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KleinstserienfertigungAudis Vorseriencenter braucht Universalwerkzeuge

Audi Q2

In der Versuchsteilefertigung bei Audi in Ingolstadt werden anspruchsvolle Bauteile als Prototypen und in Kleinstserien hergestellt. Dabei setzen die Verantwortlichen auf VHM-Fräser von Haimer, die sich durch ihre Geometrie und Qualität für vielfältige Zerspanungsaufgaben eignen. Ihr Dämpfungs- und Rundlaufverhalten ermöglicht es, in Vergleichsfällen die Produktivität um ein Vielfaches zu steigern.

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Automatisierungslösung, Blechbearbeitung, Drehkolbenkompressoren, Fluidtechnik, Hydraulikkomponenten, Industrielle VerbindungstechnikTief hängendeFrüchte

Zum Ende des 21. Jahrhunderts soll der weltweite Energieverbrauch auf das fünffache des heutigen steigen. Für die Industrie bieten sich mit energieeffizienten Lösungen enorme Chancen auf einem rapide wachsenden Markt. Doch auch mit relativ einfachen Mitteln, so Chefredakteur Hajo Stotz, kann der Anwender bereits seine Energieeffizienz erheblich verbessern.

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Automatisierungslösung: Tief hängendeFrüchte

Energieeffizienz – heute ein industriebeherrschendes Thema, aber vor wenigen Jahren war der Begriff noch völlig unbekannt. Erst 2002 kam mit einer EG-Richtlinie zum Thema Energy Performance die übersetzte Bezeichnung in den deutschen Sprachgebrauch. Und was versteht man darunter überhaupt? Wikipedia sagt: „Je weniger Energie eingesetzt werden muss, um einen gewünschten Nutzen zu erreichen, desto energieeffizienter ist das System.“

Spätestens mit der diesjährigen Energiepreisexplosion rückte das Thema auch bei der Industrie und den Verbrauchern in den Vordergrund. So war Energieeffizienz auf den letzten Messen, etwa der Euroblech, SPS oder Euromold – neben dem Thema Wirtschaftskrise - das messe-bestimmende Thema. „Vor wenigen Jahren hätte ich gesagt, das ist ein staubtrockenes Thema, dafür interessiert sich kein Mensch“, so Prof. Dr. Walter Schumacher von der TU Braunschweig auf der Eröffnungspressekonferenz der Automatisierungsmesse SPS. „Doch heute ist es eines der Schlüsselthemen für die Zukunft.“ Denn der Energieverbrauch wird zu einem wettbewerbs-entscheidenden Faktor. Rund 44 Prozent der in Deutschland erzeugten Energie werden durch Industrie und Gewerbe verbraucht, 30 Prozent durch den Verkehr und 26 Prozent durch Haushalte. Schumacher: „Das Internet benötigt heute bereits so viel Energie wie der gesamte Luftverkehr.“

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In der Industrie sind die größten Stromfresser die Elektromotoren. Nach Schätzung des Fraunhofer-Instituts benötigen diese in Deutschland 132 Mrd. kWh Energie. Rund 20 Prozent davon ließen sich einsparen – das ist eine Reduktion von 28 Mrd. kWh. Von 17 deutschen Kernkraftwerken könnten drei abgeschaltet werden. Und vor allem sind die meisten Experten wie Prof. Schumacher überzeugt: „Energieeffizienzmaßnahmen sind ´Low Hanging Fruits´.“

Bereits einfachste Maßnahmen, wie das Abschalten von nicht im Einsatz befindlichen Maschinenkomponenten würde schon erheblich Energie einsparen. So hat die TU Darmstadt errechnet, dass allein das Schließen der Arbeitstüre an der Werkzeugmaschine während freien Schichten 14 Prozent der Stromkosten einspart.

Eine der wirkungsvollsten Möglichkeiten, bei Elektromotoren Strom zu sparen, ist der Einsatz von Motoren mit höheren Effizienzklassen. Nach Angaben des ZVEI hat ein Motor der Klasse „EFF1“ einen um 40 Prozent höheren Wirkungsgrad als ein Motor der Klasse „EFF3“. Der Marktanteil von EFF1- und Eff2-Motoren wuchs dementsprechend innerhalb der letzten fünf Jahre auf 50 Prozent an, wobei allerdings der Anteil der EFF1-Motoren mit zwölf Prozent noch viel Potenzial bietet.

Die Anschaffungskosten spielen dagegen nur eine geringe Rolle: Die Energie macht bei stromfressenden Motoren 99 Prozent der Gesamtkosten aus, und selbst bei effizienten Motoren liegt der Energiekostenanteil noch über 90. Die Investition in energiesparende Motoren rechnet sich also auf jeden Fall.

„Energieeinsparungen von bis zu 90 Prozent sind mit unserem neuen Acopos Multi erreichbar“, verspricht Markus Sandhöfner, Sales Manager bei B&R im österreichischen Eggelsberg. „Beim Acopos Multi wird die Bremsenergie nicht mehr vernichtet, sondern kann komplett ins Netz zurückgespeist werden.“

Der Motion Controller verfügt über aktive Leistungsversorgungsmodule mit Power Factor Correction, die für eine rein sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz sorgen. Der Effektivwert des Stromes wird auf ein Minimum reduziert. Dies lässt sich durch den Total Power Factor (TPF) beschreiben, er kommt auch bei nichtsinusförmigen Größen zur Anwendung und ist definiert als das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung. Sandhöfner: „Während herkömmliche Umrichter mit kleinem TPF eine höhere Effektivstromaufnahme aufweisen und es dadurch zu unnötigen Verlusten in den Zuleitungen und Transformatoren kommt, sorgt die aktive Leistungsversorgung des Acopos Multi für effizienteste Nutzung der eingesetzten Energie.“

Alle Leistungsversorgungsmodule des Controllers besitzen zudem die Fähigkeit der Netzrückspeisung und vermeiden dadurch eine Umwandlung kinetischer Bremsenergie in Wärme. Im Gegensatz zu konventionellen Geräten entfällt die durch Bremswiderstände verursachte Hitzeentwicklung völlig. „Der Wirkungsgrad der Antriebe hat sich im Laufe der Zeit durch den Einsatz modernster Technologien ständig verbessert, aber nach wie vor dominieren diese Verluste und die damit einhergehende Wärmeentwicklung die Schaltschrankdimensionierung“, erläutert der B&R-Manager. „Abhilfe schafft hier die so genannte Cold Plate-Kühltechnik. Sie transportiert die anfallende Verlustwärme mit Hilfe von Wasser elegant aus dem Schaltschrank. Im einfachsten Fall wird die Wärmeenergie an die Umgebungsluft abgegeben oder idealerweise in einen vorhandenen Kühlkreislauf eingespeist. Dies entlastet die Fertigungshallen mit der anfallenden Verlustwärme der Antriebe. Der Gesamtwirkungsgrad dieser Anordnung ist signifikant höher, als herkömmliche Kühlaggregate und somit deutlich energieeffizienter.“

Als konkretes Beispiel führt Markus Sandhöfner den 9kW-Servoantrieb an einer Joghurt-Abfüllmaschine an. „Wird der Antrieb 15 Jahre eingesetzt, belaufen sich die Energiekosten auf etwa 54.000 Euro und damit auf rund 83 Prozent der gesamten Lebenszykluskosten (TCO) des Antriebes.“ Durch die aktive Rückspeisung könne bei einer Dauerleistung von 4 kW eine Einsparung von 24.000 Euro erzielt werden, weitere Einsparungen, etwa durch die Cold Plate Montage und den Wegfall einer zusätzlichen Schaltschrankkühlung würden sich das Einsparpotenzial auf rund 28.000 Euro summieren, also 43 Prozent der TCO.

Energieeffizienter Antrieb lohnt sich

„Leider schauen die Maschinenbauer selbst zu wenig auf die Antriebe, sie schauen nur auf den Endpreis“, so die Erfahrung von Sandhöfner. „Hier muss der Endkunde selbst auf den energieeffizienter Antrieb achten, denn für ihn lohnt es sich. Auch wenn der Antrieb vielleicht 500 Euro mehr kostet – am Ende hat er 43 Prozent der Gesamtkosten wieder eingespart.“ Doch mit energiesparenden, elektrischen Antriebssystemen alleine ist das Thema Energieeffizienz noch lange nicht ausgereizt, wie auch Roland Bent, Geschäftsführer von Phoenix Contact in Blomberg, unterstreicht: „Generell hat das Thema Energieeffizienz auch für andere automatisierungstechnische Produkte eine hohe Relevanz.“ Zu wenig beachtet sind seiner Meinung nach etwa elektronische Stromversorgungen, die in der elektrischen Automation millionenfach Einsatz finden. Bent: „Qualitativ hochwertige Geräte, wie sie auch Phoenix Contact liefert, haben heute einen Wirkungsgrad von 93 Prozent und mehr. Geräte des so genannten Low-Cost-Bereichs liegen dagegen oft weit unter 90 Prozent Wirkungsgrad. Bei einer 20 Ampere-Stromversorgung mit einer Nennausgangsleistung von 480 Watt bedeutet ein Wirkungsgrad von 93 Prozent eine Verlustleistung von 36 Watt. Ein Wirkungsgrad von 89 Prozent bedeutet dagegen eine Verlustleistung von 59 Watt. Die hochwertige Stromversorgung hat also über 35 Prozent weniger Verluste. Hochgerechnet auf die Lebensdauer einer Stromversorgung von typischerweise zehn Jahren kann damit eine Energie von rund 4.000 kWh eingespart werden.“ Legt man einen – sehr niedrig gegriffenen – Preis von 0,10 Euro/kWh zu Grunde, amortisieren sich in Bents´ Beispiel die Mehrkosten der hochwertigen Stromversorgung in rund drei Jahren gegenüber dem Billigprodukt.

Doch nicht nur im Bereich der elektrischen Antriebstechnik spielt das Thema Energieeffizienz eine immer größere Rolle. Im Gegenteil - auf Grund der höheren Verluste hat das Thema in der Fluidtechnik bereits seit langem einen hohen Stellenwert. Mit acht Millimeter weniger lassen sich hier pro Jahr hunderte von Euros sparen. Dr. Axel Gomeringer, Innovationsmanager bei Festo: „Gehen wir von einem 12 kg schweren Arm aus, der pneumatisch pro Sekunde einmal 25 cm bewegt wird und 8h am Tag, 200 Tage im Jahr läuft. Für diesen Fall könnte man einen 32 mm- oder einen 40 mm-Zylinder auswählen. Beide wären von der Kraft her möglich. Der kleinere Zylinder kostet rund 90 Euro, der größere etwa 100 Euro. Das ist kein großer Betrag, und Konstrukteure neigen gerne zu etwas höherer Sicherheit, auch wenn das technisch gar nicht nötig ist. Viele werden also den 40er-Zylinder wählen.“

Die Auswahl-Software Cacos von Festo erlaubt es dem Konstrukteur, pneumatische, elektrische und mechanische Antriebssysteme zu simulieren und zu optimieren. Die Software arbeitet mit einem iterativen Austausch von Komponenten und von Parametern mit dem Ziel, die optimale Komponentenkomposition auszuwählen. Cacos eignet sich für die Optimierung neuer Anwendungen oder zur Überprüfung existierender Systeme. „Mit dieser Software haben wir die beschriebene Anwendung simuliert“, beschreibt Dr. Gomeringer. „Dabei haben wir auch untersucht, ob sich bei der Energieeffizienz Unterschiede ergeben. Der Zylinderdurchmesser unterscheidet sich ja nur um acht Millimeter. Doch die Energieverbräuche unterscheiden sich erheblich: Der 40er-Zylinder hat rund 18 Normliter, der 32er hat etwa 12 Normliter Verbrauch. Das sind bei dem kleineren Zylinder etwa 40 Prozent weniger Verbrauch.“

Hochgerechnet auf ein ganzes Jahr, belaufen sich die Energiekosten für den großen Zylinder auf etwa 600, für den kleinen auf etwa 340 Euro. „Das heißt ich spare in einem Jahr etwa zweieinhalb mal das Produkt“, so der Innovationsmanager. „Und das ist nur ein Zylinder.“ In einer Anlage sind oft mehrere hundert oder sogar tausende Zylinder eingebaut. Es lohnt also für jeden Konstrukteur, sich genau anzusehen, ob er wirklich für die gewählte Aufgabe den größeren Zylinder benötigt. „Und das betrifft ja nicht nur den Zylinder, sondern da spielen natürlich weitere Faktoren mit: Wo steht der Kompressor, wie sind Druckluftaufbereitung, Druckluftnetz, Schlauchlängen ausgelegt, wo gibt es noch weitere Verluste an den Fittings“, beschreibt Dr. Gomeringer die Problematik. Zudem spiele beim Thema Energieeffizienz auch die Ausbildung der deutschen Ingenieure eine Rolle. Deutsche Ingenieure würden dazu neigen, Maschinen sehr sicher zu bauen. Gomeringer: „Das lernt man an der Uni, die 2,5-fache Sicherheit einzubauen. Aber zwischen Sicherheit und Überdimensionierung liegt nur ein schmaler Grat. Wir helfen dem Kunden mit unserem Know-How und unserer Erfahrung, dass er auf der sicheren, aber nicht überdimensionierten Seite bleibt.“
Auch Eberhard Wahl, Produktmanager 2D-Lasermaschinen beim Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf, Ditzingen, verweist auf die langjährigen Erfahrungen seines Arbeitgebers beim Thema Energieeffizienz: „Bei Trumpf war Energieeffizienz bereits vor zehn Jahren ein Thema, da kannte den Begriff noch niemand. Wir haben bereits damals in der Hochdruckhydraulik besonders große Einsparungsmöglichkeiten gesehen und dies immer weiter verfeinert. So bieten unsere Maschinen seit langem die Möglichkeit, neben den Zuständen Vollast und Teillast auch auf Stand-by zu schalten. Im Stand-by ist das Hauptventil abgeschaltet. Bisher lief das Gebläse dann in Nenndrehzahl, das haben wir nun nochmals deutlich verringert.“

Stand-by statt Teillast spart 4.000 Euro pro Jahr

In der neuen Flachbett-Laserschneidmaschinen Trulaser 3030 sorgt diese Schlummerschaltung nun dafür, dass am Laser, wenn er nicht schneidet, das Turboradialgebläse in einen Standby-Modus gefahren wird. Eberhard Wahl: „Damit lassen sich locker 10 kWh einsparen, pro Jahr sind das 4.000 Euro.“ Die 3000 ist die erfolgreichste Serie von Trumpf, jede dritte Flachbett-Laserschneidmaschine basiert auf ihr.

Der Münchner Hydraulikkomponenten-Hersteller Hawe beschäftigt sich ebenfalls bereits seit Jahren mit dem Thema Energieeffizienz. Vorstandssprecher Karl Haeusgen sieht dabei auf Kundenseite noch viel Potenzial: „Die Kunden nehmen das zunehmend wahr, dennoch müssen wir hier noch viel Aufklärungsarbeit leisten. Werkzeugmaschinen sind ein klassisches Beispiel: Der Einsatz unserer Kompakt-Pumpenaggregate ermöglicht die Dezentralisierung der Hydrauliksteuerung, spart Einbauraum und Hydraulikflüssigkeit. Rippenrohrkonstruktion und Unterölbauweise der Aggregate erhöhen die Wärmeabfuhr aus dem System deutlich. Auf einen zusätzlichen Ölkühler kann meistens verzichtet werden. Durch die Auslegung des Hydrauliksystems im Abschaltbetrieb erzeugt die Pumpe nur dann Drucköl, wenn die Spannelemente zum Werkstück hin verfahren, der Spanndruck aufgebaut und die auftretende Leckage der Wegeschieberventile ausgeglichen werden muss.

Für die Bewegungssteuerung verwenden wir Sitzventile anstatt der klassischen Wegeschieberventile, somit reicht ein deutlich kleineres Aggregat für die gleiche Anwendung aus. Ist der Spanndruck erreicht, halten die Wegesitzventile den Spanndruck aufrecht. Mit Wegeschieberventilen müsste die konstruktionsbedingte Leckage im Betrieb durch ständiges Nachpumpen der Pumpe kompensiert werden.“

Der Hawe-Chef weist zudem auf einen oft unterschätzten Aspekt hin: „Je früher wir in den Entwicklungsprozess der Kunden eingebunden werden, umso größer sind die Einsparpotenziale.“

Und Roland Bent, Geschäftsführer von Phoenix Contact, beleuchtet einen weiteren Gesichtspunkt des Themas. Er hält es für ein wirkungsvolles Energiemanagementsystem für unumgänglich, dass detaillierte Informationen über das Verbrauchsverhalten der Geräte vorhanden sind und dem Managementsystem bekannt sind: „Mit dem Begriff „Energy ML“ hat Phoenix Contact angeregt, Informationen zur Energieeffizienz eines Geräts in die elektronische Gerätebeschreibung aufzunehmen. Von wichtigen Kunden aus der Automobilindustrie wurde dieser Ansatz unmittelbar unterstützt.“ Diese Erfahrung bestätigt auch Dr. Axel Gomeringer von Festo: „Die Automobilindustrie macht Druck und fordert, dass die Anlagenbauer die Energieeffizienz ihrer Anlagen angeben müssen. Sobald das angegeben ist, werden die Anlagenbauer untereinander vergleichbar. Und der Enduser kann diese Angaben im Betrieb nachkontrollieren.“ Prof. Dr. Walter Schumacher von der TU Braunschweig ergänzt: „Energieeffizienz ist ein übergreifendes Thema. Es geht nicht mehr nur um die einzelne Komponente, das Thema muss ganzheitlich betrachtet werden.“

Ein Maßnahmenbündel für eine energieeffiziente Produktion geschnürt hat beispielsweise die Aerzener Maschinenfabrik beim Bau ihres neuen Produktionszentrums. Rund 65 Mio. Euro hat die Maschinenfabrik in den Bau und die energieeffizienten Maßnahmen investiert. Klaus-Hasso Heller, geschäftsführender Gesellschafter: „Bei drastisch steigenden Energiepreisen und zunehmenden Hinweisen auf einen Klimawandel lag die Energieeffizienz der neuen Produktionshalle im Fokus des Neubaus.“ Moderne, energieeffiziente Bearbeitungszentren sowie neue Maschinen und ein optimiertes Produktionskonzept ergeben allein Einsparungen von rund 210.000 Euro pro Jahr. Durch Dämmungen wurde beispielsweise der Wärmeverlust des Gebäudes auf ein Mindestmaß reduziert, gleichzeitig sind Lackierung, Prüfstände und weitere Maschinen mit Wärmerückgewinnungssystemen ausgestattet worden. Es wurde eine tageslichtabhängige Beleuchtung installiert; auch das Lüftungssystem arbeitet mit Wärmerückgewinnung. Die Maßnahmen summieren sich zu Einsparungen von rund 430.000 Euro pro Jahr. Klaus-Hasso Heller: „Wir wollen bis zum Jahr 2020 im Stammhaus 30 Prozent der Energiekosten sparen - unser Beitrag zur Reduzierung der der CO2-Emissionen.“ hs

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