleistungslasertechnik für Produktionstechnik Seite 1

2 Organisation und Forschungsbereiche Institut t für Fertigungstechnik t ik und Hochleistungslasertechnik Vorstand: Univ.Prof.Dr. F. Bleicher Forschungsbereich h Forschungsbereich h Spanende Fertigungstechnik Laser- und Umformtechnik Univ.Prof.Dr. F. Bleicher N.N. Produktionsmesstechnik u. Qualität ao.univ.prof. Dr. N. Durakbasa Rechnerintegrierte Fertigung ao.univ.prof. Dr. B. Kittl Produktionstechnik Univ.Prof. Dr. F. Bleicher Intelligente Produktionssysteme ao.univ.prof. Dr. B. Katalinic Laser- und Umformtechnik ao.univ.prof. Dr. G. Liedl Produktionsqualität Produktionsmesstechnik Nanometrologie GPS - Geometrische Produktspezifikation NC-Steuerungstechnik Mechatronik Fertigungsleittechnik Produktionsplanung und -steuerung Automatisierungstechnik Technologie Spanende Fertigung Werkzeugmaschinen Handhabungsgeräte gg Produktionssystemanalyse und Gestaltung Layoutplanung Anlagenkonzepte Robotik Technologie - Innovation Laserbearbeitung laserunterstütztes Umformen Laser- und Optikentwicklung p p g Präzisionsmesslabor ao.univ.prof. Dr. N. Durakbasa Labor für Labor für Labor für Laserund Produktionstechnik Fertigungstechnik Umformtechnik DI J. Bernreiter ObRat Dr. R. Mertz ao.univ.prof. Dr. G. Liedl Seite 2

3 Agenda 1 Einleitung it 2 Modellhafte Analyse 3 Energieeinsatz im Bearbeitungsprozess 4 Energieeffiziente Bearbeitungsmaschine 5 Zusammenfassung Seite 3

4 Energieverbrauch im Fahrzeug-Lebenszyklus Emissionen in Höhe von 31 Tonnen CO 2 -Äquivalenten für einen Golf 1,4 TSI Span Energieerzeugung Energieübertragung Energiewandlung 40% 85% 5 20% Verwertung; Herstellung; 04% 0,4% 17,2% Gesamtwirkungsgrad: 1,7% 6,8% Kraftstoffbereitstellung; 15,1% Kraftstoff; 67,3% Quelle: Der Golf Umweltprädikat Seite 4

5 Energieeinsatz von Bearbeitungsprozessen Elektrische Energie stellt 30% des industriellen Gesamtenergieverbrauchs dar Ressourcenverbrauch und Prozessemissionen Oxidation Signifikanter Einfluss auf die Umwelt entlang der Technologiekette Bearbeitungsprozesse mit geringer Prozessrate weisen ein hohes Einsparpotenzial an erforderlicher elektrischer Energie auf Erforderlic che elektrisch he Energie [J /cm 3 ] Funkenerosives Bohren Metallaufdampfen Laserschneiden CVD Wasserstrahlschneiden Zerspanung Drahterodieren Spritzgießen Schleifen Trend zu energieintensiveren Prozessen Prozessrate [cm 3 /s] Quelle: Gutowski et al. Seite 5

6 Produktionsanlage als mechatronisches System Basismaschine Materialtransport Model- lierung Maschinenbau Infor- matik Hauptspindel Roboterzelle Stangenlader Sensorik Aktuatorik Elektrotechnik Gegenspindel Linearachse Rundachse Schaltschrank Gesamtsystem Prozeßrechentechnik Werkzeugwechsler Zerspan nungsprozess s / Maschinen nraum Portal Späneförderer Medienversorgung Materialtransport Kühlschmierstoff Pneumatik Hydraulik am Beispiel der spanenden Fertigung Werkstückwechsler Ölabscheider Seite 6

7 Agenda 1 Einleitung it 2 Modellhafte Analyse 3 Energieeinsatz im Bearbeitungsprozess 4 Energieeffiziente Bearbeitungsmaschine 5 Zusammenfassung Seite 7

8 Ebenenbasierte Energiebetrachtung Direkte Energie (DE): wird idvom Produktionsprozess benötigt (z.b. Spanen, Umformen, ) Theoretische Energie (TE): physikalisch minimaler Energiebedarf für den Prozess Nebenenergie (NE): erforderlicher Energiebedarf zur Unterstützung des Prozesses (z.b. Kühlmittelpumpe, Spannzylinder, ) Vorgelagerte Prozesse Direkte Energie (DE) Produktion Nachgelagerte Prozesse Handhabung / Transport / Fertigungsverfahren (Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten, Stoffeigenschaft ändern) Prozess 1 Prozess 2 Prozess n TE 1 A NE 1 A Bereich 1 (z B Kühlmittelpumpe IE 1 Indirekte Energie (IE): wird von der Peripherie benötigt (z.b. Beleuchtung, Heizung, ) Fabrik A A TE 2 NE 2 A Infrastruktur Indirekte Energie TE NE n A n A Bereich m IE m Lager A Energie von Produkt A TE i A NE i A IE i A Quelle: Rahimifard, S. et al. Seite 8

9 Betrachtung des Energieverbrauchs auf Zeitebenen Top-Down-Ansatz zur Identifikation von Hauptverbrauchern Verdichtung der Daten über Schichtmodell Berücksichtigung von kontextbezogenen Energiedaten zur Identifikation von Verbrauchsmustern Tagesbezogener Energieverbrauch IE i A Tage Auftragsbezogener Energieverbrauch Energieverbrauch für wertschöpfende und nichtwertschöpfende Zeiten Energieverbrauch auf Prozessebene Auftrag 2 Auftrag 4 Auftrags 1 Auftrag 3 Auftrag 5 nicht-wertschöpfend wertschöpfend nicht-wertschöpfend IE Stunden NE Sekunden NE i A i A TE i A i A TE i A Millisekunden Seite 9

10 Aktuelle Energieeffizienz-Projekte am IFT Projekt INFO Interdisziplinäre Forschung zur Energieoptimierung von Fertigungsbetrieben Projekt Eco2Cut Ökologische und ökonomische Betrachtung von Prozess, Material und Maschine Seite 10

11 Agenda 1 Einleitung it 2 Modellhafte Analyse 3 Energieeinsatz im Bearbeitungsprozess 4 Energieeffiziente Bearbeitungsmaschine 5 Zusammenfassung Seite 11

12 Prozessseitige Betrachtung des Wirkungsgrads Haas T2 Achsen X, Y, Z Anschlussleistung [kva] 6,4 Drehbereich XxZ [mm] 203x1.219 Eilgang X x Z [m/min] 1,9 x 3,8 Max. Drehzahl [U/min] Gewicht [t] 3 Werkzeughalter: Mitsubishi SSSCR2020K12 Wendeschneidplatten: ATORN SPMW Dicke s 4,76 mm Freiwinkel α 11 Länge l 12,7 mm Keilwinkel β 79 Eckenradius r 08mm 0,8 Spanwinkel γ 0 Eckenwinkel ε 90 Einstellwinkel κ 45 Neigungswinkel λ 0 unbeschichtet m 2,299 mm Material AlSi9Cu3 C45E Inconel 718 Festigkeiten Parameter R m = 180 N/mm² R p0,2 = 130 N/mm² E-Modul = 65 kn/mm² Brinellhärte = 90HB R m = 700 N/mm² R p0,2 = 400 N/mm² E-Modul = 210 kn/mm² Brinellhärte = 250HB R m = 1200 N/mm² R p0,2 = 760 N/mm² E-Modul = 208 kn/mm² Brinellhärte = 300HB f = 0,5 mm/u f = 0,5 mm/u f = 0,05 mm/u v c = m/min v c = m/min v c = m/min a p = 2mm a p = 2mm a p = 2mm Seite 12

13 Optimierungspotenziale unterschiedlicher Technologien 1 High Performance Cutting: Steigerung des Zeitspanvolumens durch Vergrößerung des Spanungsquerschnitts (Vorschub und Schnitttiefe) 2 High Speed Cutting: Steigerung des Zeitspanvolumens durch Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit 3 4 Konventionelle Bearbeitung Drehmoment [Nm] Leistung [kw] Leistung f, a p 1 HPC 3 Drehmoment HSC 4 2 v c Drehzahl [n] Seite 13

14 Energieeinsatz bei einer Werkzeugmaschine Analyse des Energieverbrauchs einer Traub 65/80 D bei der Heidelberger Druck AG 63% der für den Betrieb notwendigen Gesamtenergie benötigt die Werkzeugmaschine 5% der Gesamtenergie geht in den Spanbildungsprozess Reinigung Beleuchtung 1% Filter 6% 3% Ventilation, Raumklima 14% Absaugung 3% Transport 5% Zerspanung 5% Werkzeugmaschine 63% Quelle: PTW Seite 14

15 Agenda 1 Einleitung it 2 Modellhafte Analyse 3 Energieeinsatz im Bearbeitungsprozess 4 Energieeffiziente Bearbeitungsmaschine 5 Zusammenfassung Seite 15

16 Energetische Betrachtung von Bearbeitungszentren Hermle C20U Mori Seiki NMV 5000 Haas VF3SS Achsen X, Y, Z, A, C X,Y, Z, A, B X,Y, Z Anschlussleistung [kva] Max. Drehzahl [U/min] Gewicht [t] 6, Maschine in Regelung/ betriebsbereit Spindelhochlauf auf U/min, Bremsen Seite 16

17 Energieeffiziente Pneumatikkomponenten Pneumatisch Hybrid Elektrisch hohe Energiedichte hohe Energiedichte geringer Energieverbrauch unkompliziertes Medium geringe Eigenerwärmung Steifigkeit kein Energieverbrauch im Stillstand Fahrprofile Fahrprofile geringe Investitionskosten keine Erwärmung unter Kraft ruckfreie Bewegungen hohe Dynamik möglich Bis zu 70% weniger Energie durch Verzicht auf Überdimensionierung Bis zu 20% geringere Anschaffungskosten Beispiel: Palettierung eines Automobilteils mit 12kg um eine Strecke von 0,5m im 3 Sekundentakt (bei 1s Transportzeit): Klassische Auslegung Optimierte Auslegung Sicherheitsfaktor >> 50% 20% Einkaufspreis Energieverbrauch 195 kwh/jahr 60 kwh/jahr Quelle: Festo Seite 17

18 Optimierungspotentiale bei Werkzeugmaschinen Steuerungsoptimierung Verzögerung der Spindelbeschleunigung Wake-up- und Warm-up-Optionen Adaption der Prozessgeschwin- digkeit an Werkzeuglimitierung Maschinenauslegung Leistungsspitzenregelung, Positionierung und Palettenwechsel durch elektro-mechanische anstatt hydraulische Hilfsantriebe Einsatz von Wälzführungen anstatt von Gleitführungen Antriebstechnik rückspeisende Antriebe Blindleistungskompensation optimale Antriebsauslegung drehzahlgesteuerte Antriebe Einsatz von Antrieben ab IE2 Energieverbrauch im Standby-Betrieb um bis zu 60% reduzieren 20% Energieeinsparung durch adaptive Vorschubregelung Strukturoptimierung bessere Dynamik durch Reduzierung bewegte Massen Gewichtskompensation bei vertikalen Achsen bis zu 50% Gewichtsreduzierung Seite 18

19 Zusammenfassung Im Rahmen von zwei Forschungsprojekten werden am IFT Methoden zur Reduzierung von Energiekosten in der Produktion erarbeitet. Hierzu finden Untersuchungen auf Prozess-, Maschinen- und Fabrikebene statt. Bisherige Untersuchungen zeigen, dass die für den Bearbeitungsprozess erforderliche Energie im Vergleich zur gesamten Produktionsmaschine (Antriebe, Kühlung, Schmiermittel, ) itt verhältnismäßig äßi gering ist. Hohe Einsparpotenziale im Bereich von energieeffizienten Antrieben und gezielt abschaltbaren Nebenaggregaten. g Optimierung und Auswahl von Antriebssystemen bieten Einsparpotenziale. (Einsatz von rückspeisefähigen Modulen) Optimierung von Maschinenbaugruppen und der kinematischen Struktur. (Massenreduktion) Insbesondere innovative Maschinenkonzepte bieten hohes Potenzial zur Produktivitätssteigerung. Ressourcenschonung durch rekonfigurierbare Maschinensysteme. Seite 19

20 Kontakt Institut für Fertigungstechnik u. Hochleistungslasertechnik Karlsplatz 13/ Wien Austria Tel.: +43-(0) Fax: +43-(0) Homepage: Seite 20