horizonte - der Koordinierungsstelle - Hochschule Mannheim

Abb. 1: Wertstromanalyse (eigene Darstellung angelehnt an Rother/Shook)
Aufnahme dualer Energiesignaturen
Mit einem 3-achsigen Vertikal-Bearbeitungszentrum
der Firma Hermle
(Typ C 30 V), Abb. 2, wurden in
Folge drei Nuten in ein Bauteil aus
Vergütungsstahl C45 gefräst, Abb. 3.
Die Zerspanung wurde durchgeführt
mit drei HSS-Schaftfräsern mit den
Durchmessern 8, 12 und 16mm, im
Vollschnitt, mit einer Zustellung von
7,5mm über eine Strecke von 60 mm.
Die Energiemessung erfolgte mit Hilfe
eines portablen Leistungsmessgerätes
der Firma Yokogawa (Typ CW240).
Dieses wurde, während des Betriebs,
mittels Stromwandler und Klemmprüfspitzen
angeschlossen Abb. 2. Neben
der elektrischen Energie benötigt das
Bearbeitungszentrum zusätzliche Energie
in Form von Druckluft. Mit Hilfe
eines Strömungssensors der Firma ifm
(Typ SD6000) fand parallel die Volumenstrommessung
statt.
Der erste Durchgang wurde im
Luftschnitt gefahren, d.h. ohne Werkstück.
Damit ließ sich ermitteln, wie
die Energiesignatur des Prozesses
ohne Kraftschluss aussieht. Der zweite
Durchgang erfolgte mit Werkstück,
also unter Kraftschluss. Die jeweiligen
Betriebszustände der Maschine und
die duale Energiesignatur des Zerspanungsprozesses
sind in Abb. 4 dargestellt.
Die hellblaue Energiesignatur
zeigt die erforderliche elektrische Leistung
im Luftschnitt. Die dunkelblaue
Energiesignatur zeigt die zusätzliche
Leistungsaufnahme bei Zerspanung.
Wertschöpfend ist ausschließlich der
Zerspanungsprozess. Die wertschöpfenden
Zeiten sind in dem orangefarbigen
Balken dunkel markiert. Die graue
Signatur zeigt den Druckluftverbrauch.
Dieser ist ausschließlich nicht wertschöpfend.
Die für die Zerspanung unmittelbar
benötigte Energie umfasst gerade
einmal 10 Wh, die wertschöpfende
Zeit gerade einmal 25 Sekunden. Der
nichtwertschöpfende Energieeinsatz
- 44 -
hingegen umfasst 145 Wh (116 Wh,
elektrisch + 29 Wh, Druckluft). Der
nichtwertschöpfende Zeiteinsatz 135
Sekunden.
Folglich tragen lediglich die Zeit
(25sec) bzw. der Energieanteil (10Wh),
welche zur Spanabnahme benötigt
werden, zur Werterstellung am Pro-
dukt bei. Die restliche Zeit (135 sec)
bzw. Energie (116 Wh + 29 Wh) sind
nicht wertschöpfend.
Lesen der Signaturen
In der Signatur des elektrischen Leistungsbedarfs,
fallen nach der erhöhten
Leistungsaufnahme im betriebsbereiten
Zustand, gegenüber dem Stand-By,
die peak-artigen Leistungsspitzen auf.
Hervorgerufen werden diese durch
Werkzeugwechsel (WZW) und die
damit verbundenen Beschleunigungsvorgänge
in der Werkzeugmaschine.
Gleichzeitig sind auch negative Spitzen
zu erkennen. Sie entstehen beim
Abbremsen der Antriebe und speisen
Energie in das System zurück. Es ist
prinzipiell ein guter Ansatz, die eingesetzte
Energie zurückzuspeisen. Im
vorliegenden Fall ist er jedoch in Bezug
auf die Gesamtenergiebilanz weitestgehend
vernachlässigbar.
Die dunkelblauen „Energiebalken“
zeigen die für die Spanabnahme eingesetzte
Energie gegenüber dem Luftschnitt.
Der Energiebedarf bei der Zerspanung
steigt mit der Zunahme der
Fräsdurchmesser an. Das liegt daran,
Abb. 2: Leistungs- und Druckluftmessung an einem 3-achsigen Vertikal-
Bearbeitungszentrums
Abb. 3: Zerspanung im Vollschnitt
dass alle drei Zerspanungsvorgänge
mit derselben Vorschubgeschwindigkeit
(vf = 450mm/min) durchgeführt
wurden, womit das Zeitspanvolumen
unterschiedlich groß war. Der Schaftfräser
mit dem Durchmesser 8mm trägt
gegenüber den Durchmessern 12mm
bzw. 16mm in der gleichen Zeit weniger
Material ab und benötigt demzufolge
auch weniger Energie. Der Leistungsbedarf
vor und nach der jeweiligen
Bearbeitung variiert aufgrund der
unterschiedlichen Leistungsaufnahme
der Frässpindel bei unterschiedlichen
Drehzahlen.
Die graue Signatur der Druckluftmessung
zeigt den Volumenstrom [l/min]
über die Zeit [s]. Neben dem konstanten
Druckluftbedarf für die Sperrluft
zeigen sich vier Bereiche starken
Druckluftanstiegs. Diese sind durch
horizonte 40/ September2012