Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The metalworking industry is of great importance in Switzerland. In many areas, higher precision is increasingly demanded. The greatest influence on the achievable component tolerances is exerted by the thermal deviations of the machine tools, which cause up to 75% of the geometric errors on machined workpieces. The conventional measure for reducing thermal machine tool deviations is the temperature control of the machine hall and the machine tool itself. In addition, there are long warm-up cycles, in which the machine is warmed up unproductively, to achieve the required precision. However, through intelligent thermal compensation, expensive air conditioning and warm-up cycles could be avoided.In this project, the energy and resource saving potential associated with thermal compensation will be quantitatively assessed for the first time. Here, the analysis of the energy saving potential is limited to the measures that are directly related to the increase in precision.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Schweiz verfügt über eine bedeutende und im internationalen Vergleich sehr hochwertige metallverarbeitende Industrie. So schätzen z.B. Kunden als Qualitätsmerkmal die weltberühmten Schweizer Uhren für ihre hohe Präzision. Die gesamte Industrie ist daher durch die immer grösser werdenden Anforderungen an die Präzision geprägt. Dies zeigt sich sehr deutlich daran, dass gemessen an der Bevölkerungszahl in der Schweiz die meisten Werkzeugmaschinen (WZM) installiert werden. Die Schweiz ist zudem eine der grössten Werkzeugmaschinenherstellernationen weltweit. Den grössten Einfluss auf die erreichbaren Bauteiltoleranzen haben die thermischen Abweichungen der WZM. Die klassische Massnahme zur Reduktion der thermischen Maschinenabweichungen ist das Temperieren der Maschinenhalle und der WZM selbst. Hinzu kommen lange Aufwärmzyklen, in denen die Maschine unproduktiv warmgefahren wird, um die geforderte Präzision zu erreichen. Alle diese Massnahmen treiben den Energieverbrauch der Branche in die Höhe und beeinflussen daher Produktivität und Effizienz negativ. Durch eine intelligente thermische Kompensation könnten sowohl teure Klimatisierungen, wie auch Warmlaufzyklen eingespart werden. Im Projekt wurde dieses Energie- und Ressourceneinsparpotential erstmals quantitativ beurteilt. An fünf verschiedenen WZM wurde die Leistungsaufnahme parallel zu den thermischen Fehlern und der Temperatur untersucht Vier davon bei zwei verschiedenen Industriepartnern und eine direkt bei inspire, an der auch ein externes Leistungsmesssystem installiert ist. Bei all diesen Maschinen lassen sich durch thermische Kompensation deutliche Genauigkeitssteigerungen erzielen. Insbesondere in der Aufwärmphase kann die Genauigkeit deutlich gesteigert werden, sodass die WZM produktiv statt unproduktiv genutzt werden kann. Die Energieeffizienz des Gesamtsystems kann deutlich erhöht werden, da die Leerlauf-Leistungsaufnahme der untersuchten Systeme typischerweise im Bereich von 2-3 KW liegt und die Aufwärmzeit, je nach Maschine, zwischen 2-6 Stunden beträgt. Darüber hinaus wurde ein erheblicher Energieverbrauch für die Kühlung der WZM selbst und für die Klimatisierung der Umgebung festgestellt. Eine direkte Reduzierung des Energieverbrauchs, neben der Produktivitätssteigerung, erfordert die Integration der WZM-Kompensation in die Maschinensteuerung und kann nicht über die reine digitale Lageregelung erfolgen, wodurch eine Zusammenarbeit mit dem WZM-Hersteller zwingend notwendig wird. Eine Senkung des Energieverbrauchs der Umgebungstemperaturregelung muss in das Konzept der Produktionsumgebung integriert werden, z. B. kann der sekundäre Energieverbrauch der kompensierten WZM nicht direkt gesenkt werden, wenn die thermische Kompensation nicht bei allen empfindlichen WZM angewendet wird, was eine enge Zusammenarbeit mit dem Anwender und sein Bewusstsein für thermische Probleme erfordert. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass in der Schweiz ein jährliches Einsparpotential von 25-50 GWh Kühlleistung von WZM durch thermische Kompensation vorliegt
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Switzerland has a significant and, by international standards, very high-quality metalworking industry. For example, customers value the world-famous Swiss watches for their high precision as a sign of quality. The entire industry is therefore characterized by the ever-increasing demands on precision. This is very clearly demonstrated by the fact that, measured against the size of the population, the largest number of machine tools (MT) are installed in Switzerland. Switzerland is also one of the largest machine tool manufacturing nations in the world. The thermal deviations of the machine tools have the largest influence on the component tolerances that can be achieved. The standard measure to reduce thermal machine deviations is to temper the machine shop and the MT itself. In addition, there are long warm-up cycles in which the machine is warmed up unproductively in order to achieve the required precision. All these measures drive up the energy consumption of the industry and therefore negatively affect productivity and efficiency. Intelligent thermal compensation could save both expensive air conditioning and warm-up cycles. In the project, this energy and resource saving potential was quantitatively assessed for the first time. On five different MT, power consumption was investigated in parallel with thermal faults and temperature Four of them at two different industrial partners and one directly at inspire, on which an external power measurement system is also installed. In all of these machines, significant increases in accuracy can be achieved through thermal compensation. Especially in the warm-up phase, the accuracy can be significantly increased so that the MT can be used productively instead of unproductively. The energy efficiency of the overall system can be significantly increased, as the no-load power consumption of the systems studied is typically in the range of 2-3 KW and the warm-up time is between 2-6 hours, depending on the machine. In addition, significant energy consumption was found for cooling the MT itself and for air conditioning the environment. A direct reduction of the energy consumption, besides the increase in productivity, requires the integration of the MT compensation into the machine control and cannot be done via the pure digital position control, which makes a cooperation with the MT manufacturer mandatory. Reducing the energy consumption of the ambient temperature control must be integrated into the concept of the production environment, e.g., the secondary energy consumption of the compensated MT cannot be directly reduced if thermal compensation is not applied to all sensitive MT, which requires close cooperation with the user and his awareness of thermal problems. The results of the study show that in Switzerland there is an annual savings potential of 25-50 GWh of cooling capacity of MT through thermal compensation.
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Schlussbericht
(Französisch)
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La Suisse dispose d'une industrie de transformation des métaux importante et de très haute qualité en comparaison internationale. Les clients apprécient par exemple, comme gage de qualité, les montres suisses mondialement connues pour leur grande précision. L'ensemble de l'industrie se caractérise donc par des exigences de précision toujours plus grandes. Cela se traduit très clairement par le fait que, par rapport au nombre d'habitants, c'est en Suisse que sont installées le plus grand nombre de machines-outils (MO). La Suisse est en outre l'une des plus grandes nations productrices de machines-outils au monde. Ce sont les écarts thermiques des machines-outils qui ont la plus grande influence sur les tolérances de pièces réalisables. La mesure classique pour réduire les écarts thermiques de la machine consiste à tempérer la salle des machines et la machine-outil elle-même. A cela s'ajoutent de longs cycles de chauffe pendant lesquels la machine est chauffée de manière improductive afin d'atteindre la précision requise. Toutes ces mesures font grimper la consommation d'énergie du secteur et ont donc une influence négative sur la productivité et l'efficacité. Une compensation thermique intelligente permettrait d'économiser à la fois des climatisations coûteuses et des cycles de chauffe. Dans le cadre du projet, ce potentiel d'économie d'énergie et de ressources a été évalué pour la première fois de manière quantitative. La puissance absorbée a été étudiée sur cinq machines-outils différentes, parallèlement aux erreurs thermiques et à la température. Quatre d'entre elles ont été installées chez deux partenaires industriels différents et une directement chez inspire, sur laquelle est également installé un système externe de mesure de la puissance. Sur toutes ces machines, la compensation thermique permet d'obtenir de nettes améliorations de la précision. La précision peut notamment être nettement améliorée pendant la phase de réchauffement, ce qui permet d'utiliser le MO de manière productive plutôt qu'improductive. L'efficacité énergétique de l'ensemble du système peut être nettement améliorée, car la puissance absorbée à vide des systèmes étudiés est typiquement de l'ordre de 2 à 3 KW et le temps de préchauffage est de 2 à 6 heures, selon la machine. En outre, une consommation d'énergie considérable a été constatée pour le refroidissement de la machine-outil elle-même et pour la climatisation de l'environnement. Une réduction directe de la consommation d'énergie, en plus de l'augmentation de la productivité, nécessite l'intégration de la compensation du MO dans la commande de la machine et ne peut pas se faire par la seule régulation numérique de la position, ce qui rend obligatoire une collaboration avec le fabricant du MO. La réduction de la consommation d'énergie du contrôle de la température ambiante doit être intégrée dans le concept de l'environnement de production ; par exemple, la consommation d'énergie secondaire des machines-outils compensées ne peut pas être réduite directement si la compensation thermique n'est pas appliquée à toutes les machines-outils sensibles, ce qui nécessite une étroite collaboration avec l'utilisateur et sa sensibilisation aux problèmes thermiques. Les résultats de l'étude montrent qu'il existe en Suisse un potentiel d'économie annuel de 25 à 50 GWh de puissance de refroidissement des machines-outils grâce à la compensation thermique.
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Schlussbericht
(Italienisch)
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La Svizzera ha un'industria metallurgica importante e, per gli standard internazionali, di altissima qualità. Ad esempio, i clienti apprezzano gli orologi svizzeri, famosi in tutto il mondo, per la loro alta precisione come segno di qualità. L'intero settore è quindi caratterizzato da esigenze di precisione sempre maggiori. Lo dimostra chiaramente il fatto che, in rapporto alla popolazione, il maggior numero di macchine utensili (MU) è installato in Svizzera. La Svizzera è anche uno dei maggiori produttori di macchine utensili al mondo. Le deviazioni termiche delle macchine utensili hanno la massima influenza sulle tolleranze ottenibili dei componenti. La misura classica per ridurre le deviazioni termiche della macchina consiste nel temprare la sala macchina e la macchina utensile stessa. Inoltre, ci sono lunghi cicli di riscaldamento in cui la macchina viene riscaldata in modo improduttivo per ottenere la precisione richiesta. Tutte queste misure fanno aumentare il consumo energetico dell'industria e quindi influenzano negativamente la produttività e l'efficienza. Grazie alla compensazione termica intelligente, è possibile risparmiare i costosi cicli di condizionamento e riscaldamento. Nel progetto, questo potenziale di risparmio energetico e di risorse è stato valutato quantitativamente per la prima volta. Su cinque diversi MU, il consumo di energia è stato esaminato in parallelo con i guasti termici e la temperatura Quattro di essi presso due diversi partner industriali e uno direttamente presso l'ispettore, su cui è installato anche un sistema di misurazione della potenza esterno. Con tutte queste macchine, è possibile ottenere un significativo aumento della precisione grazie alla compensazione termica. Soprattutto MU fase di riscaldamento, la precisione può essere aumentata in modo significativo, in modo che il MU possa essere utilizzato in modo produttivo anziché improduttivo. L'efficienza energetica del sistema complessivo può essere aumentata in modo significativo, poiché il consumo di energia a vuoto dei sistemi analizzati è tipicamente dell'ordine di 2-3 KW e il tempo di riscaldamento è compreso tra 2 e 6 ore, a seconda della macchina. Inoltre, è stato riscontrato un consumo energetico significativo per il raffreddamento del MU stesso e per la climatizzazione dell'ambiente. Una riduzione diretta del consumo energetico, oltre all'aumento della produttività, richiede l'integrazione della compensazione MU nel controllo della macchina e non può essere effettuata tramite il puro controllo digitale della posizione, il che rende obbligatoria la collaborazione con il produttore di MU. La riduzione del consumo energetico del controllo della temperatura ambiente deve essere integrata nel concetto di ambiente di produzione, ad esempio il consumo di energia secondaria degli MU compensati non può essere ridotto direttamente se la compensazione termica non viene applicata a tutti gli MC sensibili, il che richiede una stretta collaborazione con l'utente e la sua consapevolezza dei problemi termici. I risultati dello studio mostrano che in Svizzera esiste un potenziale di risparmio annuale di 25-50 GWh di capacità di raffreddamento di MU attraverso la compensazione termica.
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