Werkzeugmaschinen Wege zur Energieeffizienz Energieeffizienz in der Metallbearbeitung Prof. Dr.-Ing. B. Denkena, Dipl.-Ing. Lars Hülsemeyer Detmold, 23.05.2012 Leibniz Universität Hannover, IFW Stand: 05/2012
Gliederung Produktionstechnik an der Leibniz Universität Hannover Energiebedarf von Werkzeugmaschinen Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz Verbundprojekt NCplus Leerwegoptimierung Adaptive Vorschubsteuerung Energielabel für Werkzeugmaschinen Ausblick Seite 2
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Produktionstechnik an der Leibniz Universität Hannover Seite 4
Ausstattung des Produktionstechnischen Zentrums Hannover Personal ca. 270 wissenschaftliche Mitarbeiter ca. 170 Techniker und Verwaltungsangestellte ca. 400 studentische Hilfskräfte ca. 800 Studierende Maschinen und Geräte Hochwertige Werkzeugmaschinen und Anlagen Modernste Messmittel und -geräte, REM, Labore Reinraum (350 qm, Klasse 100) Gesamtwert ca. 50 Mio. Gebäude ca. 22.000 qm Nutzfläche für Bürogebäude, Versuchshallen, Hörsaal, Seminarräume, Bibliothek, Mensa etc. Seite 5
Arbeitsgebiete des IFW Fertigungsverfahren Komponenten Maschinenstrukturen Fertigungsplanung und -organisation Seite 6
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Energieverteilung von Werkzeugmaschinen DMU 340 P Industrielle Serienfertigung von Kupferteilen 21,2 kw DMC 80 H duoblock Testprogramm unter Laborbedingungen 9,1 kw 24% 7% 16% 1% 7% 8% 10% 5% 22% 1% 4% 21% 24% 6% 17% 27% Hauptspindel Vorschubantriebe Hydraulik KSS Kühlwasser-Aggregat Schaltschrank-Kühler Sonstige Drucklufterzeugung Ölnebelabsaugung Hü/69252 Seite 8
Energieverteilung von Werkzeugmaschinen DMU 340 P Industrielle Serienfertigung von Kupferteilen DMC 80 H duoblock Testprogramm unter Laborbedingungen ca. 2/3 Grundlast der nicht direkt wertschöpfend tätigen Nebenaggregate 6,5 kw 2,3 kw 14,7 kw 6,8 kw Hauptantriebe Peripherie Hü/69253 Seite 9
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Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz Nebenaggregate laufen oftmals autark, also unabhängig vom Betriebszustand der Maschine Einsparung durch bedarfsgerechten Betrieb der Aggregate Die dominierende Grundlast wird während der gesamten Bearbeitungsdauer aufgebracht Einsparung durch Verkürzung der Bearbeitungszeit Time is money and energy Hü/69254 Seite 11
Verbundprojekt NCplus : Das Energiesparprogramm für Werkzeugmaschinen Hü/62837 Seite 12
Leistung Integriertes Prozesswissen Analysemodul nutzt CAM CutS: Cutting Simulation Prozesswissen wird durch Simulation von Maschinenkinematik und Zerspanprozess generiert Zerspanmodell berechnet das jeweilige Zerspanvolumen und die Spindelleistung Ermöglicht Umsetzung vorgegebener Energiesparstrategien, z.b. lastbasierte Vorsteuerung des Kühlaggregats Messung Simulation Zeit Hü/62833 Seite 13
Intelligenter Fluidschrank (Beispiel) Das Modell des Kühlkreislaufs berechnet die Leistungsaufnahme in Abhängigkeit der Last Mit dem Modell werden weiterführende Regelungsstrategien unterstützt Der neu entwickelte, drehzahlgeregelte Lüfterkühler verbrauchte während der Test-Bearbeitung mit Messerkopf nur ca. 640 W Leistungsaufnahme ist im Vergleich zum Kompressorkühler um bis zu 70% geringer Vorlauftemperatur liegt nur 5 K über Umgebungstemperatur [Quelle: Hydac] Spindelmodell - Kühlaggregat Da/62450 Seite 14
Effiziente NC-Achse In konventionellen Maschinen hält der Vorschubmotor stillstehende Achsen in Position und wendet hierfür Energie auf Entwicklung einer spielfreien Haltebremse zur mechanischen Klemmung und Abschaltung nicht bewegter Achsen Lohnenswerter Einsatz bei Vertikalachsen, Einsparung hängt stark vom NC-Programm ab Erhöhung der dynamischen Steifigkeit im geklemmten Zustand N10 G1 X40 M20 N20 G0 Y245 N30 G1 X10 M21 N40 G0 Z52 NC- Programm [Quellen: Mayr, Bosch Rexroth, HYDAC] Steuerung inkl. Analysemodul Hydraulik Bremse Hü/62858 Seite 15
Leerwegoptimierung spart ebenfalls Energie Werkzeugbahn Anwendung: Fräsen der Leibniz-Büste Gottfried Wilhelm Leibniz Konventionelle CAM-Bahnplanung Optimierte Bahnplanung Konventionelle CAM-Bahnplanung erfolgt in logischen Sequenzen Optimierung von Leerwegen führt zu kürzeren Gesamtwegen der Achsen Die sich ergebende, kürzere Bearbeitungszeit senkt den Energiebedarf der Werkzeugmaschine pro Werkstück Achse Reduzierung X 17.1% Y 24.7% Z 38.4% A 59.3% C 79.1% Reduzierung der Wege Hp/51237 Seite 16
Adaptive Feed Control zur Zeiteinsparung Heidenhain AFC Durch Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit kann der Vorschub bei Luftschnitten und Absätzen mit geringerer Schnitttiefe erhöht werden Kürzere Bearbeitungszeit v f Die Adaptive Feed Control (AFC) der itnc 530 von Heidenhain vergleicht eine angelernte Spindelleistung mit der Vorschubgeschwindigkeit Die Vorschubgeschwindigkeit wird in vordefinierten Grenzen variiert Bei Unterschreitung einer Mindestgrenze der Vorschubgeschwindigkeit schaltet die Steuerung ab, so kann z.b. Werkzeugverschließ detektiert werden [Quelle: Heidenhain] Seite 17
Bearbeitungszeit AFC: Messung bei einer Kupferzerspanung 80,00 min 60,00 40,00 20,00 0,00 Plan- und Walzfräsen Quernut vorfräsen Quernut fertigfräsen Längsnut fertigfräsen Summe ohne AFC mit AFC Zeitersparnis von 11,6%, Energieeinsparung von 4% [Quelle: KME] Seite 18
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Energielabel für Werkzeugmaschinen EU: Politische Motivation für einen Kennwert als Vergleichskriterium CECIMO: Selbstverpflichtungserklärung in Diskussion JMTBA: Vorschlag für ein einheitliches Testwerkstück Einzelner Kennwert deckt nicht die Vielseitigkeit von Maschinen und Prozessen ab [Quellen: DMG, JMTBA] Hü/69255 Seite 20
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Ausblick Hersteller Anwender Struktur und Komponenten: Leichtbau Minimierung oder Vermeidung von Reibung Minimalmengenschmierung Vermeidung von Überdimensionierung Ggf. Alternativkonzepte zu Hydrauliksystemen Steuerungstechnik: Stand-By-Modi Bedarfsgerechter Betrieb (z.b. Drehzahlregelung) Monitoring (Transparenz) [WEMAG AG] Fertigungsprozess: Erhöhung der Zerspanrate Reduzierung der Nebenzeiten Fertigungsplanung: Verkürzung und Neuordnung von Prozessketten Energiemanagement- Systeme Maschinenauswahl: Vermeidung von Überdimensionierung beim Kauf von Maschinen Hü/69256 Seite 22
Das IFW - Ihr Partner rund um die Fertigungstechnik Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) Produktionstechnisches Zentrum Leibniz Universität Hannover An der Universität 2, 30823 Garbsen http://www.ifw.uni-hannover.de Danksagung Dipl.-Ing. Lars Hülsemeyer Tel. +49 511 762-19795 Fax. +49 511 762-5115 huelsemeyer@ifw.uni-hannover.de Seite 23
Literatur Denkena, B.; Möhring, H.-C.; Hackelöer, F.; Hülsemeyer, L.; Dahlmann, D.; Augenstein, E.; Nelles, J.; Grigoleit, A.: Effiziente Fluidtechnik für Werkzeugmaschinen, wt Werkstattstechnik online, Jahrgang 101 (2011) H. 5, Seite 347-352. Denkena, B.; Möhring, H.-C.; Böß, V.; Dahlmann, D.; Hülsemeyer, L.: Effizienz durch integriertes Prozesswissen, ZWF, 017 (2012) 1-2, Seite 39-42. Garber, T.; Gronbach, H.: Analyse und Bewertung der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen, Tagungsband Nachhaltige Produktion, Hannover 2011. Garber, T.; Weise, C.: Werkzeugmaschinen effizient steuern, Nachhaltige Produktion, Jahrgang 2, Ausgabe 2, 2011, Seite 38-40. Denkena, B., Böß, V.: Technological NC Simulation for Grinding and Cutting Processes Using CutS. (2009) In: Proceedings of the 12th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, Volume II, May 7-8, 2009, Donostia-San Sebastián, Spain, S. 563-566. Denkena, B., Böß, V., Hoppe, P.: (2011): Optimization of non-cutting tool paths, Proceedings of the 13th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, May 12-13, 2011, Sintra, Portugal, Advanced Materials Research Vol. 223, S. 911-917. Seite 24