Produktiv zerspanen bei weniger Energieeinsatz

Fachleute schätzen, dass die in Deutschland installierten spanenden Werkzeugmaschinen einen Anteil von 10 bis 15% am Gesamtstromverbrauch haben. In einzelnen produzierenden Unternehmen können die Maschinen sogar einen Anteil bis zu 60% am Stromverbrauch haben. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist auch ein Untersuchungsergebnis des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt: Der Energieverbrauch innerhalb der Nutzungsphase einer Werkzeugmaschine kann bis zu 20% ihrer Lebenszykluskosten ausmachen.

Flott und flexibel zerspanen hatten bisher Priorität

Bei der Entwicklung und Konstruktion von spanenden Werkzeugmaschinen spielte der Energiebedarf bisher eine untergeordnete Rolle. Ziele der Entwicklungsingenieure waren vor allem hohe Fertigungsqualität, eine flotte Bearbeitungsgeschwindigkeit, hohe Zuverlässigkeit und eine relativ große Fertigungsflexibilität. Nicht zuletzt auch deshalb, weil Anwender bei ihren Kaufverhandlungen die Energieeffizienz nicht auf die Agenda gesetzt haben.

Das hat sich geändert, zunehmend rückt das Energiesparen ins Bewusstsein von Entwicklungsingenieuren, auch deshalb, weil die EU-Kommission die Werkzeugmaschinen als „Stromfresser“ ins Visier genommen hat und beabsichtigt, sie in Energieeffizienzklassen einzuteilen, wie es bereits bei einigen Konsumgütern der Fall ist. Inwieweit das sinnvoll und praktikabel ist, darüber lässt sich trefflich streiten. Unbetritten ist, dass sich ein beträchtliches Energieeinsparpotenzial erschließen lässt.

Stromhunger von Maschinen kann eingedämmt werden

Welche Stellschrauben bieten sich eigentlich an, um die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen zu steigern? Eine erkleckliche Anzahl, denn der Gesamtenergieverbrauch einer Maschine ergibt sich aus dem Verbrauch der vielen Komponenten, die die Werkzeugmaschinen am Laufen halten wie Hauptantrieb, Vorschubantriebe, Antriebe für Werkzeugwechselsystem, Zuführ- und Fördertechnik, Kompressoren und Pumpen zur Versorgung mit Kühlschmiermittel, Hydraulik und Druckluft, Schaltschrankkomponenten sowie die Versorgungseinrichtung für Kühlschmierstoffaufbereitung, Absaugung und Klimatisierung. Also ein großes Feld für Energiesparfüchse, um den Stromhunger von Maschinen einzudämmen und damit deren Energieeffizienz zu steigern.

„Bei Neuentwicklungen können auch die konsequente Reduzierung der bewegten Massen sowie die richtige Dimensionierung den Energieverbrauch und häufig auch die Herstellkosten reduzieren“, ist Andreas Jenke, Leiter Branchenvertrieb Werkzeugmaschinen im Geschäftsbereich Electric Drives and Control der Bosch Rexroth AG in Lohr am Main, überzeugt. Als weitere Möglichkeiten nennt er die zielgerichtete Bedarfsregelung von Hilfsantrieben, beispielsweise für die Hydraulik, sowie den Einsatz hocheffizienter Servomotoren und intelligenter, rückspeisefähiger Antriebe.

Energieeffizienz kann um bis zu 45% verbessert werden

Befragt, wie groß das gesamte Einsparpotenzial sein könnte, sagt Jenke: „Die Erfahrungen bei der Umsetzung solcher unterschiedlichen Maßnahmen, auch bei allen Automatisierungstechniken, zeigen, dass die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen um bis zu 45% verbessert und damit die Betriebskosten um bis zu 10% pro Jahr gesenkt werden können.“ Er setzt noch eins drauf: „Die energieeffiziente Antriebstechnik umfasst ein breites Spektrum an Produkten, Techniken und Lösungen, die, intelligent kombiniert, je nach Maschinentyp Einsparungen von mehr als 75% des Gesamtenergieverbrauchs ermöglichen.“

Dr. Sebastian Haupt, Projektmanager am MAG Tech Center in Schaffhausen/Schweiz, hält energieeffiziente Werkzeugmaschinen im Zusammenhang mit Total-Cost-of-Ownership-Kriterien letztendlich auch für ein gutes Verkaufsargument. Großes Einsparpotenzial, je nach Maschinenbetreiber, ließe sich seiner Auffassung nach auch durch energiesparende Stand-by-Schaltungen erschließen: „Bei einem Zwei-Schicht-Betrieb sollte die Maschine nicht die ganze Nacht angeschaltet bleiben. Voraussetzung dafür sind schnelle Hochlaufzyklen, so dass die Maschine kurzfristig betriebsbereit ist.“ Die Standby-Schaltung könne auch mehrstufig erfolgen, zunächst beispielsweise Abschaltung der Pumpen und Motoren, später der Steuerung. Späneförderer könnten im Intervall betrieben werden.

MAG setzt bei der Konstruktion von Werkzeugmaschinen konsequent auf Energiespartechniken. So wurde bei dem neuen Vertikal-Bearbeitungszentrum NBV 400 von MAG Hüller Hille, das auf der EMO Weltpremiere feiert, auf Hydraulikkomponenten verzichtet. Die Werkzeuge beispielsweise werden mit Tellerfedern gespannt und pneumatisch gelöst. Energieeffizienzsteigernd wirkt sich auch der sogenannte Eco-Mode aus, der, in Abhängigkeit von der gewählten Spareinstellung, die Geschwindigkeit und Beschleunigung auf maßgeschneiderte Werte reduziert, um so ein optimales Verhältnis zwischen Energieaufwand und Produktion zu erzielen.

Rund um die Maschine lässt sich weiteres Einsparpotenzial erschließen

Weiteres Einsparpotenzial lässt sich rund um die Maschine erschließen, zum Beispiel bei der Konstruktion von Schaltschränken, wie Dr. Joachim Maul, Leiter Forschung und Entwicklung Schaltschrank-Klimatisierung der Rittal RSC System Climatisation GmbH & Co. KG in Rennerod, an einem Beispiel belegt: „Bereits seit 2007 setzen unsere Kunden mit großem Erfolg Kühlgeräte der Cool-Efficiency-Reihe ein. Bei diese Kühlgeräten kommen beispielsweise EC-Lüfter und neueste Kompressoren zum Einsatz. Dies alleine ist jedoch nicht ausreichend. So wurden der Kältekreislauf und die Luftführung so optimiert, dass die Belastung der Komponente im Kühlkreislauf mit dem größten Energieverbrauch, dem Kompressor, weitgehend reduziert werden konnte.“ Das Ergebnis kann sich sehen lassen: „Bei Vergleichsmessungen in der Automobilindustrie konnte der Energieverbrauch um bis zu 45% bei gleichen Bedingungen reduziert werden“, konkretisiert Maul.

Die erste Generation dieser Geräte befindet sich im Markt, das Produktportfolio wird kontinuierlich erweitert. Freilich, nach wie vor ergibt sich die beste Einsparung, wenn man Kühltechniken vermeidet. „Dazu erforderlich ist allerdings im Vorfeld eine realistische Abschätzung der effektiv anfallenden Verlustwärme sowie der thermodynamischen Randbedingungen“, weiß Maul. Unabhängig davon sollten beim Design und Aufbau von Schaltschränken Fehler wie Wärmenester vermieden werden.

PTW forscht intensiv zum Thema Energieeffizienz

Wie die Beispiele zeigen, nimmt die energieoptimierte Werkzeugmaschine allmählich Gestalt an. Verbundprojekte, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, sollen die Entwicklung solcher Maschinen forcieren. Am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt laufen derzeit drei Verbundprojekte zur Energieeffizienzsteigerung: Innerhalb des Projektes „Energie MSP“ soll die Funktionsbaugruppe Motorspindel optimiert werden, der Bau einer Prototyp-Werkzeugmaschine mit den effizientesten auf dem Markt verfügbaren Komponenten und Aggregaten im Rahmen des Projekts „Maxiem“ soll Aufschluss geben über das derzeit erreichbare Einsparpotenzial, und im Projekt „E-Sim-Pro“ werden Modelle und Simulationssysteme erarbeitet, um bereits in der Konstruktionsphase den Energieverbrauch zu optimieren.