Die Energiebilanzierung geschieht nach Normvorgaben

Der Einsatz des Messkoffers wurde in Untersuchungen bei Fanuc demonstriert. Bild 3 zeigt schematisch den Versuchsaufbau und -durchführung an der CNC-Fräsmaschine des Typs Robodrill. Um den Gesamtenergiebedarf der Maschine zu ermitteln, wurden die pneumatische und elektrische Hauptleitung als Messstellen gewählt. Damit die Anteile einzelner Maschinenkomponenten am elektrischen Gesamtbedarf identifiziert werden konnten, wurden zudem die Spindel und Antriebe, sowie das KSS-Aggregat (KSS = Kühlschmierstoff) mit Sensorik ausgestattet. Zur Erfassung der elektrischen Leistung wurden Stromwandler aus der SCT-Serie von Beckhoff Automation genutzt und die Spannungssignale über analoge Busklemmen des Messkoffers ausgelesen. Zur Erfassung der pneumatischen Leistung wurden Volumenstromsensoren JD6500 von Ifm Electronic eingesetzt. Um eine Methodik zur energetischen Bewertung für Werkzeugmaschinen zu schaffen wurde in 2020 die ISO-Norm 14955 veröffentlicht [3].

Sechs verschiedene Maschinenzustände wurden betrachtet

Die Untersuchungen der CNC-Fräsmaschine wurden gemäß dieser Norm in sechs verschiedenen Maschinenzuständen durchgeführt. Wie Bild 3 veranschaulicht, wurde hierzu die Leistungsaufnahme der Maschine zuerst im Zustand „Off“ gemessen – also für eine vollständig ausgeschaltete Maschine. In den nachfolgenden Messungen wurde die Maschine angeschaltet („Standby“) und anschließend die Prozesseinrichtung und ein Warmlauf der Spindel („Setup“) durchgeführt. Kurz vor dem Prozessstart lag der Zustand „Ready“ vor. Als Zerspanprozess („Prozess“) wurde bei den Versuchen ein JIS-Normbauteil mit den Standardoperationen Plan- und Schaftfräsen, sowie Bohren betrachtet [4]. Die Versuchsdurchführung wurde mit der Leistungsmessung im „Not-Aus“ abgeschlossen.

Intensiver Leistungs-Check bis in die Komponentenebene

Nach der Messdatenaufnahme in den verschiedenen Maschinenzuständen wurden die Messdaten analysiert und die größten Einsparpotentiale identifiziert. Für die Analyse der Ergebnisse erfolgte sowohl die Betrachtung der Gesamtleistung in den einzelnen Zuständen als auch die Leistungsaufnahme auf Komponentenebene. Weil bei den Druckluftmessungen der Volumenstrom ermittelt wurde, ließ sich dieser entsprechend der ISO-Norm mit einem Berechnungsvorschlag (0,13 kWh/m³) in ein elektrisches Energieäquivalent umrechnen. Die Umrechnung ermöglicht einen direkten Vergleich der pneumatischen und elektrischen Komponenten anhand der Messergebnisse. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Bild 4 zusammengefasst.

Das Balkendiagramm zeigt die aufgenommene Gesamtleistung in den einzelnen Maschinenzuständen, wobei die elektrische und pneumatische Leistung hervorgehoben sind. Bei der wertschöpfenden Zerspanung des JIS-Normbauteils („Prozess“) liegt ein durchschnittlicher Leistungsbedarf von 3,95 kW vor. Während dagegen bei den nicht-wertschöpfenden Zuständen „Standby“ und „Ready“ ein durchschnittlicher Leistungsbedarf von 1,31 kW beziehungsweise 1,45 kW vorliegt. Verglichen mit dem Leistungsbedarf während der Zerspanung entspricht das circa 33,2 bis 36,7 %. Als Maßnahme zur gezielten Senkung des Energiebedarfs empfiehlt es sich, die Maschine besonders in längeren nicht-wertschöpfenden Phasen auszuschalten. Dadurch wird die hohe Leerlaufleistung in den Zuständen „Ready“ und „Standby“ vermieden. Außerdem fällt der signifikante Anteil der Druckluft in den nicht-wertschöpfenden Zuständen auf. Die Druckluft hat bereits vor dem Prozessstart („Ready“) einen Anteil von 66,1 % am Gesamtleistungsbedarf. Daraus leitet sich in diesem Fall die Maßnahme zur Effizienzsteigerung ab, mittels Durchflussminderung der Druckluft den Gesamtleistungsbedarf in nicht-wertschöpfenden Zuständen zu reduzieren. Hinzu kommt, dass die Maschine etwa aufgrund von Leckagen im ausgeschalteten Zustand bis zu 180 W durch Druckluft verbraucht. Dieser Anteil ist durch regelmäßige Wartungen der Druckluftleitungen und durch gezieltes Schließen des Hauptzuflusses im Zustand „Off“ zu vermeiden.

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