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Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen
Lukas Weiss2011-05-18
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2
inspire
AG = Initiative der Schweizer MEM-Industrie
Mitarbeitende IWF / inspire
87
hiervon inspire
proj.-finanz. 62
hiervon PhD
43 zus. external PhD
3
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3
Forschungsschwerpunkte
Schleifen, Honen, Läppen Zerspanung mit geometrisch undefinierten Schneiden
incl. Prozesssimulationsverfahren, Abrichttechnologien und zugehörigen Hybridprozessen
Optimierung von Werkzeugmaschinen Simulation als mechatronische
Systeme
incl. Steuerungstechnik und Bahnplanung, Energie-
und Ressourceneffizienz, messtechnische Analyse und Kompensationsverfahren
Generative Fertigungsverfahren Prozesse mit und ohne Pulverbett, incl. zugehöriger Steuerung und
Prozesssimulation, Qualitätssicherung, incl. reverse
Engineering
Fabrikplanung und Virtual
Reality Virtual
und Augmented
Reality
für die Digitale Fabrik
und das Digitale Produkt, Systeme für Fabrikplanung, netzbasierte Zusammenarbeit und Entwicklungsprozesse
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4
Ueberblick
Thema Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen
Eigenheiten des Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen
Methodische Ansätze zur Fragestellung
Vergleichbarkeit von Energieeffizienz
Methoden zur Effizienzsteigerung
Normen für die Energieeffizienz
Schlussbetrachtung
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5
Thema Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen
Bedeutung Energiefrage– Stromverbrauch Produktionsmaschine 10kW * 5‘000h = 50‘000kWh pro Jahr 0.1 CHF oder EUR pro kWh
5‘000 CHF oder EUR pro Jahr– Druckluftverbrauch 200 l/min = 12 m3/h entspricht 1.5 kW– Nebelabsaugung: Nachbehandlung der Abluft?– Zentrale Kühlwasserversorgung: Kühlleistungsbezug?– Wärmeabgabe an Umgebung: Hallenklimatisierung?
Ineffizienzkaskaden verhindern: Weniger Komponenten, einfachere Regelung
EUP, rechtliche Situation– Aktuell: Prüfung der Frage, ob Werkzeugmaschinen „Energy Using
Products“
im Sinne von 2005/32/EC nach der MEEUP-Methode
– Parallel dazu proaktive
Selbstregulierungsinitiative des CECIMO
Bessere Maschinen: Energieeffizienzte
Maschinen erzeugen weniger Abwärme.
Ecodesign eröffnet technologische Pfade, welche andere Eigenschaften verbessern können.– Höhere Präzision– Weniger Verschleiss– Bessere Arbeitsbedingungen
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6
Strompreisentwicklung
Entwicklung der Strompreise in Deutschland (Durchschnittswerte bei 3.900 kWh im Jahr; inkl. Steuern und Abgaben) nach Bundes-
ministerium
für Wirtschaft und Technologie
Kaufkraftbereinigte Strompreisentwicklung in der Schweiz
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7
Energieeffizienz als Entscheidungskriterium
Einfluss der Energiekosten auf Investitionsentscheidungen
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8
Thema Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen
Energiekosten in absoluten Zahlen nicht vernachlässigbar
Hypothese: Energiepreise steigen
EUP: Anwendung der Richtlinie 2005/32/EU möglich
Energieeffiziente Maschinen sind bessere Maschinen
... Eigenheiten des Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen
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9
Maschinen-
oder Teile-Lebenszyklus
Produktionsmaschine und 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.
machine
partR&D
ProductionEnd of life
10 years ++constructionR&D
End of life x years
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10
Energiebedarf teileseitig
Zerspanen– mit definierter Schneide (Drehen, Fräsen)– mit undefinierter Schneide (Schleifen)
Umformen
Quelle: R. Neugebauer, IWU Chemnitz, 2008
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11
Energieprofil Werkzeugmaschine
Energieverbrauch im Betrieb ist bei Werkzeugmaschinen dominant!
Quelle: BAFU/Swissmem/Züst; Ecodesign Potenzialanalyse; 2009
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12
Werkzeugmaschine Systembeschreibung
Machining
center
with
peripherals
(picture
from
EN 12417) 1 Part Handling, part
clamping
2 Tool Changer
3 Mist Collector
4 Lubricant
pump and filtering
5 Machining
spindle
6 Spindle
cooling
7 Axis
(linear, rotary)
8 Electrical
cabinet
with
cooling
9 Pneumatic
unit
10 Hydraulic
unit
1
23
8
7
75
4
7 1069
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13
Systemgrenzen, nach ISO TC 39 / WG 12
System boundary
Machine tool
Peripheral A
Electrical energy
Compressed air
Contaminated Air 2)
Cooled, filtered lubricant 3)
Note: Input of raw
parts, new
tools, new
lubricant, auxillary
substances
and output
of machines
parts, used
tools, chips
and any
other
aspects
not
to be
considered
if
it
does
not
represent
a relevant energy
flow
across
the system
boundary1) applies
to cases
with
liquid heat
exchangers
2) applies
to cases
without
internal
mist filtering3) applies
to cases
with
centralized
lubricant
management
only
Contaminated, hot lubricant 3)Peripheral B ....
Air exchange
Heat exchange 1)
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14
Messmethode
Simultane Messung und Aufzeichnung aller relevanten Energieflüsse– Elektrizität– Druckluft– Zentrale Kühlleistung / Kühlschmiermittel
Mehrkanalmesssystem– Evtl. mehrere Hauptanschlüsse– Detaillierung für einzelne Verbraucher
Messung in unterschiedlichen Zuständen– Betriebszustand der Produktionsanlage: Im Prozess, Einrichtbetrieb, etc. – Umgebungsbedingungen: Temperatur, Medienversorgung– Einsatzszenarien: Schichtdauer, Belastungsprofil
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15
Messung 5-Achs-Bearbeitungszentrum I
Bearbeitung Turbinenteil; Meterdimension Maximale Leistungsaufnahme Peak ca. 60kW
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16
Messung 5-Achs-Bearbeitungszentrum II
Bearbeitung Turbinenteil M01, M06: Steuerspannung aus
M03, M05: Steuerspannung ein
M02, M04: Bearbeitung
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17
Werkhalle
MachineTool 2 System boundary
Electrical energy Air exchange
Heat exchange
Machine tool 1
Periph. ....Periph.
Machine tool 2
Periph. ....Periph.
MachineTool 1 System boundary
Production Plant System Boundary
FuelCompressed Air Supply
Heating / Air conditionner
Central. Lubri- cant Supply
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Wärmehaushalt bei zerspanender
Fertigung
Fast alle zugeführte elektrische und pneumatische Energie wird in Wärme umgewandelt. Präzisionsfertigung bedingt geringe Temperaturunterschiede und –Schwankungen.
Bei traditioneller Bauweise (links) wird die Wärme direkt an die Umgebung abgegeben.
Bei geschlossenen Hauben (rechts) wird zusätzliche Energie benötigt, um die Wärme abzuführen. Moderne Maschinen sind noch weniger energieeffizient
Prozess- zone
MaschinenhaubeFabrikhalle
Prozess- zone
Maschinenhaube
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Eigenheiten des Energieverbrauchs von WZMs
Maschinen / Teilesicht Maschinenhersteller = Maschinensicht
Energieverbrauch im Betrieb ist dominant
Systemgrenzen umschliessen die produktionsnotwendigen Anlagenteile
Messmethode, Beispiel Bearbeitungszentrum– Simultane Messung aller Verbraucher– Leistungs-Zeit Diagramm, kumulative Darstellung– Mittelwertbildung für bestimmte Betriebszustände– Besondere Arten der Datenkonsolidierung
Moderne Bauformen weisen geringere Energieeffizienz auf
... Methodische Ansätze zur Fragestellung
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20
Darstellung des Fertigungsprozesses
Fertigungsprozesse sind komplexe Abläufe mit vielen Ein-
und Ausgangsgrössen
Quelle: H. Schulz, Darmstadt, 1998
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21
1 Part Handling
2 Tool Changer
Machining
Process 3 Mist Collector
5 Maschining
spindle
7 Axis4 Lubricant
Cooling
4 Lubricant
Filtering
Mist
Lubricant
Cooled filtered lubricant
Filtered lubricant
Contaminated lubricant
Electricity10 Hydraulic pressure
ToolRaw part
8 CNC/PLC
Hot air
10 Hydraulic pressure
9 Com-
pressed air
Electricity
6 Spindle
cooling
Electricity
1 Part Clamping
9 Com-
pressed air
Electricity
10 Hydraulic pressure
9 Com-
pressed air
Electricity
Electricity
4 Lubricant
Pump
Electricity
8 Cabinet
cooling
Machined part
Chips
Chips
Tool
Prozessdiagramm eines Bearbeitungszentrums
Process diagramm
is applicable
on turning
machines
accordingly
Electricity
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22
Zerspanungsenergie
Zerspanung mit effizientem Drehprozess – 10kW elektrisch variabel– 3 kW elektrisch konstant– 4 kW Druckluft konstant
Zerspanmenge
29.13kg-16.85kg=12.28kg 1.56 E6 mm3
Zerspanungsenergie
(variabler Anteil) 10‘000 W*450 s =4‘500‘000 J = 4.5 MJ
Spezifische Zerspanungsenergie 4.5 1E6 J / 1.56 1E6 mm3 = 2.9 J / mm3
Aber: Fertigungsprozesse mit hoher Wertschöpfung haben oft einen hohen konstanten Energieverbrauch und geringe Spanmengen („Effizienz“
5%).
Zum Vergleich:– Graue Energie Teil (16.85kg*17MJ/kg ) 285 MJ– Graue Energie Späne (12.28*17 ) 209 MJ
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23
Leistungsverlauf im Prozess
19/41
Beispiele Drehen / Schruppen Schleifen
Markante Unterschiede in Bezug auf konstanten resp. variablen Leistungsanteil
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24
Delta=E-Inefficieny
Input Energy
Input Energy
Input Energy
Input Energy
Input Energy
Delta=E-Inefficieny
Delta=E-InefficienyDelta=E-Inefficieny
Ineffizienzbetrachtung
LubricantSpeedCross sectionShapeTemperature/ToleranceFiltration
Tool Motion SpeedStiffnessMax. Force
Part ClampingForceTravelSensesMax. Force
Tool/Part MotionSpeedStiffnessPrecision
etc. etc.
LubricantSpeedCross sectionShapeTemperature/ToleranceFiltration
Tool Motion SpeedStiffnessMax. Force
Part ClampingForceTravelSensesMax. Force
Tool/Part MotionSpeedStiffnessPrecision
etc. etc.
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25
Methodische Ansätze zur Fragestellung
Prozessbeschreibung, Prozessdiagramm
Zerspanungsenergie
Variabler / konstanter Leistungsanteil
Ineffizienzbetrachtung Abwärme
... Vergleichbarkeit von Energieeffizienz
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26
TCO, Total Cost of Ownership, über 10 Jahre
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Lang Bain/DC mod.
ungeplante Instandsetzunggeplante Instandsetzungverminderte ProduktivitätOrganisatorische AusfälleProzesskostenKapitalkostenEnergiekostenPersonalkostenInbetriebnahmeMaschine
Angaben von Bain/DC: - bezogen auf Kostenblöcke von Lang - Verfügbarkeit Annahme 80%- Non-productive operating costs 10% unberücksichtigt
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27
Energieeffizienz in der Fertigung
Ergebnis– Gleiches mit Gleichem vergleichen– Quantitative Beschreibung des Ergebnisses
– Zerspanungsvolumen
prozessabhängig– Wertschöpfung applikationsabhängig– Prozessleistung Beschreibung?
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28
Besonderheiten des Effizienzvergleichs bei WZM
Analogie TCO: Vergleichbarkeit besteht bei der Erfüllung identischer Anforderungen
Probleme beim Vergleich – Grosse Vielfalt der Maschinen: 1600 Hersteller europaweit, noch mehr
unterschiedliche Maschinen, 400 Maschinenarten– Stark / leicht unterschiedliche Fertigungsprozesse– Konfigurierbarkeit, Veränderung der Maschine nach der Installation, überaus hohe
Lebensdauer (>10 Jahre)– Über die Rahmenbedingungen werden unterschiedliche Spezifikationen erfüllt– Fallweise schwierige Messung an den Systemgrenzen– Unterschiedliche Einsatzszenarien: Umrüsthäufigkeit, Schichtbetrieb, etc.
Vereinfachende Aspekte– Gleiche Komponenten in unterschiedlichen Maschinen– Gleiche Grundfunktionen– Ähnliche Gestaltungsgrundsätze
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29
Einsatzszenarien
Stand-by
gegenüber Prozesszeit bei verschiedenen Nutzungsarten am Beispiel eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums.
nach: Abele E. et. al. 2009
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30
Nutzen
Nutzungszeit im Kontext Verfügbarkeitsbetrachtung (aus Swissmem
TCO-Leitfaden)
Fertigung von Gutteilen Quantifizierbarer Nutzen
Einrichtbetrieb; Einfahren; Aufwärmen, Wartung Schwer quantifizierbarer Nutzen
Ausfallzeiten Ohne Nutzen
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31
Funktionsbezogene Betrachtung I
nach: IWF ETHZ / Adam Gontarz
vgl. auch ISO WD 14955-1
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32
Funktionsbezogene Betrachtung II
Trockenbearbeitung Drehen (links)
Laserschneiden (rechts)
Energiebetrachtung, keine anderen Ressourcen wie Hilfstoffe, Gase, etc.
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33
Testwerkstücke
Beispiel Testwerkstück nach Japanese
Draft
Standard TS B XXXX:0000
Was können Testwerkstücke leisten– Nachvollziehbarer Produktionszyklus auf einer bestimmten Anlage
Was ist problematisch an Testwerkstücken– Vergleich verschiedener Anlagen (die Geeignetste
schliesst am besten ab)
– Aussage über andere Betriebszustände
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34
Vergleichbarkeit von Energieeffizienz
Effizienz, messbarer Nutzen
Schwierigkeiten des Vergleichs– Einsatzszenarien– Nutzen von Nebenzeiten
Funktionsbezogene Betrachtung
Testwerkstücke– Standardisierter Nutzen– Implizite Funktions-
/ Konfigurationsbeschreibung
– Evtl. standardisierte Betriebszustände
... Methoden zur Effizienzsteigerung
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35
Analogie zu Sicherheitszielen
Mit der Erfüllung der Maschinenrichtlinie hat die Branche erfolgreich einen ähnlichen Prozess durchlaufen:– Die Zielvorgaben erfolgten durch den Gesetzgeber– Normengremien erarbeiteten die Lösungsvorschläge auf drei Stufen– Durch Respektierung dieser Normen können die Hersteller konforme Produkte in
den Markt bringen
Eine analoge Normenstruktur für Energieeffizienz kann wie folgt aussehen:– A Basic rules for energy
efficient
design (EED)
– B Components/modules
for EED– C Product specific rules for EED
Auf jeder Stufe besteht Forschungs-
und Entwicklungsbedarf. Beispielsweise können mit B-Normen die einschlägigen Hersteller dazu angehalten werden, die entsprechenden Komponenten auf den Markt zu bringen.
Der Zeitrahmen für einen solchen Prozess ist 10 Jahre. Angesichts des Produktlebenszyklus von 20 Jahren ist dies keineswegs langsam.
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Normen für Ecodesign
ISO/TR 14062:2000 Umweltmanagement
Integration von Umweltaspekten in Produktdesign und –entwicklung
Umfassender Ecodesign-Prozess
Ruft nach Spezifizierung für Produktkategorien, zur Verein-
fachung
der Anwendung
Japanische Vorschläge ISO/TC 39/WG 12
ISO WD 14955-1, -2, -3, -4
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ISO WD 14955 series
Metal cutting and metal forming machine tools, no woodworking machine tools
Focus: Machine tool in industrial production environment; used 8 hours a day, 5 days a week, or more energy consumption in use phase
ISO 14955-1, Eco-design methodology for machine tools Committee Draft in preparation
– Focus description – Definitions: Operating states– Functional description– Informative Annex: List of improvements and components
ISO 14955-2, Methods of testing of energy consumption of machine tools and functional modules
ISO 14955-3, Test pieces/test procedures and parameters for energy consumption on metal cutting machine tools
ISO 14955-4, Test pieces/test procedures and parameters for energy consumption on metal forming machine tools
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Umgebung
Systemgrenze
Prozesszone, Maschinenzone, Systemgrenze
Maschinenzone:
Gestaltungsraum
Prozesszone:
Spezifikation
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Bezugsrahmen für Effizienzbeurteilung
P_act: Current
value
P_impr: Improved
value with
face-lifting
type
measures
P_BAT
Best Available
Technology; applicable
in Re-Design
P_BNAT
Best Not Available
Technology: Technically
feasible, though
not
available
on the market
P_theor
Gross calculation
of power or
energy
due
to simplified
physics
P_act P_impr P_BAT P_BNAT P_theor
Example: Lubricant
pump 3 kW 2.7 kW 2.4 kW 1.2 kW 0.8 kW
Example: Part Clamping 450J 400J 200J 50J 10J
Type of modification Facelifting Re-Design Re-Think
EE-improving
process owner internal
R&Dinternal
companyexternal
supplier
Data availability/ reliability *** * ** * **
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Methoden zur Effizienzsteigerung
Analogie zu Sicherheitszielen
Ecodesign ISO TR 14062:2000
ISO WD 14955 Serie
Prozesszone, Maschinenzone, Systemgrenze, Umgebung
Bezugsrahmen zur Effizienzsteigerung
... Schlussbetrachtung
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Schlussbetrachtung
Werkzeugmaschinen sind applikationsgetrieben, mit variabler Nutzfunktion und einer hohen Diversität
Prozessen, deren komplette Beschreibung schwierig ist.
Dem Energieverbrauch wird bislang untergeordnete Bedeutung beigemessen.
Teile-
und Maschinensicht sind völlig unterschiedliche Betrachtungsweisen.
Bei definierten Systemen ohne hallenseitige Medienversorgung kann der Energieinput relativ einfach erfasst werden.
Der grösste Teil des Energieverbrauchs ist unabhängig von den Verfahrbewegungen.
Sicherheits-
und Arbeitsplatzanforderungen führen zu Ineffizienzkaskaden.
Testwerkstücke können nachvollziehbare Resultate erleichtern, sind aber problematisch für den Vergleich zwischen verschiedenen Produkten.
Für das Ecodesign bieten sich verschiedene Betrachtungsweisen an:– Funktionsbezogene Betrachtung– Ineffizienzbetrachtung– BAT/BNAT-Vergleiche
Energieeffiziente Maschinen sind bessere Produkte.
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit
inspire
AG für mechatronische
Produktionssysteme und Fertigungstechnik
http://www.inspire.ch
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung IWF
der ETH Zürich http://www.iwf.mavt.ethz.ch
Lukas Weiss mailto:[email protected]