Effizienter Energieeinsatz senkt Betriebskosten

Das Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen der Technischen Universität Darmstadt hat es mit aktuellen Zahlen berechnet: Bei Werkzeugmaschinen bestimmen die Betriebskosten über eine zehnjährige Nutzung 70 bis 80 % der Total Cost of Ownership. Mit mehr als 20 % bildet der Energieverbrauch dabei einen der größten Kostenblöcke. In konkreten Zahlen aus dem Betriebsalltag in Deutschland: Bei einem Verbrauch von 10 kWh pro Betriebsstunde addieren sich die Stromkosten jedes Jahr schon bei einem 2-Schicht-Betrieb und 250 Arbeitstagen zu rund 4000 Euro auf. Da viele Werkzeugmaschinen wesentlich mehr Energie verbrauchen und viele Anwender zudem längere Betriebszeiten anstreben, erhöhen sich die Betriebskosten entsprechend deutlich über die gesamte Nutzungsdauer hinweg.

Die aktuelle Herausforderung für Maschinenhersteller besteht darin, einen niedrigeren Energiebedarf mit mindestens der gewohnten Produktivität zu verknüpfen, unter dem Strich also die Effizienz der verwendeten Energie deutlich zu steigern. Zur Unterstützung der Kunden auf diesem Weg hat Rexroth vier technologieübergreifende Hebel, Rexroth 4EE (for Energy Efficiency) identifiziert, die über den gesamten Lebenszyklus wirken. Dabei steht ein Systemansatz im Mittelpunkt, der die Gesamtmaschine mit allen Teilprozessen berücksichtigt. Die Hebel setzen sowohl in der Konzeptionsphase der Maschine oder Anlage an als auch im täglichen Betrieb und gehen bis hin zum Retro-Fit.

Im Wirkungsgrad optimierte Komponenten und Systeme bilden dabei die Basis. Mehr noch als eine weitere Steigerung der Effizienz von Elektromotoren und Hydraulikpumpen, die aktuell schon häufig über 90 % liegt, spielt die richtige Dimensionierung eine entscheidende Rolle. Bislang standen für Konstrukteure niedrige Investitionskosten bei höchster Performance alleine im Vordergrund. Hier unterstützen funktional erweiterte Auslegungstools von Rexroth, die jetzt zusätzlich den Energieverbrauch von Komponenten und Systemen berücksichtigen. Die zu bewegenden Lasten, die Bewegungsprofile sowie benötigte Prozesskräfte in allen Haupt- und Nebenprozessen setzen die Auslegungstools in Beziehung zu hinterlegten Leistungsmerkmalen der elektrischen, hydraulischen, pneumatischen und mechanischen Antriebe. Dabei eröffnen aufeinander abgestimmte Kombinationen neue Möglichkeiten, die Effizienz zu steigern, beispielsweise durch Berücksichtigung günstiger Betriebspunkte aller Komponenten. Auch die Lineartechnik kann zu einer nachhaltigen Effizienzsteigerung in der Werkzeugmaschine beitragen: Leichtlaufdichtungen halbieren die Reibung und leichte eLINE-Linearführungen mit Aluminiumkörper reduzieren die zu bewegenden Massen vor allem bei Hilfsfunktionen.

Die bedarfsorientierte Energiebereitstellung gegenüber bislang ungeregelten Aggregaten erschließt schnell große Potenziale. Drehzahlvariable Pumpenantriebe senken den Energieverbrauch der Hydraulik um bis zu 70 %. Speziell für den Einsatz in Werkzeugmaschinen optimierte Frequenzumrichter-/Pumpen-Kombinationen lassen sich auch bei bereits installierten Maschinen nachrüsten. Einen zusätzlichen deutlichen Einspareffekt erzielt der Kühlschmiertechnik-Booster von Rexroth. Dabei erzeugt ein drehzahlvariabler hydraulischer Pumpenantrieb zusätzlich den Förderstrom für den Hochdruck-Kühlschmiermittelkreislauf. Mit dieser innovativen Kombination entfällt die bislang notwendige Schraubenspindelpumpe, und der Energieverbrauch für die Kühlschmierstoffversorgung sinkt um bis zu 90 %.

Auch in der Pneumatik reduzieren bedarfsorientierte Druckabsenkungen den Verbrauch. Gemeinsam mit einer optimierten Auslegung und verkürzten Schlauchlängen durch funktionsintegrierte Zylinder-/Ventil-Einheiten kann der Konstrukteur den Energiebedarf der Pneumatik um bis zu 55 % senken.

Neben der Bedarfsregelung der Maschinenaggregate kann die Steuerung auch das einfache Aus- und Einschalten von einzelnen Modulen oder der gesamten Maschine durch Energiespar-Modi wie Stand-by und Sleep aktiv unterstützen.

Ein weiteres entscheidendes Einsparungspotenzial bieten die Zwischenspeicherung und Rückspeisung überschüssiger Energien mittels moderner Umrichtertechnik. Gerade die Rückgewinnung von Bremsenergien über rückspeisefähige Umrichter, gemeinsame Zwischenkreise oder Druckspeicher erfordert eine Systembetrachtung, um pendelnde Prozessenergien weiter zu nutzen. Dabei unterstützt Rexroth Maschinenhersteller schon in der Konzeptphase mit einem Mechatronic Support. Als Dienstleistung bilden Spezialisten die Automatisierung komplett und unter Berücksichtigung von Nicht-Linearitäten in Simulationsprogrammen nach. Die dynamische Energiesimulation erstellt eine Leistungsbilanz der gesamten Maschine. Dabei bildet die eingesetzte Software die physikalischen Besonderheiten aller Antriebstechnologien ab, eine Voraussetzung für realistische Ergebnisse. Die Resultate geben den Konstrukteuren entscheidende Hinweise und Ansatzpunkte, die Energieeffizienz nachhaltig zu verbessern.

Für die Inbetriebnahme und die Optimierung im Einsatz stellt Rexroth erstmals mit IndraMotion MTX cta/ega ein Analysetool bereit, um Zykluszeiten und Energieverbrauch parallel zu optimieren. Dieses in die Steuerung integrierte Tool misst im realen Betrieb die Ausführungszeiten und den entsprechenden Energieverbrauch jedes NC-Satzes in einer Auflösung von 0,1 ms. Auch Hilfsaggregate wie Hydraulik- oder Kühlschmiermittelversorgung können mit in die Erfassung einbezogen werden. Damit liefert das Tool eine Komplettübersicht über die Energieströme in der Maschine. Die tabellarisch und grafisch aufbereiteten Daten geben Programmierern erstmals innerhalb einer CNC-Steuerung fundierte Echt-Daten zur Zeit und Ressourcen sparenden Auslegung aller Prozessschritte.

Steuerungs-unterstützte Splines und adaptive Bewegungsprofile ermöglichen eine abgerundete Bewegungsführung in der Maschine. So werden unnötige Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge vermieden. Das senkt den Energieverbrauch und verkürzt die Bewegungszeiten. Darüber hinaus schonen die optimierten Bewegungen auch die Maschinenstruktur. Rexroth-Spezialisten unterstützen Maschinenhersteller bei der Auswertung und Umsetzung der Ergebnisse für alle Fertigungstechnologien. In der Praxis zeigen sich Gesamtoptimierungspotenziale durch diese Analyse von bis zu 30 %. Die Visualisierung der realen Verbräuche aller Teilprozesse fördert zudem ein nachhaltiges Energiebewusstsein bei Anwendern bei der Auslegung von Fertigungsprozessen.

Die Beispiele zeigen: Durch eine Systembetrachtung lassen sich unter Anwendung der 4EE-Hebel bereits heute mit aktuell verfügbaren Komponenten produktivere und energieeffizientere Werkzeugmaschinen realisieren und damit die Kundenanforderung nach niedrigeren Total Cost of Ownership erfüllen.

Dr. Karl Tragl, Vorstand Vertrieb, Bosch Rexroth AG, Lohr am Main

Rexroth hat vier entscheidende Hebel für eine höhere Energieeffizienz – Rexroth 4EE – identifiziert, die über alle Antriebs- und Steuerungstechnologien hinweg wirken. Sie basieren auf bereits in Serie verfügbaren Produkten und verbinden Produktivität mit nachhaltiger Automatisierung: