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rexroth News

A Bosch Company

Mehr Effizienz für Werkzeugmaschinen (FA)

Die Werkzeugmaschinenbranche tickt schneller als andere – und das muss sie auch. Denn sie steht zeitlich gesehen an erster Stelle von Entwicklungsprozessen, die z.B. zu neuen Handys oder energiesparenden Motoren für Kraftfahrzeuge führen. Ohne geeignete Werkzeugmaschinen würden es viele Produktideen nicht zur Markt- und Serienreife bringen. Eine weitere Anforderung an Werkzeugmaschinen entsteht im Zuge steigender Energiekosten und klarer politische Vorgaben für den CO2-Ausstoß: Energieeffizienz. Ein Kriterium, das bei Investitionsentscheidungen zunehmend an Bedeutung gewinnen wird. Moderne Steuerungs- und Antriebstechnik kann dazu beitragen, den Energieverbrauch von Werkzeugmaschinen deutlich zu senken.

Der Strombedarf der Industrie verursacht rund ein Drittel der europäischen CO₂-Emissionen, mit der Fertigung als Hauptverbraucher. So erzeugt die maschinelle Bearbeitung in einem typischen Tier 1 Zulieferwerk mit spanender Fertigung rund 84 Prozent der CO₂-Emissionen des gesamten Werks. Energieeffizienter produzieren, ohne dass die Produktivität darunter leidet, ist eine zentrale Herausforderung für Hersteller und Betreiber von Maschinen gleichermaßen.
Die Energieeffizienz einer Maschine ist das Ergebnis aus dem Zusammenspiel verschiedener Faktoren und zum Teil auch Antriebstechnologien. Das gilt vor allem, wenn wie bei Werkzeugmaschinen verschiedene Antriebstechnologien als Multitechnologielösung zusammen arbeiten. Für die Analyse von Prozessen ist deshalb ein technologieübergreifendes Verständnis hilfreich.

Systematische Analyse als Basis

Als Anbieter aller Antriebs- und Steuerungstechnologien weiß Bosch Rexroth, wie sich die Potenziale in der Elektrik, Hydraulik, Mechanik und Pneumatik nutzen lassen und kann auch Wechselwirkungen berücksichtigen. Da sich Einsparpotenziale nicht immer auf den ersten Blick erschließen, ist eine systematische Vorgehensweise empfehlenswert, um alle Faktoren zu berücksichtigen. Isolierte Einzelmaßnahmen sind zudem insbesondere bei komplexen Systemen nur wenig erfolgversprechend.
Mit Rexroth 4EE (for Energy Efficiency) hat das Unternehmen eine eigene Systematik entwickelt. Diese setzt vier Hebel an, um unter Einbeziehung aller Technologien und für alle Maschinentypen die Energieeffizienz über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine oder Anlage deutlich zu steigern.
Der erste Hebel besteht in der systematischen Gesamtbetrachtung der kompletten Automatisierung mit Projektierung, Simulation und Beratung, sowohl in der Erstkonstruktion als auch bei Modernisierungen (Energy System Design). Energieeffiziente Produkte und Systeme mit optimiertem Wirkungsgrad (Efficient Components) bieten einen weiteren Ansatz. Effiziente Servomotoren zählen ebenso dazu wie dezentrale Antriebe, bei denen kürzere Kabel die Energieverluste in Grenzen halten. Den dritten Hebel (Energy Recovery) stellen Rückgewinnung, Speicherung und Nutzung bislang ungenutzter Energien dar. Zu guter Letzt ermöglicht die Bedarfsregelung (Energy on Demand) z.B. in Form von drehzahlvariablen Pumpenantrieben besonders hohe Einsparungen.

Optimierung von Taktzeit und Energieverbrauch

Es ist zu beobachten, dass bei deutschen Industrieunternehmen der Druck  steigt, sich intensiver mit dem Energieverbrauch ihrer Produktionsprozesse auseinanderzusetzen. Basis einer energetischen Optimierung sind die Betrachtung des gesamten Automatisierungskonzepts einer Maschine sowie exakte Messungen, um den Energieverbrauch zu ermitteln.
Diese umfassende Aufgabe können sich Konstrukteure unter Zuhilfenahme von Softwaretools in Kombination mit der Maschinensteuerung erleichtern. Bosch Rexroth nutzt die zunehmende Elektrifizierung von Maschinen und hat zwei Softwaretools entwickelt, die direkt in den NC-Kern der CNC-Steuerung integriert sind und so direkten Zugriff auf alle relevanten Daten der Werkzeugmaschine haben.
Das Taktzeitanalyse-Tool IndraMotion MTX cta (Cycle Time Analyzer) bietet einen Überblick über Maschine und Prozess und ermöglicht es Betreibern, die Bewegungsabläufe anwendungsspezifisch zu optimieren und damit auch die Taktzeit deutlich zu reduzieren. IndraMotion MTX ega (Energy Analyzer) stellt den Energieverbrauch von Prozessabschnitten, Maschinenkomponenten und verwendeten Werkzeugen dar. Ändern sich Werkstückmaterial, Verschleiß der Werkzeuge oder Hilfs- und Schmierstoffe, macht ein Vergleich anhand von Trenddiagrammen den Energieverbrauch transparent. Auf der HMI-Oberfläche sieht der Maschinenbetreiber eine einfache Übersicht über den Energieverbrauch, aufgegliedert nach Spindel-, Achsantrieben und Nebenaggregaten.
In Millisekunden-Auflösung zeichnen beide Softwaretools Bewegungsdauer und Energieverbrauch jedes NC-Satzes auf. Der Programmierer erhält mit MTX cta/ega erstmals eine Datenbasis, auf der er das NC-Programm gezielt optimieren und zusätzlich durch eine verbesserte Bewegungsführung die Zykluszeit verkürzen kann. Zusätzlich berücksichtigt MTX cta/ega Hilfsaggregate für die Hydraulik- oder Kühlschmiermittelversorgung. Die Aufzeichnung verläuft rückwirkungsfrei: Sie hat keinen Einfluss auf die Echtzeitfähigkeit der Systemlösung. Die Aufzeichnungs- und Analysefunktionen des Softwaretools eignen sich für alle CNC-Fertigungstechnologien.

Komponenten mit optimiertem Wirkungsgrad und Energie-Rückgewinnung

Idealerweise wählen Konstrukteure bei der Neukonstruktion einer Maschine bereits energieeffiziente Komponenten. Unternehmen wie Bosch Rexroth schreiben den Entwicklern für alle Neuentwicklungen und Produktüberarbeitungen eine verbesserte Energieeffizienz im Pflichtenheft. Daher umfasst das Portfolio in allen Antriebs- und Steuerungstechnologien im Wirkungsgrad optimierte Komponenten. So erreichen Axialkolbenpumpen der neuesten Generation Wirkungsgrade von deutlich über 93 Prozent. Zusätzlich verhindern bei Hydraulikventilen Stecker mit Pulsweitenmodulation den Energieverbrauch durch Leistungsreduktion nach Durchschalten des Ventilmagneten.
Hydraulische Speicher-Lade-Schaltungen nutzen die hohe Leistungsdichte der Hydraulik und sammeln Energiereserven für die Kurzzeit- und den Aussetz-Betrieb. Dadurch kann das Aggregat für definierte Zeiten in einen Stand-by-Modus geschaltet werden und so den Energieverbrauch deutlich senken. Zur Energierückgewinnung tragen auch elektrischen Antriebe bei: IndraDrive-Antriebe von Rexroth verfügen über ein neuartiges Verfahren zur Energierückgewinnung. Je nach Bedarf puffert das System die Energie, stellt sie anderen Achsen zur Verfügung oder speist sie ins Netz zurück.

Nur so viel Leistung wie nötig

Besonderes energieintensiv sind hydraulische Antriebslösungen. Sie sind aber aufgrund ihrer Vorteile – hohe Kraftdichte auf kleinem Raum – aus vielen Anwendungen wie im Automotive Bereich nicht wegzudenken. Abhilfe versprechen moderne Automatisierungskonzepte, die Hydraulik mit Elektrik kombinieren. Auf diese Weise ist eine Bedarfsregelung bisheriger Konstantantriebe an Pumpen und Lüftern möglich, die den Energieverbrauch deutlich reduziert.
Drehzahlvariable Pumpenantriebe wie Sytronix von Rexroth vereinen eine hydraulische Konstantpumpe mit einem elektrischen Antrieb. Sie kommen in Werkzeugmaschinen für die Erzeugung des hydraulischen Drucks zum Einsatz. Ein Frequenzumrichter senkt die Drehzahl des Pumpenmotors energiesparend ab, sobald der Prozess nicht die volle Leistung abruft. Je höher der Anteil des Teillastbetriebs an der Zykluszeit, je mehr Energie lässt sich damit sparen.
Der Einsatz der Energie sparenden Hydraulik ist denkbar einfach: In den Best-in-Class-Reglern hat das Unternehmen sein umfangreiches Hydraulikwissen bereits hinterlegt. Es stehen Sytronix-Sets für verschiedene Bewegungsaufgaben zur Verfügung. Somit können Konstrukteure die einbaufertigen und vorkonfigurierten Lösungen schnell und ohne Aufwand in ihre Engineeringumgebungen integrieren, ohne sich mit den Details der Programmierung auseinandersetzen zu müssen.
Konstrukteure senken mit Sytronix bei mindestens gleicher Produktivität den Stromverbrauch der Hydraulik um bis zu 80 Prozent. Zusätzlich reduzieren sie die mittlere Geräuschemission um bis zu 20 dB (A) und steigern die Lebensdauer des Hydraulikmediums durch einen geringeren Wärmeeintrag.

Stand-by-Zustände nutzen

Eine wichtige Stellschraube ist auch die Nutzung von energiesparenden Stand-by-Zuständen, in denen alle Verbraucher mit Ausnahme der Steuerung abgeschaltet sind. Verbrauchsmessungen zeigen, dass eine typische Werkzeugmaschine bis zu 55 Prozent der Energie allein für die Fertigungsbereitschaft verbraucht. Auch während der Produktion benötigt die Maschine nicht ständig alle Antriebe und Aggregate. Kaskadierende Stand-by-Modi können den Verbrauch senken. Dabei schaltet die Steuerung in Abhängigkeit von Ruhezeiten oder Zykluscharakteristik Aggregate in den Stand-by-Modus und fährt sie bedarfsgerecht wieder hoch.

Maximale Produktivität durch kurze Zykluszeiten und höchste Maschinenverfügbarkeit ist heute nur die halbe Miete, wenn es darum geht, die Effizienz einer Werkzeugmaschine zu beurteilen. Die effiziente Nutzung von Energie darf dabei nicht außen vor bleiben. Moderne Antriebs- und Steuerungstechnik trägt heute entscheidend dazu bei, den Energieverbrauch von Werkzeugmaschinen zu senken, bei mindestens gleichbleibender Maschinenleistung.

Autor:

Bosch Rexroth AG

Verantwortlich für den Inhalt dieser Pressemitteilung: Bosch Rexroth AG

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