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Energieeffizientes Bearbeitungszentrum - ENERGIEEFFIZIENZ - ib-konkret

Energieeffizientes Bearbeitungszentrum

Wie sollte ein energieeffizientes Bearbeitungszentrum ausgerüstet sein?

Es gibt keinen Standard für eine energieeffiziente Maschinenauslegung. Deshalb ist es notwendig die bestmögliche Energieeffizienz an der Produktionsaufgabe und dem Produktionsumfeld auszurichten. Ein Bearbeitungszentrum in der Großserienproduktion mit geringen Rüstzeiten ist hinsichtlich der Energieeffizienz nicht mit einer Maschine im Formen- oder Werkzeugbau zu vergleichen. Ideal wäre die Auswahl der Energieeffizienzkomponenten anhand einer Lebenszykluskostenbetrachtung vor Tätigung einer Neuinvestition. Dies ist jedoch mit einem sehr hohen Aufwand in Zeit, Ressourcen und Daten verbunden. Oftmals ist die Neuinvestition in einem sehr kurzen Planungszeitraum zur Umsetzung zu bringen. Hinzu kommt, dass der Aufwand für eine Lebenszykluskostenbetrachtung bei Neuinvestionen von Einzelmaschinen nicht in Relation zur erreichbaren Einsparung steht. Alternativ führen wir eine Abschätzung auf Grundlage von Theorie und Praxis durch.

Der Einsatz folgender Komponenten und Ausrüstungen sollte vor einer Neuinvestition in ein Bearbeitungszentrum geprüft werden:

Antriebsmotor

Bei den Antriebsmotoren ab 7,5kW sind ab 2015 Motoren der Energieeffizienzklasse IE3 oder IE2 in Verbindung mit einem Frequenzumrichter einzusetzen. In Bearbeitungszentren kommen Motoren in diesem Leistungsbereich hauptsächlich in Kühlmittelhochdruckanlagen und Hydraulikaggregaten vor. Auch unabhängig des Einsatzes von IE2-Motoren über 7,5kW sollte immer der Einsatz eines Frequenzumrichters geprüft werden. Der Vorteil eines Einsatzes von Frequenzumrichtern liegt in der Verbesserung des Systemwirkungsgrad bei variabler Drehzal und Last. Drehstrommotoren mit einem hohen Anlaufstrom sollten mit einem Sanftstarter ausgerüstet werden. Dies reduziert die Lastspitzen, die Motorerwärmung bei Taktantrieben und schont die Mechanik. Grundsätzlich sollte jeder Motor so ausgewählt werden, dass er bezogen auf seine Kennlinie im optimalen Leistungspunkt arbeitet. Um dies sicherzustellen ist eine praxisnahe Prozessauslegung notwendig.
Die lineare Antriebstechnik birgt viele Vorteile in sich. Jedoch zählt die Energieeffizienz in den meisten Anwendungen nicht zu den Vorteilen. Deshalb ist immer genau zu prüfen, ob ein Bearbeitungszentrum mit Linearantrieben in der ganzheitlichen Betrachtung die langfristig richtige Wahl ist.

Motorspindel

Die Motorspindel ist das Herzstück eines Bearbeitungszentrums. Die optimale Auslegung und Auswahl der Motorspindel ist entscheidend über die zukünftige Produktivität der Maschine. Als signifikanter Verbraucher benötigt eine Motorspindel elektrische Energie zur Umwandlung in Bewegungsenergie. Die Verluste sind herbei sehr stark vom optimalen Betriebspunkt abhängig. Die Kenntnisse über die vorgesehenen Bearbeitungsprozesse hat somit Einfluss auf die optimale Spindelauswahl und stellt dadurch ein wichtiges Einsparpotenzial dar. Leistungsstarke Motorspindeln werden meist wassergekühlt. Hier sollte die Nutzung der Abwärme innerhalb der Maschine geprüft werden. Eventuell kann diese zur Temperierung des Maschinenbetts oder des Kühlschmierstoffs verwendet werden. Die Aufgabe der Werkzeugspannung wird i.d.R. mit Federpaketen sichergestellt die beim Werkzeugwechsel über hydraulische Zylinder betätigt werden. Bei Maschinen die für Bearbeitungsaufgaben mit wenig Werkzeugwechseln eingesetzt werden, könnten alternativ elektrisch betätigte Spanneinheiten eingesetzt werden. Dadurch könnte die energieintensive hydraulische Ausstattung entfallen. Zuletzt kommt bei Premiumspindel noch Druckluft zum Einsatz. Dabei werden die Spindellager mit Sperrluft beaufschlagt, um das unerwünschte Eindringen von Fremdstoffen in die Lager zu vermeiden. Zusätzlich wird Druckluft oftmals zum Ausblasen des Werkzeugkonus und zum Freiblasen der inneren Kühlmittelzufuhr genutzt. Bei all diesen Druckluftaufgaben sollte in Verbindung mit der Blasdauer und des Druckniveau auf eine druckluftsparende Auslegung geachtet werden.

Steuerungskomponeten

Bei den Maschinensteuerungen hat sich die Energieeffizienz in den letzten Jahren sehr verbessert. Jedoch nicht jeder Maschinenhersteller setzt diese energieeffizienten Komponenten ein. Grundsätzlich sollte darauf geachtet werden, dass die Maschine ein Minimum an kapazitiver und induktiver Blindleistung aufweist. Im anderen Fall sollte eine integrierte Blindleistungskompensation zum Einsatz kommen. Dadurch können Kosten der zu bezahlenden Blindleistung vermieden, das Versorgungsnetz entlastet und im schlimmsten Fall auf eine stationäre Blindleistungskompensationsanlage in der Fertigung verzichtet werden. Bei der Energierückspeisung sollte auf eine netzverträgliche Technologie mit einem guten Rückspeisungswirkungsgrad geachtet werden. Dadurch reduzieren sich Wärmeverluste und damit verbundene Kühlaufwendungen. Ebenso sollten Schaltnetzteile mit einem hohen Wirkungsgrad zum Einsatz kommen.
Die sogenannten „Stand-by-Module“ zur zeitintervallgesteuerten Abschaltung bieten die Möglichkeit, ausgewählte Maschinenkomponeten in unproduktiven Fertigungsphasen abzuschalten. Der Einsatz dieser Module ist im Vorfeld sinnvoll zu Planen um den Fertigungsbetrieb und die Maschinenproduktivität nicht zu gefährden. In unseren Projekten können wir den wirtschaftlichen Einsatz simulieren und eine Empfehlung über den Einsatz aussprechen. Ebenso sollte darauf geachtet werden, dass im Praxiseinsatz die tatsächlichen Abschaltzeiten dokumentiert werden, sodass diese im Nachhinein oder auch im Rahmen eines Energiemanagementsystems ausgewertet werden können. So können die tatsächlichen Einsparungen aufgezeigt werden.

Druckluft

Die Druckluft gehört in der Herstellung und Bereitstellung zu den teuersten extern zugeführten Medien eines Bearbeitungszentrums. Wegen der Funktionssicherheit von Glasmaßstäben und der Motorspindellagerungen kann auf Druckluft (Sperrluft) meist nicht verzichtet werden. Wichtig und sinnvoll ist die zeitversetzte Abschaltung der verlustbehafteten Sperrluft. Mittlerweile gibt es Bearbeitungszentren am Markt die mit einem Druckniveau unter 5bar sicher betrieben werden können. Bei Neuplanungen mit ebenso neuer Druckluftinfrastruktur birgt dies ein großes Einsparpotenzial bei der Drucklufterzeugung und Bereitstellung. Pneumatikventile sollten über eine geringe Spulenleistung verfügen (z.B. 8W-Technik), wodurch die Schaltleistung der Steuerungsausgangsmodule reduziert werden kann. Die Notwendigkeit von Drucklufthandpistolen am Rüstplatz und/oder am Bearbeitungsraum ist jeweils zu prüfen. „Druckluft ist kein Allheilmittel“ – viel mehr sollte die Notwendigkeit für den Einsatz von Druckluft überprüft und ggfs. abgestellt werden. Wichtig ist auch eine regelmäßige Überprüfung der Maschine auf Druckluftleckagen.

Hydraulik

Die Hydraulik wird hauptsächlich für das Lösen der Werkzeugspannung innerhalb der Motorspindel und zur Verriegelung der Paletten beim Einsatz eines Palettenwechslers benötigt. Hinzukommen kann die Option zum Spanen von Werkstücken durch eine Vorrichtung auf der Palette. Alle drei Aufgaben können mittlerweile auch elektromechanisch bewältigt werden. Jedoch hat dies aktuell noch höhere Taktzeiten zur Folge. Wenn an der Hydraulik festgehalten wird, sollte auf ein niedriges Druckniveau geachtet und ein energieeffizientes Hydraulikaggregat verwendet werden. Dies kann erreicht werden durch den Einsatz frequenzgeregelter Pumpen, Hydraulikbooster oder einer Speicherladeschaltung.

Kühlschmierstoff

Die Kühlschmierstoffversorgung und –aufbereitung zählt neben der Druckluftversorgung zu den energieintensivsten Versorgungsmedien eines Bearbeitungszentrums. Die Potenziale in der Kühlschmierstoffeinsparung sind sehr stark von der Prozess- und Werkzeugauslegung abhängig. Die Möglichkeiten sind sehr vielfältig und können an dieser Stelle nicht ausführlich behandelt werden. Aus unserer Praxis wissen wir, dass die ganzheitliche Prozessbetrachtung unumgänglich ist, um nicht im Nachhinein vor neuen Problemen zu stehen.

Kühlung

Die Maschinenkühlung hat drei Einflussgrößen – die Wirkungsgrade der bei der Maschine eingesetzten Komponenten, die Prozessauslegung und die Umgebungsbedingungen. Wenn diese Einflussgrößen optimal sind, führt dies zu einer Reduzierung der notwendigen Kühlleistung oder im Idealfall zum Entfall der Maschinenkühlung. Wenn dies nicht möglich ist, sollte immer geprüft werden, ob die Wärme in vor- oder nachgelagerten Prozessen Verwendung finden kann.

Welchen Nutzen hat das Planungsbüro konkret?

Wie man sieht, gibt es viele Möglichkeiten zur Energieeinsparung an einem Bearbeitungszentrum. Wichtig ist die ganzheitliche Betrachtung um ein Gleichgewicht zwischen Energieeffizienz, Qualität und Wirtschaftlichkeit erreichen zu können. Der Blick aus der Praxis über das Umfeld in den Prozess ist unumgänglich. Dafür stehen wir in unseren Projekten. Nicht außer Acht lassen sollte man die Fördermöglichkeiten bei Investitionen in energieeffiziente Bearbeitungszentren, auch bei bereits vorhandenen Maschinen in Form einer Überholung. Wir erstellen Ihnen die notwendigen Gutachten für die Antragsstellung oder treiben Ihre Investitionsprojekte von der Idee bis zum Produktionsstart. Haben wir Ihr Interesse geweckt? Dann rufen Sie uns an!