SINUMERIK – Fertigung im Zeichen der Energieeffizienz 

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„Mit weniger mehr erreichen“ ist angesichts knapper Ressourcen das Gebot der Stunde. Entsprechend unnachgiebig zeigen sich Gesetzgeber weltweit – allen voran die Europäische Union – beim Thema Nachhaltigkeit. Wie sehr Unternehmen davon betroffen sind, zeigt sich bei der Vergabe öffentlicher Aufträge. Nahezu alle großen Industriekonzerne haben sich daher die CO2-Neutralität auf die Fahnen geschrieben.

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Klimaneutrale Zulieferkette bis 2050

Siemens wird seine CO2-Emissionen deutlich senken. Taten statt Worte zählen dabei längst nicht mehr nur für die eigenen Werke. Auch die Nachhaltigkeit in den Zulieferketten verfolgt der Konzern mit Argusaugen. „Wir kaufen jedes Jahr für 28 Milliarden Euro ein, das ist ein starker Hebel“, sagte Nachhaltigkeits-Chefin Jenny Bofinger-Schuster bereits Ende 2021. Bis 2030 will Siemens den CO2-Ausstoß in der Zulieferkette um 20 Prozent senken, bis 2050 soll sie klimaneutral sein.

 

Ein zentraler Baustein dafür: grüner Strom für eine klimafreundliche Produktion, wenngleich eine komplette Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern vermutlich aufgrund der stark steigenden Nachfrage nach E-Mobility nur mittel- bis langfristig zu erzielen ist. Ebenso unumgänglich wie effektiv für die CO2-Bilanz ist daher eine höhere Energieeffizienz in der Fertigung. Beim Autobauer Daimler etwa hieß das im Nachhaltigkeitsbericht 2020 so: „Wichtig ist uns (zum Beispiel), dass sich die Produktionsanlagen in den Pausen und in der produktionsfreien Zeit abschalten lassen und auch unter Teillast effizient betrieben werden können.“

Nachhaltigkeit mit SINUMERIK

Damit steht besonders die energieaufwändige Fertigung mit Werkzeugmaschinen auf dem Prüfstand – und das sowohl in den Produktionsanlagen von Großkonzernen als auch in den nachgelagerten Zulieferketten. Die Energieeffizienz wird damit zum zentralen Anliegen von Siemens Machine Tool Systems. Die Erfahrung aus der Anwendung vieler Werkzeugmaschinen in den eigenen Werken, beispielsweise bei der Herstellung von Servo- und Spindelmotoren, fließt konsequent in die Lastenhefte der Produktentwicklung ein. SINUMERIK CNC-Ausrüstungspakete sowie Siemens CNC Shopfloor Management Software tragen somit erheblich zur Steigerung der Energieeffizienz und zur nachhaltigen Fertigung mit Werkzeugmaschinen bei. 

Wirkungsgrad von fast 97 Prozent

Messbar wird die Energieeffizienz beim Zerspanungsprozess. Der Energieverbrauch des dafür zuständigen Hauptantriebs im CNC-Ausrüstungspaket ist durch die Aufbringung der Schnittkraft, aber auch durch die Beschleunigung und Bewegung der Massen in der Maschine bedingt. Hier können vor allem Maschinen-, Werkzeug- oder Kühlmittelhersteller weitere Verbesserungen erwirken. Das SINUMERIK CNC-Ausrüstungspaket ist ab Werk auf eine maximale Energieeffizienz ausgerichtet. Das gilt nicht nur im Zusammenhang mit Energiekosten. Auch die Wärmeeinbringung in die Maschine muss vermieden werden, um die Genauigkeitsanforderungen des Bearbeitungsprozesses zu gewährleisten. Das SINAMICS S120 Antriebssystem weist einen Wirkungsgrad von fast 97 Prozent im Nennlastbetrieb auf. SIMOTICS Spindelmotoren in Asynchrontechnik erreichen bis zu 92 Prozent, Spindel- und Vorschubmotoren in Synchrontechnik sogar bis zu 94 Prozent Wirkungsgrad. Werte also, die sich kaum noch verbessern lassen.

 

Überschüssige Energie, beispielsweise bei Bremsvorgängen, wird sofort in der Maschine weiter genutzt. Ist aktuell kein Bedarf in der Maschine, wird die Energie wieder ins Netz zurückgespeist. Dabei kann die Blindleistung der kompletten Maschine vollständig kompensiert werden (cos phi = 1). Das reduziert nicht die Energiekosten der Maschine, sondern reduziert auch Verluste in der vorgelagerten Netzinfrastruktur.

Energiefresser Nebenaggregate

Laut einer Studie der TU Darmstadt entfallen über den gesamten Lebenszyklus einer Werkzeugmaschine nur ca. 20 Prozent der Energiekosten auf den eigentlichen Zerspanungsprozess, sprich den Hauptantrieb des CNC-Ausrüstungspakets. Den weitaus höheren Energieverbrauch verursachen Nebenaggregate. 80 Prozent des Verbrauchs entstehen also durch Hilfsantriebe für Hydraulik, Kühlmittel oder Späneförderer. Auch dafür bietet Siemens energieeffiziente Lösungen: SIMOTICS Niederspannungsmotoren mit bis zu 97 Prozent Wirkungsgrad etwa, oder SINAMICS Frequenzumrichter, mit denen Normmotoren zusätzlich energieeffizient im drehzahlgeregelten Teillastbetrieb verwendet werden können. 

Geringste Nebenzeiten

Besonders negativ wirkt sich die Grundlast durch Nebenaggregate während der Zeiten aus, in denen kein Span fällt – beispielsweise dann, wenn die Maschine eingerichtet wird oder während Arbeitspausen. Nebenzeiten zu reduzieren oder ganz zu vermeiden gehört damit zu wichtigsten Maßnahmen beim Energieverbrauch einer Maschine. Auch dafür bieten SINUMERIK Ausrüstungspakete sowie Siemens CNC Shopfloor Management Software intelligente Lösungen.

Intelligentes Standby inklusive

Eine Eigenschaft, die PCs und Notebooks längst kennen, hat Siemens auch für Werkzeugmaschinen umgesetzt – den Ruhezustand: Eine Maschine, die während Arbeitspausen oder in der bedienerlosen Spätschicht nach dem letzten Job nicht verwendet wird, lässt sich abschalten. Das gilt auch für Nebenaggregate. Mit SINUMERIK Ctrl+E steht Maschinenherstellern eine vordefinierte Applikationsschnittstelle zur Verfügung, mit der sich die Maschine schrittweise in den „hybernating mode“ versetzen lässt. Über die Tastenkombination Ctrl+E auf der SINUMERIK Konsole kann der Bediener energiefressende Nebenaggregate  manuell abschalten und sogar den Energieverbrauch messen. Ein Energiemessgerät im Schaltschrank übermittelt den Energieverbrauch pro Werkstück und stellt die Grundlage für die Energieoptimierung des Zerspanungsprozesses dar.

Geschwindigkeit spart Energie

Gerade bei Universal-Bearbeitungszentren für die Bearbeitung von Kleinserien und Einzelteilen fallen Einrichtzeiten des Bearbeitungs-Jobs stark ins Gewicht. Der große Energiefresser: die Grundlast durch Nebenaggregate. SINUMERIK Operate mit der One-touch-Philosophie für das schnelle Einrichten von Maschinen verkürzt den Prozess. Weil die CNC-Programmierung in vielen Fällen noch bei offenen Schutztüren stattfindet sollte sie grundsätzlich in der Arbeitsvorbereitung erfolgen. SinuTrain oder Run MyVirtual Machine für SINUMERIK ONE helfen dabei: nicht nur durch die steuerungsidentische Offline-Erstellung der Programme, sondern auch durch verkürzte Zeiten für das spätere Einfahren der Programme an der Maschine.

Kürzeste Span-zu-Span-Zeit

Gerade bei Werkstücken in der Serienfertigung summieren sich Nebenzeiten durch die Automatisierung der Maschine: Werkzeug- und Werkstückwechsel kosten Zeit. Das Resultat: Span-zu-Span-Zeiten schlagen sich in den Energiekosten nieder. Auch hier ist SINUMERIK mit einer integrierten SIMATIC bestens aufgestellt. Durch diese Hochleistungs-SPS gepaart mit Highend-CNC-Funktionen wie Synchronaktionen oder asynchronen Unterprogrammen tragen SINUMERIK CNC-Ausrüstungen maßgeblich zur Energieeffizienz der Maschine bei.

Steigerung der OEE-Kennzahlen

Schlussendlich ist die Gesamtanlageneffizienz des Shopfloor der Gradmesser für den Energieverbrauch der Fertigung. Auch hier hilft Siemens CNC Shopfloor Management Software. Für maximale Transparenz sorgt Analyze MyPerformance /OEE Monitor. Diese Software-App ermittelt aussagekräftige Kennzahlen (KPI) zur Effizienz der Fertigung. Mit Analyze MyPerformance /OEE Tuning wird dann die Fertigung optimiert. Dazu können Zeiträume verglichen und die Wirkung von Optimierungsmaßnahmen erkannt werden. Stillstandszeiten der Maschinen können reduziert,
wenn nicht sogar eliminiert werden.

 

SINUMERIK CNC-Ausrüstungspakete und Siemens CNC Shopfloor Management Software sind also ein elementarer Beitrag zur Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen. SINUMERIK ist daher nicht nur ein Garant für maximale Performance in der Maschine, sondern gleichzeitig ein wichtiger Baustein zum energieeffizienten Shopfloor, dem Shopfloor von Morgen.

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