Die Variationen des Volumenstroms in puncto Kühlmedium

Zu Beginn wurde mit einer Ausgangsmessung des Energieverbrauchs alle Zustände der WZM aus der Norm ISO 14955-3 aufgezeichnet. Die Messergebnisse dienten als Referenz zur Quantifizierung des Energieeinsparpotenzials der Maschine. Der Ansatz zur Energieeinsparung bestand darin, den Volumenstrom des Kühlmediums für die Antriebskühlung zu reduzieren. Dazu wurde die Drehzahl der Förderpumpe über den Frequenzumrichter adaptiert. In den Leerlaufzuständen („Ready“, „Standby“, „Setup“ und „Emergency Stop“) wurde der Volumenstrom auf ein Minimum von 10 % verringert, sodass der Antrieb gerade so noch gekühlt wurde. Damit auf eine kritische Temperatur reagiert werden konnte, sind parallel zu den Messungen die Temperaturen der Antriebe überwacht worden. Der Einfluss auf den Zustand „Processing“ wurde anschließend in drei Stufen untersucht. Die Referenz mit 100 % Volumenstrom sowie eine Verringerung auf 75 und 50 % des maximalen Volumenstroms. In jeder Stufe wurde ein Bauteil nach VDI 5211 gefertigt. Die gesamte Messreihe wurde nacheinander durchgeführt.

Werkzeugmaschine verbraucht nur so viel wie ein Single-Haushalt

Bild 3 zeigt den Energieverbrauch des Antriebskühlaggregats vor und nach der Optimierung der Antriebskühlung. Es wird ersichtlich, dass ein geringerer Energieverbrauch in allen Zuständen nach ISO 14955-3 erreicht wird. In den Leerlaufzuständen liegt der Energieverbrauch des Kühlaggregats um die 93,8 %. Während der Bearbeitung ist er um 49,3 % geringer. Unter den Annahmen von 250 Arbeitstagen mit je einer 8-Stunden-Schicht lassen sich durch die Optimierung unproduktiver Leerlaufzustände einer Werkzeugmaschine energietechnisch rund 576 kWh/a (3,1 %) einsparen, ohne die Bearbeitungsqualität negativ zu beeinflussen. Wird zusätzlich der Volumenstrom während der Bearbeitung reduziert, steigen die Einsparungen auf 1.208 kWh/a (6,5 %) bei 75 % Volumenstrom respektive 1.572 kWh/a (8,5 %) bei 50 % Volumenstrom. Dabei ist die Einsparung von 1.572 kWh/a bei einem Volumenstrom von 50 % des Ausgangszustands etwa vergleichbar mit dem jährlichen Stromverbrauch eines Single-Haushalts. Um die Frage zu beantworten, ob durch die in puncto Energiebedarf optimierte Kühlung die Fertigungsqualität negativ beeinflusst wird, wurden die gefertigten Bauteile der VDI 5211 auf einer Koordinatenmessmaschine (KMM) des Typs Reference XI von Leitz untersucht.

Wird die Bauteilqualität bei geringerem Volumenstrom schlechter?

In Bild 4 sind die Ergebnisse der Prüfung der Form- und Lagetoleranzen auf der Leitz Reference XI bei den verschiedene Volumenströmen dargestellt. Aus den gemessenen Merkmalen der einzelnen Formelemente wurden für die statistische Absicherung die Mittelwerte für die verschiedenen Form- und Lagetoleranzen berechnet. Anhand der Ergebnisse wird deutlich, dass zwischen der ursprünglichen Maschinenkonfiguration und einem Volumenstrom der Antriebskühlung von 50 % keine eindeutige Abweichung in Sachen Bauteilqualität besteht. Die Kreisform zeigt aber eine Verschlechterung von 0,6 µm. Die Geradheit wurde hingegen um 2 µm verbessert. Damit ist also keine signifikante Verschlechterung des Bauteils festzustellen. Bei gleichbleibender Bearbeitungsqualität kann der Volumenstrom also bedenkenlos verringert werden, um den Energiebedarf der Werkzeugmaschine zu verringern.

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