Energiebedarfsoptimierte Motorspindel und angepasster elektrischer Antriebsstrang (EnergieMSP)

Problemstellung:
Herstellern und Anwendern von Werkzeugmaschinen ist der tatsächliche Energieverbrauch ihrer Maschinen zumeist nicht bekannt. Untersuchungen haben ergeben, dass der Energieverbrauch in der Nutzungsphase bis zu 20% der gesamten Lebenszykluskosten einer Werkzeugmaschine ausmacht.
Neben den Stromkosten sind auch die verursachten Umweltbeeinträchtigungen relevant. Eine durchschnittliche Werkzeugmaschine emittiert indirekt über ihren Stromverbrauch pro Jahr so viel CO2 wie 10 PKW.
Die Kernkomponente Hauptspindel und die zum Betrieb notwendigen Peripherieaggregate stellen gemeinsam einen signifikanten Verbraucher dar. Die Speisung der Spindelmotoren für Werkzeugmaschinen erfolgt üblicherweise durch Zweipunkt-Wechselrichter (Frequenzumrichter). Bedingt durch die taktende Arbeitsweise des Umrichters entstehen neben den gewünschten sinusförmigen Motorspeisegrößen auch unerwünschte Oberschwingungsanteile. Je nach Höhe der Oberschwingungsanteile wird der Wirkungsgrad des Antriebs gemindert. Das Leistungsvermögen sowie der Wirkungsgrad von Hauptspindelantrieben werden entscheidend durch den Aufbau des Motors (Wirkprinzip und Bauweise) und die Konzeption der Speisung bestimmt.

Ziel
Durch eine konsequente, ganzheitliche Optimierung der mechanischen und elektromechanischen Komponenten sowie der regelungstechnischen Konzepte sollte ein erhebliches Potential zur Erhöhung des energetischen Wirkungsgrades von Motorspindeln erschlossen werden.

Vorgehensweise
Zum Erreichen des Zieles des Vorhabens EnergieMSP wurde in vier Phasen vorgegangen:
In der Analysephase wurden eine bestehende Motorspindel und die Peripheriekomponenten untersucht.
Aufbauend auf den Ergebnissen der Analysephase wurden in der Konzeptphase Lösungskonzepte für die einzelnen Komponenten und das Gesamtsystem erarbeitet.
Im Anschluss wurden die entwickelten Konzepte in der Optimierungsphase von allen Partnern, die jeweils Spezialist für einzelne Systemkomponenten waren, verglichen und optimiert.
Als Ergebnis des Vorhabens wurde in der Anwendungsphase ein Prototyp eines Motorspindelsystems gefertigt und aufgebaut. an dem die möglichen Einsparung messtechnisch verifiziert wurden.

Ergebnisse und Anwendungspotential
In der Analysephase wurde der Energieaufwand der Einzelkomponenten des Motorspindelsystems bestimmt und die Verlustquellen identifiziert. Dazu wurden die Systemgrenzen entsprechend definiert. Diese beinhalten die Motorspindel mit Lagerung, Werkzeugspanner, Drehdurchführung, Löseeinheit und Elektromotor. Ebenfalls innerhalb der Systemgrenzen wurden Umrichter, Hydraulikaggregat und Schmieraggregat betrachtet. Die Drucklufterzeugung zählt nicht zu dem System, da hier der Stand der Technik eine zentrale Versorgung ganzer Fertigungshallen oder Firmen ist. Die Betrachtung hier beschränkte sich auf die Menge der verbrauchten Druckluft. Außerdem wurde innerhalb des Projektes das Potential einer Leichtbauwelle untersucht und die Reibungsverluste von Magnetlagerungen untersucht, sowie deren Berechnungsmethoden weiterentwickelt. Als Nebenergebnis des Vorhabens entstand zusätzlich eine magnetgelagerte Motorspindel, die in der Lage ist, einen Fräsprozess durchzuführen.
Im Verbundvorhaben entstand eine Prototypspindel mit erheblichen Verbesserungen in Bezug auf die Energie- und Ressourceneffizienz. Als Werkzeugspannsystem kam das Prinzip einer Gasdruckfeder zum Einsatz. Diese kann durch eine sehr flache Federkennlinie sehr effizient arbeiten. Als Lösevorrichtung wurde ein elektromechanisches System verwendet. Der Elektromotor konnte durch hochwertige Elektrobleche, spezielle Magneten und angepasste Wickelverfahren optimiert werden.
Druckluft wurde bei der Ausgangsspindel als signifikanter Verbraucher identifiziert. Trotz des hohen Drehzahlkennwertes benötigt die im Vorhaben entwickelte Prototypspindel keine Druckluft für den sicheren Betrieb. Es gelang innerhalb des Projektes eine reibungsoptimierte Lagerung auszulegen, die betriebssicher mit Fett geschmiert werden kann. Zur Spindelabdichtung erhielt das ursprüngliche Sperrluftlabyrinth eine Geometrie, die eigenständig Luft durch die Motorspindel fördert und damit die Dichtfunktion sicherstellt.
Seitens der Einspeisung wurden verschiedene Maßnahmen getroffen die Oberwellenverluste zu minimieren. Durch softwareseitige Anpassungen im Regelverhalten ließen sich weitere Einsparungen erzielen.
Es wurde ein Prototyp einer Leichtbauwelle hergestellt. Die Gewichtseinsparungen gegenüber einer Stahlwelle lagen bei etwa 48%. Die Reduzierung des Massenträgheitsmoments war geringer, da sich Magneten und Blechpaket der Synchronspindel, prinzipbedingt am größten Durchmesser der Welle angebracht, nicht durch Faserverbundwerkstoffen substituiert werden können.
Insgesamt konnte nachgewiesen werden, dass die Prototypspindel ca. 38% weniger elektrische Verluste erzeugt. Zusätzlich konnten, im Vergleich zur Basisspindel, 7200NL/h Druckluft eingespart werden, da an der Projektspindel gänzlich auf Druckluft verzichtet wurde. Die Leichtbauwelle bietet zusätzliches Potential, da der Energieaufwand zum Beschleunigen und Abbremsen der rotierenden Komponenten erheblich geringer ausfällt.
Die Prototypspindel wurde in eine Fertigungsmaschine verbaut, um den praktischen Einsatz und die Haltbarkeit zu überprüfen.
Durch die Zusammensetzung der Partner des Vorhabens EnergieMSP mit führenden Unternehmen der jeweiligen Branche können die erarbeiteten Ergebnisse sehr schnell in andere Produkte überführt, umgesetzt und weiterentwickelt werden. Durch die sehr enge Zusammenarbeit zwischen den Partnern, den Spindelherstellern und den Werkzeugmaschinenherstellern ist die Verbreitung und Anwendung der im Projekt erzielten Ergebnisse sichergestellt. Die Hochschulinstitute pflegen enge Kontakte zu unterschiedlichen Industriepartnern sowie zu weiteren Forschungsinstituten, was die Verbreitung und Anwendung der erarbeiteten Ergebnisse insbesondere in Industriezweigen außerhalb der Werkzeugmaschinenbranche unterstützt.

• ARADEX Aktiengesellschaft
• Franz Kessler GmbH
• MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress K.-G.
• Mecatronix GmbH
• Ott-Jakob Spanntechnik GmbH
• Schaeffler Technologies AG & Co. KG
• Technische Universität Darmstadt