Energieeffizienz bei CNC-Maschinen: Verbrauch messen und gezielt senken
Energieeffizienz in der CNC-Fertigung bedeutet, ein gefordertes Bearbeitungsergebnis mit möglichst wenig Energie zu erreichen. Entscheidend ist deshalb nicht allein die Leistung der Spindel. Auch Wartezeiten, Kühlung, Druckluft, Ausschuss und das Wiederanfahren gehören zur Bilanz. Ein guter Einstieg ist die Frage: Wie viele Kilowattstunden benötigen wir für ein freigegebenes Gutteil?
Kilowatt sind nicht Kilowattstunden
Die elektrische Leistung in Kilowatt beschreibt, wie schnell eine Maschine Energie aufnimmt. Die elektrische Energie in Kilowattstunden ergibt sich aus Leistung und Zeit. Bei gleichbleibender Leistung gilt E = P × t. Eine Aufnahme von 2 kW über drei Stunden entspricht 6 kWh. Schwankt die Leistung, werden die einzelnen Zeitabschnitte berücksichtigt oder die Energie direkt mit einem geeigneten Zähler erfasst.
Ein niedriger Momentanwert beweist daher noch keinen sparsamen Prozess. Läuft ein Bearbeitungsschritt deutlich länger, kann seine Gesamtenergie trotz kleinerer Leistung steigen. Außerdem ist die Nennleistung auf einem Motortypenschild kein Messwert für den gesamten Auftrag. Sie ersetzt weder die Erfassung des tatsächlichen Betriebs noch die Berücksichtigung der Nebenaggregate.
Für wiederkehrende Teile eignet sich die Kennzahl Energie je Gutteil = zugeordnete Energie / Anzahl freigegebener Teile. Die Bezugsgrenze muss feststehen: Wird nur die Maschine gemessen oder gehören zentrale Druckluftversorgung und Absaugung dazu? Nur gleich abgegrenzte Werte sind sinnvoll vergleichbar.
Animation: Wo Energie im Arbeitsablauf anfällt
Die vier Stationen unterscheiden Rüsten, Bearbeiten, Warten und einen freigegebenen Energiesparzustand. Die Balken sind qualitative Symbole, keine Messwerte einer bestimmten Maschine. „Weiter“ schaltet einzeln um; „Start“ spielt den Ablauf ab und lässt sich pausieren.
Station 1 von 4
Beim Rüsten benötigen eingeschaltete Komponenten bereits Energie, obwohl noch kein Gutteil entsteht.
- Beim Rüsten benötigen eingeschaltete Komponenten bereits Energie, obwohl noch kein Gutteil entsteht.
- Beim Bearbeiten zählen die gesamte Energie, die Bearbeitungsdauer und das erreichte Qualitätsergebnis.
- Wartezeiten können Energie verbrauchen, ohne die Stückzahl zu erhöhen. Ihre Ursachen werden dokumentiert.
- Ein freigegebener Sparzustand reduziert den Bedarf. Wiederanlauf, Temperatur und Maßhaltigkeit gehören zur Bewertung.
Rechenbeispiel: dieselben 20 Gutteile, weniger Warteenergie
Die folgenden Werte sind ein frei gewähltes Lehrbeispiel. Sie beschreiben keine konkrete Maschine und sind keine Einspargarantie. Angenommen, innerhalb einer achtstündigen Schicht entstehen 20 Gutteile. Die mittleren Leistungen der Zustände werden für diese Rechnung als konstant angenommen.
| Zustand | Dauer | Mittlere Leistung | Energie |
|---|---|---|---|
| Bearbeiten | 4 h | 5 kW | 20 kWh |
| Rüsten und Warten | 3 h | 2 kW | 6 kWh |
| Sparzustand | 1 h | 0,5 kW | 0,5 kWh |
| Gesamt | 8 h | – | 26,5 kWh |
Damit ergeben sich 26,5 / 20 = 1,325 kWh je Gutteil. Nun wird eine Stunde vermeidbarer Wartezeit in den bereits freigegebenen Sparzustand verlagert. Die Bearbeitung bleibt unverändert. Der neue Bedarf beträgt 20 + 2 × 2 + 2 × 0,5 = 25 kWh, entsprechend 1,25 kWh je Gutteil. Die Differenz beträgt 1,5 kWh beziehungsweise rund 5,7 Prozent.
Zusätzliche Energie beim Wiederanlauf ist in dieser vereinfachten Rechnung nicht enthalten. Im realen Vergleich muss sie mitgemessen werden. Bei einem ausdrücklich angenommenen Arbeitspreis von 0,30 Euro je kWh entsprächen die 1,5 kWh einer Differenz von 0,45 Euro je Schicht. Das ist nur die variable Stromkostenkomponente; daraus folgt noch keine vollständige Wirtschaftlichkeitsrechnung.
Welche Maßnahmen lohnen die Prüfung?
Nebenzeiten verkürzen
HEIDENHAIN beschreibt den Einfluss der energetischen Grundlast auf den Verbrauch während des Einrichtens. Werkzeuge, Spannmittel und Unterlagen vor dem Maschinenstillstand bereitzustellen, kann deshalb auch energetisch sinnvoll sein. Der Ansatz passt zur Rüstzeitverbesserung mit SMED. Entscheidend bleibt, ob die Änderung im vollständigen Ablauf Zeit und Energie spart.
Standby passend zur Pause einsetzen
Die TU Darmstadt zeigt im Projekt ETA-Transfer, wie Energieeffizienzmodi den Bedarf in Nebenzeiten reduzieren können. Welche Aggregate abgeschaltet werden dürfen, ist maschinenspezifisch. Eine kurze Unterbrechung verlangt möglicherweise eine andere Strategie als das Schichtende. Herstellerfunktionen, notwendige Nachläufe und der definierte Wiederanlauf bilden die Grundlage.
Nebenaggregate und Druckluft betrachten
Kühlung, Hydraulik und Absaugung können zum Gesamtbedarf beitragen. Fraunhofer IPK nennt bedarfsgerechten Betrieb, geregelte Pumpen und Wartung als Ansatzpunkte. Erforderliche Prozess- und Schutzfunktionen müssen dabei erhalten bleiben. Druckluftleckagen gehören ebenfalls auf die Maßnahmenliste: KAESER beschreibt hierfür die systematische Ortung und Behebung. Ein sinkender Maschinenstrom allein beweist keine Einsparung, wenn Energiebedarf nur zur zentralen Versorgung verlagert wird.
Ausschuss vermeiden
Entstehen bei unveränderten 26,5 kWh nur 19 statt 20 Gutteile, steigt die Kennzahl auf etwa 1,395 kWh je Gutteil. Das zeigt rechnerisch, warum eine vermeintlich sparsame Einstellung mit schlechterer Qualität nachteilig sein kann. Ein stabiler Prozess und ein gepflegter Wartungsplan gehören deshalb zur Bewertung.
So wird ein Vergleich belastbar
- Grenze definieren: Erfasste Verbraucher und zugeordnete zentrale Versorgung aufschreiben.
- Referenz festhalten: Gleiches Bauteil, Material, Los und Qualitätsanforderungen verwenden.
- Zustände protokollieren: Rüsten, Bearbeiten, Warten, Sparzustand und Wiederanlauf zeitlich zuordnen.
- Eine Änderung bewerten: Energie, Gutteile, Ausschuss und Gesamtdauer gemeinsam vergleichen.
- Wiederholen: Werkzeugzustand, Temperatur und Losgröße als mögliche Einflussgrößen berücksichtigen.
- Standardisieren: Bewährte Einstellungen, Zuständigkeit und Kontrolltermin dokumentieren.
Für elektrische Messungen muss die Messtechnik zur Anlage passen. Arbeiten an fest angeschlossenen Drehstromanlagen gehören in fachkundige Hände. Vorhandene Energiezähler oder freigegebene Messsysteme sind ein geeigneter Ausgangspunkt; eine Stromanzeige allein liefert bei wechselnden Lasten noch keine vollständige Wirkleistungsbilanz.
Häufige Fragen
Ist langsameres Fräsen immer sparsamer?
Nein. Eine längere Laufzeit kann den Energiebedarf der Grundlast erhöhen. Schnittwerte müssen Werkzeug, Werkstoff und Qualitätsziel entsprechen. Verglichen wird die gesamte Energie für dasselbe Ergebnis.
Sollte die Maschine in jeder Pause ausgeschaltet werden?
Das lässt sich nicht pauschal beantworten. Wiederanlaufzeit, thermischer Zustand und notwendige Funktionen können dagegen sprechen. Ein freigegebener Sparmodus wird zusammen mit seiner Rückkehr in den Produktionszustand geprüft.
Reicht der Stromzähler der Werkstatt?
Er zeigt den Gesamtverbrauch, trennt aber gleichzeitig laufende Verbraucher nicht automatisch. Für einen Maschinenvergleich braucht es eine geeignete Abgrenzung oder ein nachvollziehbares Messkonzept.
Quellen und Vertiefung
- HEIDENHAIN: Aspekte der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen – Grundlast und Nebenzeiten.
- TU Darmstadt: ETA-Transfer – Maßnahmen und Energieeffizienzmodi.
- Fraunhofer IPK: Stromverbrauch im Blick – Einflussgrößen des Maschinenverbrauchs.
- KAESER: Mit Leckagemanagement Energieverluste minimieren – Druckluftversorgung.