Prozess- und wertschöpfungsorientiert gesteuerte Werkzeugmaschine (NCplus)

Problemstellung
In den vergangenen Jahren haben sich die Energiekosten mehr und mehr als wichtiger Kostenfaktor erwiesen, nicht nur für Betreiber von besonders energieintensiven Anlagen, wie z. B. Induktionsöfen, sondern auch für die Anwender von Werkzeugmaschinen [Quelle: VW-Studie]. Großanwender wie die Automobilhersteller gehen dazu über, diese „Life Cycle Costs (LCC)“ in ihrer Investitionsplanung verstärkt zu berücksichtigen, kleinere Anwender ziehen bereits nach. Im Umfeld gesamtgesellschaftlicher Anstrengungen zur Reduktion des CO2-Ausstoßes in den Industriestaaten fällt zudem immer mehr der Blick auch auf den bislang eher wenig beachteten Sektor der Investitionsgüter und Fertigungsanlagen.
Die bisher verfolgten Ansätze zur Energieeinsparung, wie Leichtbau, Rückspeisung von Bremsenergie oder Einsatz von energieeffizienten Motoren, sind im Werkzeugmaschinenbau bereits flächendeckend umgesetzt, so dass darin kaum noch Potential zur Steigerung der Energieeffizienz liegt.

Ziel
Über die oben genannten Maßnahmen hinaus sollten im Verbundvorhaben NC+ weitergehende Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen entwickelt werden. Dabei sollte eine Energieeinsparung von 30% bei einer typischen Bearbeitung auf einer Universal-Fräsmaschine erreicht werden.

Vorgehensweise
Es wurden verschiedene Maßnahmen verfolgt. Eine Maßnahme war die Realisierung eines integrierten Fluid- und Thermikkonzept, das eine prozessabhängige und bedarfsgerechte Maschinenkühlung und Versorgung mit Kühlschmierstoff ermöglicht. Es wurde eine besonders effiziente Frässpindel entwickelt, die auf einem höheren Temperaturniveau betrieben werden kann und dadurch die Entwicklung eines effizienten Kühlkreislaufs erst ermöglicht. Ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt war die effiziente Parametrierung und Ansteuerung der NC-Achsen. Diese können dank einer entwickelten schnellen Haltebremse auch während der Bearbeitung im Stillstand gezielt abgeschaltet werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Entwicklung eines übergeordneten Energiemanagements, mit dem die Maschine gezielt in verschiedene Stand-By-Modi überführt werden kann. Durch die Weitergabe von Prozessinformationen vom CAM-System an die Maschine kann die Steuerung zudem bedarfsgerecht auf die Anforderungen des jeweiligen Prozesses reagieren.
Grundlage der Untersuchungen waren Messungen der Energieflüsse bei typischen Prozessen. Anhand eines Prototyps und der Bearbeitung eines Referenzwerkstücks wurde die Wirksamkeit der Maßnahmen nachgewiesen.

Ergebnisse und Anwendungspotential
Jede der untersuchten Maßnahmen führte beim Referenzprozess zur Einsparung von Energie, so dass das Projektziel von 30% Einsparung sogar übertroffen wurde. Allerdings ist das Einsparpotential der entwickelten Maßnahmen sehr unterschiedlich. Die größte unmittelbare Energieeinsparung ergab sich durch die effiziente Maschinenkühlung und eine prozessabhängige Ansteuerung der Kühlschmierstoffpumpe. Allein diese beiden Entwicklungen führten zu einer Energieeinsparung von über 20%, so dass sie auch wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind.
Das Energiemanagement kann durch die Definition entsprechender Stand-By-Zustände auf alle Typen von Maschinen übertragen werden und an zukünftige neue Entwicklungen angepasst werden. Die Durchgängigkeit des Energiemanagements von der Leitebene bis zum einzelnen Antrieb erweitert zudem die bisherigen Konzepte und erschließt dadurch besonders in Produktionsumgebungen mit vielen Maschinen zusätzliches Einsparpotential.
Ein NC-Programm enthält typischerweise nur Weginformationen, so dass die Maschine blind für den eigentlichen Prozess und seine Anforderungen ist. Erst die im Projekt NC+ entwickelte Weitergabe von im CAM-System vorhandener Prozessinformation ermöglicht der Maschinensteuerung ein intelligentes und bedarfsgerechtes Verhalten. Das Potential dieser Entwicklung ist sehr hoch, so dass dieser Kommunikationsweg zukünftig weiter ausgebaut wird.
Die im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelten Technologien lassen sich unmittelbar sowohl in Fräs- als auch in Drehmaschinen einsetzen und decken damit einen Großteil der spanenden Fertigung ab. Die meisten Entwicklungen können zudem auch auf weitere Maschinentypen wie z. B. Schleifmaschinen übertragen werden. Welche Maßnahmen auch wirtschaftlich sinnvoll sind, hängt allerdings auch von der zukünftigen Entwicklung der Strompreise ab. Die von vielen Käufern von Werkzeugmaschinen geforderten Amortisationszeiten von weniger als zwei Jahren verhindern zur Zeit noch eine schnelle Einführung vieler energiesparender Maßnahmen.

• Bosch Rexroth Aktiengesellschaft
• C A M A I X GmbH
• Chr. Mayr GmbH + Co. KG
• DMG MORI Pfronten GmbH
• Franz Kessler GmbH
• HYDAC International GmbH
• KME Germany GmbH & Co. KG
• Leibniz Universität Hannover
• perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH