Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen durch Optimierung der Technologien zum Komponentenbetrieb (EWOTeK)

Problemstellung
Steigende Energiekosten führen dazu, dass der Energiespargedanke in allen Bereichen der Industrie und daher auch für Werkzeugmaschinen eine nicht zu vernachlässigende Bedeutung einnimmt. Ein weiterer Anstieg der Energiepreise und damit auch ihres Anteils an den jährlichen Betriebskosten ist zu erwarten. Zusätzlich werden energieeffiziente Technologien mehr und mehr zum Verkaufsargument von Werkzeugmaschinen.

Projektziele
Ziel des Forschungsvorhabens war es daher, den Gesamtenergieverbrauch von Werkzeugmaschinen zu reduzieren. Dabei wurde auf der einen Seite durch die Entwicklung einer lernbasierten Lastermittlung und von abgestuften Standby Strategien der Gesamtenergieverbrauch einer Demonstrator-Werkzeugmaschine für verschiedene Betriebszustände optimiert. Auf der anderen Seite wurde die Energieeffizienz dieser Demonstrator-Werkzeugmaschine durch die Optimierung wesentlicher energieverbrauchender Komponenten, wie die Spindel, Hydraulik, Kühlung und Kühlschmierstoffaufbereitung sowie -bereitstellung weiter gesteigert.

Vorgehensweise
Trotz der Umsetzung erster Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen werden nach verschiedenen Untersuchungen und Studien mittelfristig noch Einsparpotenziale von bis zu 30 % als möglich erachtet. Insbesondere sind hinsichtlich der Transparenz des Energieverbrauches, der Dimensionierung von Werkzeugmaschinen sowie dem effizienteren Betrieb der Nebenkomponenten erhebliche Verbesserungsmöglichkeiten vorhanden. Für eine genauere Quantifizierung der Energieeinsparpotenziale wurden zunächst grundlegende Messungen zum dynamischen Leistungsverbrauch von Werkzeugmaschinen und ihrer wesentlichen Komponenten durchgeführt. Die Messungen bildeten eine Grundlage sowohl zur Entwicklung einer lernbasierten Lastabschätzung und eines Konzepts für abgestufte Standby-Betriebsarten als auch zur Optimierung ausgewählter Maschinenkomponenten. Im Einzelnen zielte die technologische Komponentenoptimierung auf die Einführung bedarfsorientierter Kühlkonzepte, energiesparender Hydraulikkonzepte, einer bedarfsgerechten Schmierung von Spindellagern, einer verbrauchsorientierten Kühlschmierstoffaufbereitung und -bereitstellung und einer verbesserten, feldorientierten Regelung in Asynchronantrieben für Maschinenspindeln ab.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Anhand der Optimierung einer Demonstrator-Werkzeugmaschine wurden die Ergebnisse veranschaulicht. Somit enthält der Demonstrator zahlreiche Bestandteile, die die Wirksamkeit der umgesetzten Lösungen aufzeigen. Optimierungsmaßnahmen und ihre Auswirkungen, die am Demonstrator untersucht wurden, sind beispielsweise die bedarfsgerechte Bereitstellung der benötigten Maschinenkühlleistung mittels einer aus Sicht der Energieeffizienz optimierten Maschinenkühlung mit digitalem Scroll-Verdichter, die Ausrüstung der Motor-Pumpen-Systeme der Kühlschmierstoff-Bereitstellungsanlage mit druckgeregelten Frequenzumrichter-Systemen, die Minimierung der hydraulischen Verlustleistung mittels Booster oder mittels drehzahlvariablem Pumpenantrieb mit verschiedenen Druckspeichern sowie die feldorientierte Regelung der Maschinenspindel. Die Steigerung der Energieeffizienz der Demonstrator-Werkzeugmaschine wird mittels eines exemplarischen Prüfwerkstücks, das typische Bearbeitungsoperationen der Demonstrator-Werkzeugmaschine abbildet, dargestellt. Für dieses exemplarische Prüfwerkstück konnte im Projekt eine Energieeinsparung von 30 % aufgezeigt werden.
Ein Großteil der beispielhaft durchgeführten Komponentenoptimierungen kann auf andere Werkzeugmaschinenkonzepte und Anwendungsfelder übertragen werden.

• BKW Kälte-Wärme-Versorgungstechnik GmbH
• Bosch Rexroth Aktiengesellschaft
• Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH
• Index-Werke GmbH & Co. KG Hahn & Tessky
• Knoll Maschinenbau GmbH
• RWTH Aachen
• Siemens Aktiengesellschaft