Effiziente Produktion: Wege zur ressourcenoptimierten Werkzeugmaschine. Lukas Weiss

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1 Effiziente Produktion: Wege zur ressourcenoptimierten Werkzeugmaschine Lukas Weiss

2 inspire! Prof. Dr. Konrad Wegener ETH Zürich IWF " inspire ist das hochschulnahe Kompetenzzentrum für die Schweizer Maschinenindustrie, betreibt Forschung für die Industrie und entwickelt Methoden, Prozessen und Technologien in allen Wissensgebieten rund um die Fertigungstechnik. " 80 Personen, davon 35 Doktorierende arbeiten für inspire und IWF. " 2

3 inspire Schleifen geometrisch unbestimmte Schneide" Fräsen, Drehen geometrisch bestimmte Schneide" Lasermaterialbearbeitung" EDM Electrical discharge machining" Hybridprozesse" Mikrobearbeitung" Generative Verfahren"..." 3

4 inspire Soll Lage, Geschwindigkeit, Beschleunigung Geschwindigkeit CTC Regelung X + + P PI Maschine Modell Kraft Geschwindigkeit ist Lage ist Medizinische " Fertigung" Simulation von Maschinen" Prüfen, Kalibrieren, Kompensieren, Messen" Steuerung- und Bahnplanung" Fabrikplanung und Virtual Reality" Composite " Structures" Ressourceneffizienz"..." 4

5 Zerspanende Fertigung Common Rail Diesel Einspritzsystem Zylinderkopf 1800bar à Kugellagerstahl Komplettfertigung ab Schmiederohling mit einer 12-Stationen Rundtaktmaschine 5

6 Maschinen- oder Teile-Lebenszyklus Produktionsmaschine und produziertes Teil haben je einen Lebenszyklus. Eine Energiebetrachtung kann sich auf das Teil oder auf die Maschine beziehen. Ihre Wege schneiden sich einmal, in der Produktion. part R&D R&D machine construction Production End of life 10 years ++ End of life x years 6

7 Energieprofil Werkzeugmaschine Energieverbrauch im Betrieb ist bei Werkzeugmaschinen dominant! Quelle: BAFU/Swissmem/Züst; Ecodesign Potenzialanalyse;

8 Mengengerüst Werkzeugmaschinen EU: 1 Mio. moderne (CNC) Werkzeugmaschinen in Betrieb, weitere 2 Mio. einfachere Maschinen Hochrechnung Fraunhofer IZM im Auftrag der EU: Werkzeugmaschinen EU Verbrauch 90 TWh CO2 im EU Mix à 45 Mio. t (entspricht CH-Gesamtemission) CH Produktion ca Werkzeugmaschinen pro Jahr Exportanteil Schweiz >80% à Hauptauswirkung des Energieverbrauchs im Ausland Einzelne Maschine 1-2 Schicht Betrieb, 10 Jahre lang, 10kW Leistungsaufnahme à 12 h * 220 d * 10 j * 10 kw = kwh 0.15 CHF pro kwh à * 0.15 CHF CHF ß à Maschinenanschaffung CHF à Energieverbrauch ist relevant à Energiekosten sind bedeutend, aber nach Aussagen der Anwender nicht entscheidend 8

9 Darstellung des Fertigungsprozesses Quelle: H. Schulz, Darmstadt,

10 Wofür braucht eine Werkzeugmaschine Energie Kein thermischer Prozess, sondern kalter Schnitt Schneiden erzeugt Reibung Die zugeführte Energie wird in Wärme umgewandelt Kühlschmiermittel schmiert und kühlt Wärme Abluft Elektrische Energie Weitere Versorgung Factory & Facilities Prozess Zone Werkzeugmaschine Wärmeabfuhr 10

11 Messung Bearbeitungszentrum Bearbeitung eines armgrossen Frästeils mit Freiformflächen Maximale Leistungsaufnahme Peak ca. 60kW, Durchschnitt 10kW, starke Fluktuation 11

12 Leistungsverlaufsmessungen Grosse Drehmaschine: Trockenbearbeitung, druckluftgekühlt! (links) Grosse Schleifmaschine: Kühlschmierfunktionen dominant (rechts) à Situationsbeurteilung, nach über 20 ausgemessenen Werkzeugmaschinen: Es gibt immer Verbesserungspotenzial, aber jedes Mal an einem anderen Ort. à Kein regelbasiertes Vorgehen: Systemspezifische Optimierung 12

13 Optimierungspotenzial Gruppierung der Leistung Leistung zur Aufbringung der direkten Prozessenergie, für die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück à Gut abgestimmte und hochwertig geregelte Subsysteme à Geringes Potenzial Leistung für prozessabhängige Funktionen, zum Beispiel zur Konditionierung der Prozesszone durch Kühlschmiermittel oder zur thermischen Stabilisierung von Maschinenkomponenten, die direkt von der Prozessenergie beeinflusst werden, wie eine Spindelkühlung. à Grosser Leistunganteil, konstanter Betrieb oder einfache Niveauregler, Leistungsreserve wegen unbekannter Anwendungen, schlechte Abstimmung à Grosses Potenzial Leistung für die prozessunabhängigen Bereitschaftsfunktionen wie Steuerung, Maschinensicherheit, Hydraulik zur Werkstück- und/oder Werkzeugklemmung und dergleichen. à Konstanter Betrieb, zum Teil mit schlechtem Wirkungsgrad (z. B. Druckerhalt) à Fallweise grosses Potenzial 13

14 Energieoptimierung komplexer Systeme Langer Betrachtungszeitraum Energie weder dominant noch vernachlässigbar Unbekannte Variation während des Betrachtungszeitraums Systemgrenzen schwierig festzulegen und: je fairer, umso aufwändiger Verbesserungspotenzial nicht einfach und nicht regelbasiert erkennbar Sich auf die Komplexität einlassen à Fokus bilden à Machbarkeit berücksichtigen à Verbesserungen realisieren 14

15 Einsatzszenarien I Verbrauchs- und Effizienzbeurteilung bedingt ein Einsatzszenario. Leistung Beobachtungszeitraum = 1 Woche Einrichten Prozess Nachtabschaltung Unterhalt Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit 15

16 Einsatzszenarien II Stand-by gegenüber Prozesszeit bei verschiedenen Nutzungsarten am Beispiel eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums. nach: Abele E. et. al

17 Quantifizierung von Energieeffizienz Ergebnisquantifizierung Testteil Referenzprozess Spezifische Zerspanungsenergie (E pro Volumen) Prozessleistung (verfügbare Leistung geteilt durch zugeführte Leistung) 17

18 Funktionsbezogene Betrachtung I Main machine tool functions Machining (machine process / motion / control) Process cooling and conditioning Tool and part handling Machine cooling and conditioning Waste handling Machine components 24 V supply 230V supply E/R module supply Monitoring module CNC Total Chip conveyor Pulse lubrication Mist collector Hydraulic pump Fluid application pump Spindle cooling pump Cooling fan 1 Cooling fan 2 Fan E/R module CNC air-conditioning 1 CNC air-conditioning 2 Compressed Air nach: IWF ETHZ / Adam Gontarz vgl. auch ISO DIS

19 Funktionsbezogene Betrachtung II Trockenbearbeitung Drehen (links) Laserschneiden (rechts) Energiebetrachtung, keine anderen Ressourcen wie Hilfstoffe, Gase, etc. Aufwändige Messung Standardisierung in ISO DIS

20 Modellierung 20

21 Simulation mit Emod: Resultate Gute Vorhersage der relevanten Leistungsanteile aufgrund der Komponentenspezifikation Forschungsziel: Verknüpfung mit dem thermischen Modell der Maschine Simulation Messung IWF ETHZ / Simon Züst 21

22 Energieeffizienz: Handlungsfelder 22

23 Danke für Ihre Aufmerksamkeit inspire AG für mechatronische Produktionssysteme und Fertigungstechnik Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung IWF der ETH Zürich Lukas Weiss 23