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Werkzeuge Wege zu höherer Energieeffizienz in der Zerspanung

| Autor / Redakteur: Eckehard Kalhöfer und Jochen Kress / Rüdiger Kroh

Energie wird immer teurer. Aus der Analyse des Energieverbrauchs von spanenden Werkzeugmaschinen und den darauf laufenden Zerspanungsprozessen lassen sich konkrete Ansätze für die Steigerung der Energieeffizienz ableiten, wobei ein Schwerpunkt auf der Optimierung von Werkzeugen und Zerspanprozessen liegt.

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Bild 1: Die Mikro- und die Makrogeometrie von Werkzeugen bieten Optimierungsmöglichkeiten, um den Energieverbrauch im Zerspanprozess zu reduzieren.
Bild 1: Die Mikro- und die Makrogeometrie von Werkzeugen bieten Optimierungsmöglichkeiten, um den Energieverbrauch im Zerspanprozess zu reduzieren.
(Bild: Mapal)

Die Nutzung von Energie ist für modernes Produzieren und Wirtschaften unumgänglich. Das globale Bevölkerungswachstum, die steigende Lebensqualität und das Wirtschaftswachstum sind Treiber eines weiter steigenden Energieverbrauchs. Auf der anderen Seite steht die begrenzte Verfügbarkeit von Energieträgern wie Kohle, Öl oder auch Biokraftstoffen. Die steigende Nachfrage nach Energie bei gleichzeitiger Begrenzung führt zu langfristig steigenden Energiepreisen. Vor diesem Hintergrund ist die Energieeffizienz von Produktionsprozessen ein Technologietreiber, der auch in Zukunft eine moderne Produktion ermöglicht. Aber wie und mit welchen Stellhebeln kann die Energieeffizienz in der spanenden Fertigung ganz konkret verbessert werden?

Betrachtet man den Energieverbrauch der Werkzeugmaschine inklusive der Kühlschmierung, können unterschiedliche Ansatzpunkte für eine Steigerung der Energieeffizienz definiert werden:

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  • die Optimierung der Werkzeugmaschine und ihrer Komponenten hinsichtlich des Energieverbrauchs;
  • die Minimierung der Maschinenlaufzeit durch Abschalten in produktionsfreien Zeiten;
  • die Optimierung des Zerspanprozesses und der dafür verwendeten Werkzeuge (Bild 1).

Drehzahlgeregelte Pumpen verringern Energieverbrauch des KSS-Aggregats

Der Energieverbrauch der eigentlichen Produktionsmaschinen hat in vorwiegend spanenden Großserienfertigungen typischerweise einen Anteil von 80 % des Gesamtverbrauchs [1, 2]. Die Kühlschmierstoffversorgung nimmt dabei einen Anteil von etwas über 50 % ein. Weitere große Anteile am Energieverbrauch haben die Maschinenkühlung, der Antriebsstrang und die Hydraulik. Der Energieverbrauch von Kühlschmieraggregaten kann vor allem durch eine bedarfsgerechte Bereitstellung des Kühlschmiermittels – also durch drehzahlgeregelte Pumpen – verringert werden. Dadurch lässt sich die Energieaufnahme des KSS-Aggregats teilweise um 60 % verringern [3]. Der Energiebedarf der Gesamtmaschine kann in diesem Beispiel allein durch die Optimierung der Kühlschmierung um 30 % gesenkt werden.

Spanende Werkzeugmaschinen haben typischerweise einen Hauptzeitanteil von etwa einem Drittel oder weniger. Die restliche Maschinenlaufzeit ist Wartezeit und Zeit für Einstellungen und Werkzeugwechsel [4]. Daraus ergeben sich zwei Folgerungen für die Energieeffizienz. Während dieser nicht produktiven Zeiten sollten verzichtbare energieaufwendige Komponenten durch automatische Stand-by-Manager abgeschaltet werden. Durch diese Maßnahme können teilweise über 20 % der Gesamtenergie der Werkzeugmaschine eingespart werden [3].

Einsparpotenziale durch Werkzeug- und Prozessoptimierungen prüfen

Die bisher angesprochenen Energieeinsparpotenziale können zum großen Teil nur realisiert werden durch den Kauf neuer, energieeffizienzoptimierter Werkzeugmaschinen. Die Investition in eine solche Maschine lohnt sich in der Regel nur, wenn ohnehin eine Ersatzbeschaffung ansteht. Angesichts der großen Anzahl an vorhandenen Werkzeugmaschinen in Deutschland und ihrer langen Lebensdauer müssen aber auch Einsparpotenziale durch Werkzeug- und Prozessoptimierungen mit den derzeit vorhandenen Maschinen geprüft und realisiert werden.

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