Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen

Lukas Weiss2011-05-18

2

inspire

AG = Initiative der Schweizer MEM-Industrie

Mitarbeitende IWF / inspire

87

hiervon inspire

proj.-finanz. 62

hiervon PhD

43 zus. external PhD

3

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

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

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

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

7

Energieeffizienz als Entscheidungskriterium

Einfluss der Energiekosten auf Investitionsentscheidungen

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

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

10

Energiebedarf teileseitig

Zerspanen– mit definierter Schneide (Drehen, Fräsen)– mit undefinierter Schneide (Schleifen)

Umformen

Quelle: R. Neugebauer, IWU Chemnitz, 2008

11

Energieprofil Werkzeugmaschine

Energieverbrauch im Betrieb ist bei Werkzeugmaschinen dominant!

Quelle: BAFU/Swissmem/Züst; Ecodesign Potenzialanalyse; 2009

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

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)

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

15

Messung 5-Achs-Bearbeitungszentrum I

Bearbeitung Turbinenteil; Meterdimension Maximale Leistungsaufnahme Peak ca. 60kW

16

Messung 5-Achs-Bearbeitungszentrum II

Bearbeitung Turbinenteil M01, M06: Steuerspannung aus

M03, M05: Steuerspannung ein

M02, M04: Bearbeitung

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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

18

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

19

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

20

Darstellung des Fertigungsprozesses

Fertigungsprozesse sind komplexe Abläufe mit vielen Ein-

und Ausgangsgrössen

Quelle: H. Schulz, Darmstadt, 1998

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

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

23

Leistungsverlauf im Prozess

19/41

Beispiele Drehen / Schruppen Schleifen

Markante Unterschiede in Bezug auf konstanten resp. variablen Leistungsanteil

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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Methodische Ansätze zur Fragestellung

Prozessbeschreibung, Prozessdiagramm

Zerspanungsenergie

Variabler / konstanter Leistungsanteil

Ineffizienzbetrachtung Abwärme

... Vergleichbarkeit von Energieeffizienz

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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

27

Energieeffizienz in der Fertigung

Ergebnis– Gleiches mit Gleichem vergleichen– Quantitative Beschreibung des Ergebnisses

– Zerspanungsvolumen

prozessabhängig– Wertschöpfung applikationsabhängig– Prozessleistung Beschreibung?

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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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Einsatzszenarien

Stand-by

gegenüber Prozesszeit bei verschiedenen Nutzungsarten am Beispiel eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums.

nach: Abele E. et. al. 2009

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

31

Funktionsbezogene Betrachtung I

nach: IWF ETHZ / Adam Gontarz

vgl. auch ISO WD 14955-1

32

Funktionsbezogene Betrachtung II

Trockenbearbeitung Drehen (links)

Laserschneiden (rechts)

Energiebetrachtung, keine anderen Ressourcen wie Hilfstoffe, Gase, etc.

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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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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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

37

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

39

Umgebung

Systemgrenze

Prozesszone, Maschinenzone, Systemgrenze

Maschinenzone:

Gestaltungsraum

Prozesszone:

Spezifikation

40

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.

43

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:weiss@inspire.ethz.ch