DE102020122093B4

DE102020122093B4 - Zerspanend-arbeitende-werkzeugvorrichtung-energienutzungsvorrichtung sowie zerspanend-arbeitendes-werkzeugvorrichtung-energienutzungsverfahren

Info

Publication number: DE102020122093B4
Application number: DE102020122093.6A
Authority: DE
Inventors: Henning Strauss; Bendix-Michael Tank; Bendix-Kai Tank
Original assignee: Fachhochschule Kiel
Current assignee: Fachhochschule Kiel
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2023-02-23
Anticipated expiration: 2040-08-25
Also published as: DE102020122093A1

Abstract

Zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung (12) anordenbar an oder integriert in eine zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung mit einem Spanförderer (8) mit Kühlschmierstoffbetrieb aufweisend- einen Wärmetauscher (2) und eine Wärmepumpe (3) zur Wärmeentnahme aus einem Kühlschmierstoff (6) des Spanförderers (8) und- ein Fördermittel zu einem Wärmenutzer (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung.
Ferner betrifft die Erfindung ein zerspanend-arbeitendes-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsverfahren.
Beim Einsatz von einfachen oder komplexen Systemen mit Bearbeitungs- und/oder Verarbeitungsprozessen mit Werkstück-Bearbeitungsmaschinen, wie insbesondere Zerspanungsmaschinen, entsteht Abwärme durch Prozesswärme im Umfeld der Maschine und in den Werkstücken. Es wurde nunmehr diesseits erkannt, dass auch an den Abfallprodukten, den Spänen beispielsweise beim Zerspanprozess, nutzbare Abwärme entsteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energienutzungsanordnung bei Zerspanprozessen zu realisieren, die adaptiv an bestehende Systeme und Werkzeugmaschinen bzw. Werkzeugvorrichtungen ankoppelbar ist oder bereits ab Werk in bestehende Systeme und Werkzeugmaschinen integriert werden kann, wobei nicht genutzte Energie aufgenommen wird und weiterprozessiert und damit genutzt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe mit einer zerspanend-arbeitenden-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung gemäß Hauptanspruch sowie einem Energienutzungsverfahren für eine zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung gemäß nebengeordnetem Anspruch.
Die zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung, die an einer zerspanend-arbeitenden-Werkzeugvorrichtung anordenbar bzw. an diese anschließbar oder aber quasi ab Werk in eine zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung integriert werden kann, wobei die zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung mit einem Spanförderer mit Kühlschmierstoffbetrieb ausgestattet ist, weist auf:

- einen Wärmetauscher und eine Wärmepumpe zur Wärmeentnahme aus einem Kühlschmierstoff des Spanförderers

- ein Fördermittel zu einem Wärmenutzer.

Hierdurch ist es möglich die Wärme der Späne im Bereich des Spanförderers über den Kühlschmierstoff zu entnehmen und diese über entsprechende Wärmetransportmöglichkeiten der weiteren Nutzung zur Verfügung zu stellen.
Insbesondere kann der Wärmenutzer ausgewählt sein aus:

Heizung, Heizungsanlage, thermoelektrischer Generator, pyroelektrisches Kraftwerk, andere Maschine, wobei die Energienutzung lokal oder auch extern erfolgen kann.

Weiter kann der Wärmetauscher zusätzlich an weitere Wärmequellen der zerspanend-arbeitenden-Werkzeugvorrichtung angebunden sein, wobei diese auswählbar sind aus: Kühlschmierstoff, Kühlung Schaltschrank, Kühlung Werkzeugspindel, Kühlung Umrichter und/oder Behälter des Wärmelieferanten.
Das erfindungsgemäße Energienutzungsverfahren für eine zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung umfasst das Entziehen von Wärmeenergie aus den Abfallprodukten des Zerspanprozesses.
Hierdurch wird es erstmalig möglich eine große Menge an ungenutzter thermischer Energie weiter zu verwenden.
Das Entziehen der Wärmeenergie aus den Abfallprodukten des Zerspanprozesses kann besonders bevorzugt durch Wärmeentzug aus dem Kühlschmierstoff des Spanförderers erfolgen.
Weiter kann weitere nutzbare Wärmeenergie zusätzlich genutzt werden, wobei diese ausgewählt ist aus Kühlschmierstoff, Kühlung Schaltschrank, Kühlung Werkzeugspindel, Kühlung Umrichter und/oder Behälter des Wärmelieferanten.
Weitere Erläuterungen der Erfindung:
Bei Zerspannungsprozessen entsteht durch die Interaktion von Werkzeug und Werkstück reibungsbedingt Prozesswärme. Hierbei entsteht Wärme, wobei die Temperaturen der bearbeitenden Fläche als auch der Abfallteile des bearbeiteten Werkstücks 650 °C oder mehr sein können. Es wurde erkannt, dass ca. 70% dieser Prozesswärme über den abfallenden Span abgeführt wird und diese ungenutzt bleibt.
Der Span landet im Kühlschmierstoffgemisch der Werkzeugmaschine bei Werkstückbearbeitung mit Kühlschmiermittel bzw. fällt herab, wenn trocken zerspant wird. In modernen Werkzeugmaschinen ist immer ein Spanförderer vorgesehen, der häufig mit Kühlschmierstoff gespült wird, so dass auch bei Trockenbearbeitung des Werkstücks letztendlich der abfallende Span mit einem Kühlschmiermittel in Berührung kommt.
Die im Span gebundene Wärmeenergie wird dann an den Kühlschmierstoff übergeben, was zu einer Temperaturerhöhung im Kühlschmierstoff führt. Diese Energie wird dann durch die diesseitige Erfindung nutzbar gemacht, da es sich hierbei um eine großen Energiemenge in Form von Temperatur handelt.
Die Erfindung soll durch Verwendung einer Wärmepumpe die beim Zerspanungsvorgang entstehende Prozesswärme nutzbar machen.
Als Vorteile ergeben sich insbesondere eine Erhöhung der Ressourceneffizienz, eine Verbesserung des Umweltschutzes durch Nutzung der bisher ungenutzten großen Wärmepotentiale der Späne sowie eine Kostensenkung bei Fertigungsprozessen und im Fabrikbetrieb.
Die bekannten Lösungen zur Nutzung von Wärme sind entweder zu kompliziert oder bieten nicht die Möglichkeit ohne weiteres auf Umgestaltungen innerhalb der Räume zu reagieren, wobei die Nutzung der Abwärme der Späne bisher gar nicht in Erwägung gezogen wurde.
Eine Energieausbeutung der Maschine an sich beim eigentlichen Prozess ist nicht sinnvoll, da bei den hochpräzisen Arbeiten am Werkstück schon kleine Temperaturveränderungen am Werkstück möglicherweise zu Ungenauigkeiten am bearbeiteten Werkstück führen.
Als derzeit nächstkommender Stand der Technik dürfte allgemein der Stand der Technik zu in Abwärme erzeugenden Maschinen integrierte Wärmetauscher gesehen werden, wobei dies beispielsweise in der DE 10 2014 203 735 A1 ausgeführt ist.
In der Druckschrift DE 10 2014 203 735 A1 werden ein Reinigungssystem zum Reinigen von Werkstücken sowie einen Baukasten eines Reinigungssystems und ein Reinigungsverfahren offenbart. Das Reinigungssystem reinigt bearbeite Werkstücke von Bearbeitungsrückständen und verfügt über eine Werkstückzufuhr, mit der das jeweilige Werkstück dem Reinigungssystem zuführbar ist und eine erste und eine zweite Mediumszone auf, die von dem Werkstück durchlaufbar. In der ersten Mediumszone ist eine Trocknungsstation in der das Werkstück zumindest teilweise von einem ersten Medium, beispielsweise partikulare Rückstände, Bearbeitungsspäne und Bearbeitungsflüssigkeit, befreit wird und in der zweiten Mediumszone ist zumindest eine Spülstation mit einem zweiten Medium und eine zweite Trocknungsstation, die das Werkstück zumindest teilweise von dem zweiten Medium befreit. Der Baukasten ist zum Aufbau eines derartigen Reinigungssystems durch die Bauteile definiert. Das Reinigungsverfahren ist für das Reinigungssystem ausgelegt.
Die Druckschrift DE 10 2008 009 513 A1 offenbart eine Werkzeugmaschine mit einer Kühleinrichtung mit einem Kühlmedium, das in einem Kreislauf mit einem Wärmetauscher zirkuliert. Weiter ist eine Absaugvorrichtung mit Lüfter gezeigt, die die Luft im Arbeitsraum über einen Filter führt, wobei der Wärmetauscher, Filter und Lüfter eine kompakte Baueinheit bilden.
Die Druckschrift DE 100 00 331 C2 beschreibt eine Kühleinrichtung für eine Werkzeugmaschine mit einem Kreislaufsystem in dem ein temperierbares Kühlmedium zirkuliert. Das Kreislaufsystem weist einen Puffertank und eine regelbare Dosiereinheit auf.
Derartige kombinierte Systeme sind jedoch in der Regel mit aufwendigen Umbauten an den Maschinen und damit verbundenen notwendigen erneuten technischen Zulassungen verbunden.
Die modulare Auslegung des Gegenstandes der Erfindung vermeidet diesen erkannten Mangel und sorgt zudem dafür das weder Wärme an die Umgebung ungenutzt weitergegeben wird noch aktive Kühlung von Maschinenteilen erfolgen muss. Zudem sind Schnittstellen zu weiteren Maschinen und ein übergeordnetes Energiemanagement definierbar.
Die Kombination von an sich bekannten Maschinen mit bekannten Wärmerückgewinnungseinheiten mit Hilfe neuer Technologien bietet im vorliegenden diskutierten Fall des Gegenstandes der Erfindung eine innovative Detaillösungen im Umfeld der zukünftigen Smarten Fabrik und Industrie 4.0. Dies schließt insbesondere die Anbindung bestehender Maschinenparks an neue Technologien mit ein. Zudem ist die Energieeffizienz unter dem Aspekt und Fokus des Umweltschutzes und der Ressourcenschonung ein relevantes Thema in wirtschaftlicher Sicht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung weiter erläutert, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht zwingend beschränkend zu werten sind:

Es zeigen:
- eine beispielhafte schematische Darstellung der erfinderischen modularen Energienutzungsanordnung;
- eine beispielhafte skizzenhafte Darstellung der erfinderischen modularen Energienutzungsanordnung in einer Verwendung.

Die Nutzung, der an einem System, z.B. einer Bearbeitungsmaschine, entstehenden Abwärme, z.B. Bearbeitungszentrum oder Zerspanungsmaschine 5 entstehenden Prozesswärme im Kühlschmierstoff 6 des Spanförderers 8, erfolgt insbesondere durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Energienutzungsanordnung bestehend aus einer Wärmepumpe 3 einhergehend mit einer entsprechenden Prozessregelung. Beispielsweise kann als Wärmenutzer 4 hierbei ein Energieträger / Heizung angesprochen werden. Weiter kann über entsprechende im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen die bisher ungenutzte Wärmeenergie als Rückspeisung ins elektrische Netz oder als Prozesswärme für andere Prozesse genutzt werden.
Dabei wird insbesondere in bestehende Maschinen und Anlagentechnik ein zusätzliches Modul integriert, welches beim Prozess entstehende Wärme, unabhängig von deren Medium nutzen kann. Dieses ermöglicht ein flexibles und anwendungsspezifisches Einbinden in unterschiedlichste hersteller- und prozessunabhängige Systeme. So kann z.B. an einer Zerspanungsmaschine 5 zur Energierückgewinnung aus dem Kühlschmierstoff 6 des Spanförderers 8 ein vergleichbares System eingesetzt werden, wie es in dargestellt ist.
Die weitere Nutzung der gewonnenen Energie kann anwenderspezifisch durch eine entsprechende Steuerung, in weiterer Ausbaustufe Regelung, unterschiedlich ausfallen. In Ihrer letzten Ausbaustufe wird nicht nur das Einzelsystem Maschine, bzw. die gesamte Fabrik, sondern das gesamte Gewerbegebiet integriert, ggf. kombiniert und gesteuert.
Bezugszeichenliste

1: Wärmequelle
2: Wärmetauscher
3: Wärmepumpe
4: Wärmenutzer
5: Zerspanungsmaschine
6: Kühlschmierstoff (für den Spanförderer)
7: Kühlschmierstoffbehälter
8: Spanförderer
9: Spanauswurf
10: Zulauf Wärmepumpe
11: Rücklauf Wärmepumpe
12: Zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung

Claims

Zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung (12) anordenbar an oder integriert in eine zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung mit einem Spanförderer (8) mit Kühlschmierstoffbetrieb aufweisend - einen Wärmetauscher (2) und eine Wärmepumpe (3) zur Wärmeentnahme aus einem Kühlschmierstoff (6) des Spanförderers (8) und - ein Fördermittel zu einem Wärmenutzer (4).
Zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung (12) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmenutzer (4) ausgewählt ist aus: Heizung, Heizungsanlage, thermoelektrischer Generator, pyroelektrisches Kraftwerk, andere Maschine, wobei die Energienutzung lokal oder auch extern erfolgen kann.
Zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung (12) nach einem der zwei vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) zusätzlich angebunden ist an weitere Wärmequellen (1) der zerspanend-arbeitenden-Werkzeugvorrichtung, ausgewählt aus: Kühlschmierstoff, Kühlung Schaltschrank, Kühlung Werkzeugspindel, Kühlung Umrichter und/oder Behälter eines Wärmelieferanten.
Energienutzungsverfahren für eine zerspanend-arbeitende-Werkzeugvorrichtung-Energienutzungsanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfassend: ein Entziehen von Wärmeenergie aus den Abfallprodukten eines Zerspanprozesses.
Energienutzungsverfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Entziehen der Wärmeenergie aus den Abfallprodukten des Zerspanprozesses durch Wärmeentzug aus dem Kühlschmierstoff (6) des Spanförderers (8) erfolgt.
Energienutzungsverfahren nach einem der zwei vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere nutzbare Wärmeenergie zusätzlich genutzt wird, ausgewählt aus: Kühlschmierstoff, Kühlung Schaltschrank, Kühlung Werkzeugspindel, Kühlung Umrichter und/oder Behälter eines Wärmelieferanten.