EnOpWeMa: Wegbereiter für eine nachhaltige Zukunft in der Fertigungsindustrie

Was kann die deutsche Wirtschaft tun, um mit ihrer Produktion eine marktführende Produktion zu bleiben? Werkzeugmaschinen als Kernstück der Produktion haben schon immer eine entscheidende Rolle gespielt. Von der Automobilindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt ist die Nachfrage nach hochpräzisen, intelligenten Werkzeugmaschinen in Deutschland nach wie vor groß. Im Jahr 2023 erreichte die deutsche Werkzeugmaschinenindustrie einen Produktionswert von 15,24 Milliarden Euro und die Exporte machten 69 % der weltweit größten Werkzeugmaschinenexporteure aus.^[1] Mit der kontinuierlichen Innovation der Technologie ändert sich diese Nachfrage schnell in Richtung Digitalisierung und grüne Fertigung, was der High-End-Fertigung einen starken Impuls verleiht.

In der High-End-Fertigung ist die thermo-elastische Strukturverformung einer der wichtigsten Faktoren, die die Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen beeinflussen. Der Literatur^[2] zufolge stammen die Hauptwärmequellen aus der Spindel, dem Vorschubsystem, der Schnittwärme und der Umgebungswechselwirkungen. Diese Wärmemengen akkumulieren sich über einen langen Betriebszeitraum auf und lösen kleine thermo-elastische Verformungen der Komponenten aus, die zu Veränderungen der relativen Position zwischen der Werkzeugspitze und dem Werkstück führen, was sich direkt auf die Werkstückgenauigkeit und die Bearbeitungsqualität auswirkt. Zur Verringerung der thermo-elastische Verformung sind Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmemanagements erforderlich, wie z. B. die Optimierung der Konstruktion, die Verwendung wärmeisolierender Materialien, die Konfiguration von Kühlsystemen und die Temperierung der Umgebung erforderlich, um eine hohe Präzision und Stabilität der Bearbeitung gewährleistet zu gewährleisten. Solche Verfahren führen wiederum zu einem Anstieg der Kosten und des Energieverbrauchs.

Zielstellung von EnOpWeMa

Es werden innovative Forschungsarbeiten durchgeführt, die auf einer ganzheitlichen Betrachtung der internen und externen thermischen Zustände von Werkzeugmaschinen sowie auf Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz und der gesamtheitlichen Temperierung basieren. Gesamtziel des Projekts ist es, den Energiebedarf während des Betriebs von Werkzeugmaschinen um 30 % zu senken. Dabei ist das erste Teilziel viele dezentrale Wärme- und Kälteverbraucher zu einem zentralisierten fluidmechanischen System in der Werkzeugmaschine zusammenzuführen und im zweiten Teilziel die Wärme- und Kälteenergie in der Werkstattinfrastruktur auffangbar und wiederverwendbar zu machen.

Geplante Arbeitspunkte

IWU-seitig konzentriert sich die Projektbearbeitung mit der Schnittstelle zwischen Werkzeugmaschine und Fabrikhalle. Es sind simulationsbasierter Berechnungen zum energetischen Haushalt der Werkzeugmaschine nach Optimierung des fluidmechanischen Systems unter Berücksichtigung von Wechselwirkungen der Hallenklimatisierung geplant. Weiterführend sind Herangehensweisen für die Energierückgewinnung durch Auffangen, Speicherung und Wiederverwendung von Abwärme zu erforschen.

Im Rahmen des Gesamtprojekts sind die Arbeitsschritte in folgende Bereiche unterteilt:

• Umfassende thermische Analyse der Werkzeugmaschine: Eine gründliche Bewertung der internen und externen Wärmequellen der Werkzeugmaschine identifiziert die wichtigsten Punkte für Wärmeverluste und Energieverschwendung.
• Einsatz eines Luftkühlungssystems: Im Rahmen des Projekts wird ein Luftkühlungssystem eingeführt, das eine kompressorbetriebene Kühlanlage aktiviert, wenn die Maschine unter hoher Last läuft, um den Kühlprozess zu optimieren und den Energieverbrauch zu minimieren.
• Lastabhängige Kühlmittelverteilung: Durch die dynamische Anpassung des Kreislaufs des Kühlmittels an unterschiedliche Lastbedingungen wird die Energieverschwendung bei geringer Last reduziert.
• Optimierung von Kühl- und Schmiersystemen: Die Konstruktion des Kühlschmiersystems wird überarbeitet und dessen thermische Stabilität verbessert, um sicherzustellen, dass während des gesamten Bearbeitungsprozesses konstante Temperaturen aufrechterhalten werden, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert wird.
• Auslegung des energetischen Haushaltes:  In Abhängigkeit der Umgebungsrandbedingungen und den Betriebsbedingungen der optimierten Werkzeugmaschinen werden optimale Energienutzungsstrategien entwickelt, um sowohl hohe Leistung als auch Energieeinsparungen zu erzielen.
• Wärmerückgewinnung: Es wird untersucht, wie die von Werkzeugmaschinen abgegebene Abwärme in andere Prozesse in der Werkstatt übertragen werden kann, so dass ein geschlossenes Energiesystem entsteht und der Bedarf an zusätzlicher Energie verringert wird.

Erwartete Ergebnisse des Projekts

Durch das optimierte Fluidsystemdesign und technische Verbesserungen wird eine deutliche Einsparung der elektrischen Antriebsenergie von Werkzeugmaschinen und deren Hilfsausrüstung erzielt. Dies reduziert nicht nur unmittelbar die Stromkosten des Unternehmens, sondern verringert auch die Kohlendioxidemissionen. Die effiziente Energienutzung leistet zudem einen positiven Beitrag zu den politisch angestrebten Zielen der CO2-Neutralität. Darüber hinaus wird die Optimierung der thermischen Stabilität und Temperaturregelung der Werkzeugmaschinen die Fertigungsgenauigkeit erhöhen, die Ausschussrate reduzieren und zusätzliche Einsparungen bei Rohstoffen und Betriebsmitteln ermöglichen. Das Projekt wird außerdem durch innovatives Design die Menge des eingesetzten Kühlschmiermittels senken, den Energieverbrauch während der Produktion und Verarbeitung reduzieren und die Umweltbelastung verringern.  Durch die Betrachtung der Rückkopplungen auf das gesamte Fabriksystem können auch übergreifende Effizienzgewinne erwartet werden.

Das Projekt EnOpWeMa zielt nicht nur darauf ab, die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen zu verbessern, sondern auch den Wandel der gesamten Branche hin zu einer nachhaltigen Entwicklung zu fördern. Durch die Integration und Optimierung bestehender Technologien bietet das Projekt eine umweltfreundlichere und wirtschaftlichere Lösung für die Zukunft der Fertigungsindustrie und trägt dazu bei, ein emissionsarmes, hocheffizientes Produktionssystem zu erreichen. Der Erfolg dieses Projekts wird anderen Branchen wertvolle Erkenntnisse zur Förderung umfassenderer Nachhaltigkeitspraktiken liefern.

EnOpWeMa setzt sich als Verbundprojekt aus sechs Projektpartnern – DMG MORI Seebach GmbH, HYDAC Cooling GmbH, Hydraulik Schwerin GmbH, Interlit Filtration GmbH, Fraunhofer IWU und TU Dresden sowie einem assoziierten Projektpartner ETA-Solutions GmbH zusammen.

Literatur

[1]. WERKZEUGMASCHINENFABRIKEN, Verein Deutscher. Marktbericht 2023 Market Report 2023.

[2]. BRYAN, Jim. International status of thermal error research (1990). CIRP annals, 1990, 39. Jg., Nr. 2, S. 645-656.

Quelle Titebild: Von ChatGPT generiert am 13.01.2025 um 10:02 Uhr.