EP4609267A1 - Kühlverfahren sowie fertigungssystem - Google Patents

Kühlverfahren sowie fertigungssystem

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Publication number
EP4609267A1
EP4609267A1 EP23798361.4A EP23798361A EP4609267A1 EP 4609267 A1 EP4609267 A1 EP 4609267A1 EP 23798361 A EP23798361 A EP 23798361A EP 4609267 A1 EP4609267 A1 EP 4609267A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine
cooling
cooling device
processing
heat dissipation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23798361.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Heinzmann
Andreas Hultsch
Thaddäus Hinterberger
Andreas Meier
Anian RICHTER
Julius RÜMELIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Vertiv SRL
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Vertiv SRL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG, Vertiv SRL filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Publication of EP4609267A1 publication Critical patent/EP4609267A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Program-control systems
    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/04—Program control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Program control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1917—Control of temperature characterised by the use of electric means using digital means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/12—Arrangements for cooling or lubricating parts of the machine
    • B23Q11/126—Arrangements for cooling or lubricating parts of the machine for cooling only
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Program-control systems
    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49052—Accessory, coolant
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49206—Compensation temperature, thermal displacement, use measured temperature

Definitions

  • the invention relates to a cooling method.
  • the invention also relates to a manufacturing system.
  • Such manufacturing systems typically have at least one processing machine with several machine components for processing a material. Usually, some of the machine components have to be cooled to prevent overheating due to the material processing. It may also be necessary to cool the material to be processed or reacting materials. For this purpose, the aforementioned temperature-regulating cooling processes are carried out on the manufacturing systems.
  • the manufacturing system typically includes a cooling device that removes heat generated during material processing from the processing device.
  • the processing device is usually connected to a cooling circuit with a cooling fluid circulating in it, e.g. cooling water.
  • a cooling fluid circulating in it, e.g. cooling water.
  • the heat absorbed by the cooling fluid from the processing device is released in the cooling device and then fed back into the processing device.
  • the cooling capacity of the cooling device can be adjusted to ensure sufficient cooling of the processing device.
  • modern manufacturing systems have an interface between the processing device and the cooling device, via which information on the required cooling capacity can be exchanged. For example, the cooling water temperature, the flow rate or the performance of a cooling water pump can be specified via the interface.
  • DE 10 2017 206 074 A1 discloses a laser device that can dissipate the heat emitted by a laser oscillator using a relatively small cooler.
  • the laser device has a calculation part that determines a maximum temperature of the individual components of the laser device during laser processing. If the maximum temperature exceeds a limit value, a warning can be issued before laser processing begins and the production parameters can be changed if necessary.
  • the devices known from the state of the art are only set up to ensure sufficient cooling of the processing machine in relation to relatively constant process conditions.
  • material processing on modern processing devices usually takes place under dynamic process conditions.
  • laser processing as an example of a dynamic material processing process, the laser power is only required for a certain period of time depending on the processing task, is changed over a short period of time, or the laser is switched off during positioning processes of the machine.
  • the movement sequences of the mechanical components e.g. the moving machine axes.
  • the aforementioned processes are dynamic and heat is generated discontinuously in the processing machine.
  • the cooling device can only react with a time delay in the aforementioned examples from the prior art. This can cause the cooling fluid temperature in the flow of the cooling circuit to fluctuate by several degrees Celsius, which means that the heat generated can only be dissipated inadequately.
  • the temperature of a machine component can have already risen to an undesirable level. This can initially impair the production quality of the processing machine. In more serious cases, the temperature increase leads to overheating of the machine component and can cause production to stop and/or damage to the machining device.
  • changing process conditions can cause the cooling capacity of the cooling device to be too high. This means that too much heat is removed from the processing machine, which can also affect the production quality. In any case, excessive cooling of the laser processing device leads to increased operating costs.
  • the invention is based on the object of providing a device and a method for dynamic and energy-efficient cooling of a processing machine during a material processing process.
  • a cooling method in particular a computer-aided one, is provided.
  • the cooling method can be carried out at least partially using computers.
  • the cooling method is suitable, in particular designed, for the, in particular unidirectional, temperature control of a cooling device.
  • the temperature control takes place taking into account a heating of at least one machine component of a process machine during operation of the process machine.
  • the process machine can have several, in particular a large number of, machine components.
  • the cooling method can be carried out taking into account a heating of several machine components.
  • the temperature control can primarily take into account the heating of temperature-critical machine components.
  • the cooling method is preferably used in conjunction with dynamic material processing processes using high-energy Processing tools can be used.
  • the cooling process is particularly preferred for use on a laser processing machine.
  • the cooling process is carried out using a cooling device.
  • the cooling device is designed to absorb thermal energy from the process machine.
  • the cooling device is fluidically coupled to the process machine via at least one cooling circuit.
  • the process machine is cooled during material processing.
  • the operation of the process machine is typically controlled or predetermined by a control program.
  • the control program can provide for the production of a workpiece by laser beam cutting of a workpiece blank.
  • the process parameters specified in the control program can change, in particular several times, depending on time. For example, a laser power, a feed rate, a thermal power, a power of actuators, etc. can change during material processing.
  • the change in the process parameters during material processing can be understood as dynamic material processing.
  • the change in the process parameters is predetermined in the control program.
  • the process machine usually carries out the material processing according to the control program. In other words, the sequence of the material processing or the temporal change in the process parameters is known before the material processing is carried out.
  • the cooling process comprises at least the following process steps.
  • One method step involves determining an expected thermal energy or heat quantity acting on the machine component within a temporal processing section of the control program.
  • a processing section is to be understood as a subsection of the control program.
  • the control program can have several processing sections.
  • a processing section typically comprises material processing with constant process parameters. Different processing sections can last for different lengths of time.
  • the thermal energy is determined on the basis of a processing power of the process machine provided within the processing period.
  • the processing power usually represents the largest proportion of the energy introduced.
  • the processing power can therefore represent the essential part of the heat input into the process machine or an individual machine component.
  • further energy inputs from different machine components for example drive power of actuators, are taken into account when determining the expected thermal energy.
  • the thermal energy is determined on the basis of the laser power.
  • a processing data set is stored, having a correlation between the processing performance of the process machine, in particular the laser performance of the laser processing machine, and the resulting heat input into the process machine, in particular the laser processing machine.
  • the resulting heat input can have been determined by simulation and/or measurement.
  • the processing data set contains a large number of resulting heat inputs for a large number of different processing performances, in particular laser performances.
  • a heat input for a specific processing performance is based on a large number of different simulations and/or measurements. This can increase the accuracy of the prediction.
  • the processing data set can take into account other processing parameters of the process machine in the correlation with the resulting heat energy in the machine component. Additional processing parameters can have a decisive influence on the expected heat energy.
  • the heat energy generated in the laser unit can be determined from the pumping power of the pump diodes minus the laser power output and plus a constant for cooling the control cabinet components.
  • the heat energy generated can be determined from the power loss of the drives.
  • the heat energy generated at a processing head of the laser processing machine can depend on the absorption or scattering of laser radiation on optical and mechanical components of the processing head.
  • the heat energy generated in the active components depends on the length of the contour to be processed and the processing speed as well as the technology parameters (laser power, gas pressure, focus position, etc.) for the respective material to be processed.
  • a further method step involves determining a required heat dissipation capacity of the cooling device for the processing section.
  • the cooling device is typically designed using a cooling medium to dissipate or store the expected heat energy within the duration of the processing section.
  • a heat dissipation capacity is the general ability to absorb heat energy by the cooling device or the cooling medium. In other words, the required thermal counterweight to the expected heat input is determined.
  • the heat absorption capacity can be suitable for rapid absorption or for continuous absorption of the heat energy.
  • the heat dissipation capacity typically consists of a heat absorption capacity for absorbing heat energy at the machine component by the cooling medium, a heat conduction capacity within the cooling device, a heat storage capacity of the cooling device and a heat dissipation capacity of the cooling device for dissipating the heat energy to an environment of the cooling device. Determining the required heat dissipation capacity can be understood as determining the heat absorption capacity, the heat conduction capacity, the heat storage capacity and/or the heat dissipation capacity.
  • the cooling medium can comprise a cooling liquid circulating in the cooling circuit between the cooling device and the process machine and a heat sink arranged or formed on the cooling device.
  • the heat absorption capacity can be determined by the temperature and/or the circulation speed of the cooling liquid.
  • the thermal conductivity of the cooling medium can be determined by the temperature difference between the cooling liquid and the heat sink and the circulation speed of the cooling liquid.
  • the thermal mass of the heat sink can further determine, for example, the heat storage capacity.
  • the ambient temperature and/or switchable heat sinks can further determine, for example, the heat dissipation capacity.
  • the required heat dissipation capacity of the cooling medium can be derived from the fact that the temperature of the machine component is not increased, in particular a maximum temperature is not exceeded, regardless of heat input.
  • a further method step involves preconditioning the cooling device with a time lead in order to provide the required heat dissipation capacity until the expected heat energy acts on the machine component.
  • the cooling device or the cooling medium is prepared for the expected heat input.
  • the time lead is preferably kept long in order to support energy-efficient operation of the cooling device. In this case, the time lead can be for example, several minutes to allow the cooling medium to cool down slowly.
  • the control program may require the cooling device to be preconditioned as quickly as possible. In this case, the lead time may be less than a minute.
  • a control data set is stored with a correlation between a heat dissipation capacity of the cooling device and possible control parameters of the cooling device.
  • the control parameters of the cooling device that bring about a certain heat dissipation capacity of the cooling device have preferably been determined by simulation and/or testing.
  • the control data set preferably contains several combinations of control parameters that bring about a certain heat dissipation capacity of the cooling device.
  • the different combinations of control parameters for a certain heat dissipation capacity of the cooling device can preferably be evaluated in terms of energy efficiency and/or a speed of provision.
  • the control data set preferably comprises a large number of resulting heat dissipation capacities for a large number of different combinations of control parameters.
  • a resulting heat dissipation capacity for a specific combination of control parameters is particularly preferably based on a large number of different simulations and/or tests. This can increase the accuracy of the prediction.
  • Typical control parameters of the cooling device are, for example, a cooling capacity, a number of active compressor stages, a temperature of the cooling medium, a circulation speed of the cooling medium, an ambient temperature of the cooling device and/or the process machine, etc.
  • the list is not intended to be exhaustive.
  • the control parameters can affect one or more parts of the heat dissipation capacity of the cooling device. Depending on the thermal energy determined, optimal preconditioning of the cooling device or the cooling medium can be achieved.
  • the cooling device is controlled in such a way that the cooling device always operates in a mode with the lowest energy consumption in terms of electrical power consumption. This increases the energy efficiency of the cooling device.
  • the cooling method according to the invention provides for predictive control of the cooling device.
  • the control of the cooling device can be determined using the control program of the process machine, from which necessary changes in the cooling behavior can be derived from predetermined changes in the processing parameters.
  • the predetermined sequence of material processing in the control program allows the cooling behavior of the cooling device to be adjusted with a lead time before the corresponding processing parameters are changed.
  • the necessary change in the cooling behavior is thus completed when the processing parameters are changed, whereby any heat energy generated can be dissipated by the cooling device or the cooling medium. Temperature fluctuations in the cooling circuit, which can cause the machine components to overheat, can therefore be effectively prevented.
  • the process machine is a laser processing machine or a processing machine for forming a material or a process machine for tempering a medium or a process machine for electron beam processing or a process machine for a process whose expected thermal energy is predictable within a temporal processing section of the control program.
  • the cooling method is suitable for cooling a soldering system.
  • the soldering system is typically designed to create solder joints. In this case, the number of solder joints, the time interval for creating the solder joints and/or the amount of solder to be used can be known in advance from the control program - in this case the soldering plan. This makes it possible to determine the expected amount of heat at the respective time and to determine the required heat dissipation capacity.
  • the cooling process is also suitable for cooling an injection molding system for producing plastic parts.
  • the amount of plastic material to be injected and the timing of the injection process can be taken from the control program.
  • the expected heat energy and the required heat dissipation capacity can then be determined.
  • the cooling process may be suitable for cooling a roll for extruding film.
  • the control program typically includes the thickness, length and material of the film, from which the expected heat energy can be determined and the required heat dissipation capacity can be determined.
  • an aging of at least one machine component is taken into account when determining the expected thermal energy.
  • Aging machine components can, for example, lead to an increased heat input, which requires an increased heat dissipation capacity of the cooling medium.
  • the machine component is monitored with sensors in order to detect a change, in particular a slow change, in the thermal energy caused by aging.
  • An embodiment of the cooling method is preferred in which an expected temperature of the machine component is taken into account when determining the required heat dissipation capacity.
  • the The initial temperature of the machine component is taken into account before heating by the expected heat energy. This can be done by comparing a target temperature of the machine component with an actual temperature of the machine component. For example, a possible warming up of the machine component to an operating temperature can be provided. In this case, for example, the existing cooling behavior can be maintained or reduced by the cooling device.
  • a maximum temperature of the machine component is taken into account when determining the required heat dissipation capacity.
  • the actual temperature of the machine component can be compared with a maximum temperature.
  • a temperature tolerance can be derived from this.
  • a small temperature tolerance can, for example, result in a prioritization of the heat absorption capacity, while a large temperature tolerance can result in a prioritization of the energy-efficient operation of the cooling device.
  • the ambient temperature of the laser processing machine and/or the cooling device is taken into account when determining the required heat dissipation capacity.
  • the ambient temperature can be influenced depending on the installation location of the processing machine and/or the cooling device and/or the time of day or year and can have different effects on the operating mode of the cooling device.
  • the heat dissipation capacity of the cooling medium can be increased at low ambient temperatures, which can reduce the heat storage capacity.
  • a processing period of the processing section is taken into account when determining the required heat dissipation capacity and/or preconditioning.
  • the duration of the processing section is taken into account.
  • an expected heat energy within a short processing period can lead to a high heat intensity, in which case the heat energy must be dissipated over a short period of time.
  • the heat dissipation capacity can be preconditioned with regard to the heat absorption capacity.
  • an expected heat energy within a long processing period can lead to a continuous heat load, in which case the heat energy must be dissipated over a longer period of time.
  • the heat dissipation capacity can be preconditioned with regard to the heat conduction capacity.
  • the preconditioning can therefore be adapted to the expected heat energy, or the cooling device can be controlled accordingly.
  • a setting of the control parameters can provide that a high heat intensity is dissipated by briefly switching on an additional compressor stage and increasing the circulation speed of the cooling liquid, while the other control parameters of the cooling device are kept constant.
  • the cooling capacity of the cooling device can be permanently increased.
  • the expected heat energy and/or the heat dissipation capacity of at least one processing section preceding the processing section, in particular immediately preceding it, and/or the processing section following it, in particular immediately following it is taken into account when determining the required heat dissipation capacity and/or preconditioning.
  • Another preferred embodiment of the cooling method is one in which the expected heat energy is determined for several temporal processing sections of the control program.
  • the processing sections follow one another directly. This allows energy-efficient and predictive operation over a large part of the control program, in particular the entire control program.
  • a preferred embodiment of the cooling method provides that at least one cooling circuit and/or one compressor stage of the cooling device is switched on or off for preconditioning the cooling device. This can in particular increase the thermal conductivity and the heat storage capacity, whereby the thermal energy that can be dissipated by the cooling medium can be significantly increased.
  • the underlying problem is also solved by a manufacturing system.
  • the manufacturing system has a process machine, preferably a laser processing machine, and a temperature-controllable cooling device.
  • the process machine comprises at least one machine component described above and below.
  • the manufacturing system is designed to carry out the cooling process described above and below.
  • the production system has a machine control system.
  • the machine control system is designed to control and/or regulate individual machine components of the process machine and/or the cooling device.
  • the machine control system can be arranged on the process machine,
  • the machine control is also designed to execute, ie to read and execute, the control program.
  • the machine control is preferably designed to determine the thermal energy acting on the machine component. This means that transferring the control program to another computing unit can be dispensed with.
  • the machine control can be designed to read a storage medium and a processing data set stored thereon. In particular, the machine control can be designed to determine the thermal energy by interpolating between the data in the processing data set.
  • the machine control preferably has a data interface to the cooling device. Instructions and/or data can be exchanged between the machine control and the cooling device using the data interface. For example, it can be provided that the machine control transmits a determined expected heat energy to the cooling device.
  • the machine control is set up to determine the required heat dissipation capacity of the cooling medium.
  • essential process steps can be carried out by the machine control, whereby the cooling process can be carried out more quickly.
  • Another preferred embodiment of the production system is one in which the machine control is set up and/or designed to control or precondition the cooling device.
  • the machine control can be designed to implement control parameters on the cooling device. This makes it particularly easy to apply the cooling method to different cooling devices.
  • the cooling device is designed for stepless control of a cooling capacity between zero and one hundred percent. This allows the cooling device to be preconditioned particularly precisely to the required heat dissipation capacity.
  • the production system has at least one controllable proportional valve for fluidically separating and/or combining at least two refrigeration circuits.
  • the cooling device in addition to controlling an internal refrigeration machine of the cooling device, can also have controllable components in the cooling circuit.
  • a flow temperature of the cooling circuit can be preconditioned, for example.
  • refrigeration circuits that have different temperatures can be mixed.
  • the cooling device has at least two controllable cooling stages, at least two operating modes, at least two compressors and/or at least one free cooler.
  • the use of one or more additional components of the cooling device increases the possibilities for preconditioning the cooling device depending on the expected thermal energy. This can ensure energy-efficient operation.
  • the cooling device is designed for multi-stage compression, evaporation and liquefaction of the coolant. This can significantly increase the heat dissipation capacity of the cooling medium.
  • the production system preferably has water as the coolant. The inventors have found that the cooling process can be carried out particularly energy-efficiently when water is used.
  • the cooling device is also preferably designed to carry out a refrigeration cycle process in a rough vacuum. This can enable different operating modes to be carried out on the cooling device. Further features and advantages of the invention emerge from the description, the claims and the drawing. According to the invention, the features mentioned above and those described below can each be used individually or in combination in any convenient way. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather are exemplary in nature for describing the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a cooling method according to the invention.
  • Fig. 2 shows a control program or a control plan for machining a workpiece in conjunction with a heat dissipation plan.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a manufacturing system with a process machine, a cooling device and a machine control system.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a cooling method 10 according to the invention.
  • the cooling method 10 is explained below with reference to Figs. 2 and 3.
  • the cooling method 10 is designed for temperature control of a cooling device 16 (see Fig. 3).
  • the temperature control takes place taking into account a heating of at least one machine component 12 (see Fig. 3) of a processing machine 14 (see Fig. 3) - here in the form of a laser processing machine.
  • the cooling or heat dissipation takes place during the operation of the process machine 14, typically during the processing of at least one material (not shown) by the process machine 14.
  • the operation of the process machine 14, in particular the processing operation of the process machine 14 for processing the material, is in a Control program 18 (see Fig. 2) is predetermined.
  • the control program 18 is provided, for example, before material processing in a machine control 20 (see Fig. 3).
  • the control program 18 can, as shown, have several processing sections 22a-h (see Fig. 2).
  • the cooling method 10 comprises at least the following method steps.
  • an expected thermal energy or heat quantity acting on the machine component 12 is determined within a temporal processing section 22a-h of the control program 18.
  • the expected thermal energy is determined on the basis of a processing power 26a-d (see Fig. 2) - here a laser power - provided within the corresponding processing period 22a-h.
  • the control program 18 can provide material processing with a different processing power 26a-d in each processing section 22a-h.
  • the thermal energy resulting from the processing power 26a-d that acts on the machine component 12 can change dynamically.
  • a required heat dissipation capacity 30 (see Fig. 2) of a cooling medium (not shown) for dissipating the expected heat energy is determined.
  • the heat dissipation capacity 30 is adapted to the heat energy to be dissipated. If the heat dissipation capacity 30 of the cooling medium is too high, the machine component 12 can be cooled too much and/or the operation of the cooling device 16 can become uneconomical. If, on the other hand, the heat dissipation capacity 30 is too low, the machine component 12 can overheat and production failures can occur.
  • a further method step 32 provides for preconditioning of the cooling device 16 in advance in order to provide the required heat dissipation capacity until the expected heat energy acts on the machine component 12.
  • the heat dissipation capacity 30 is adapted in advance to an expected heat input. For example, the heat dissipation capacity 30 is increased or reduced. This can prevent an adjustment of the heat dissipation capacity 30 in response to incoming heat energy, whereby temperature fluctuations can be avoided.
  • Fig. 2 shows the control program 18 for processing a material in conjunction with a heat dissipation plan 34.
  • the control program 18 has the processing sections 22a-h.
  • the processing sections 22a-h can be designed in temporal succession in the control program 18.
  • the processing sections 22a-h can have a different time duration.
  • Adjacent processing sections 22a-h typically have a different processing power 26a-d, wherein the processing power 26a represents a minimum processing power 26a and the processing power 26d represents a maximum processing power 26d.
  • the minimum processing power 26a can be zero watts.
  • the processing power 26a in the processing section 22a is gradually increased to the processing power 26b, 26c and 26d via the processing sections 22b, 22c and 22d.
  • the increase in the processing power 26a-d can be necessary, for example, in connection with a feed rate of the laser during material processing.
  • the processing power 26a-d in the processing section 22e is reduced to the minimum processing power 26a. This can occur, for example, when the position of the switched off laser changes.
  • the Processing power 26a-d in the processing section 22f is increased abruptly to the maximum processing power 26d and is gradually reduced again in the subsequent processing sections 22g and 22h.
  • the control program 18 can provide a dynamic change in the processing power 26a-d during material processing.
  • the cooling method 10 is designed to determine the heat input dependent on the change in the processing power 26a-d, or the thermal energy acting on the machine component 12. Furthermore, the cooling method 10 can be designed to determine the required heat dissipation capacity 30 in the respective processing section 22a-h.
  • the heat dissipation capacity 30 determined for each processing section 22a-h can be shown as an example in the heat dissipation plan 34 shown.
  • the heat dissipation plan 34 can have a profile of the heat dissipation capacity 30 in relation to one, in particular all, processing sections 22a-h of the control program 18.
  • the heat dissipation plan 34 can be created, for example, before the start of material processing.
  • the heat dissipation plan 34 can be provided to the process machine 14 and/or the cooling device 16, preferably by the machine control 20.
  • the heat dissipation plan 34 is particularly preferably created by the machine control 20.
  • the heat dissipation capacity 30 can have different heat dissipation levels 36a-d.
  • the heat dissipation levels 36a-d are dependent on the processing power 26a-d.
  • the heat dissipation levels 36a-d can have an offset in relation to the processing power 26a-d.
  • the heat dissipation level 36a enables the dissipation of heat energy, although a correlating processing power 26a has the value zero watts. This can be due to machine components 12 which, despite must be cooled when the laser is switched off. For example, in the case of power electronics of the process machine 14.
  • the heat dissipation capacity 30 in the processing section 22a can be increased in order to provide the required heat dissipation level 36b when the laser power 26a changes to the processing power 26b. This can prevent overheating of the machine component 12 or keep a temperature of the machine component 12 constant despite additional heat input.
  • the heat dissipation capacity 30 in the processing section 22d can be reduced before a change in the processing power 26d to the processing power 26a, insofar as overheating of the machine component 12 can be excluded in this case. This can enable energy-efficient operation.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a manufacturing system 38 with a process machine 14, a cooling device 16 and a machine control 20.
  • the process machine 14 can be fluidically connected to the cooling device 16 by means of at least a first cooling circuit 40.
  • the production system 38 preferably has a further cooling circuit 42 which is designed for further cooling of the machine component 12.
  • the process machine 14 can have a data interface 44 for communication with the cooling device 16.
  • the machine control 20 has at least one data interface 46 to the process machine 14 and one data interface 48 to the cooling device 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlverfahren (10) zur Temperatursteuerung einer Kühlvorrichtung (16) unter Berücksichtigung der Erwärmung zumindest einer Maschinenkomponente (12) einer Prozessmaschine (14) im Betrieb der Prozessmaschine (14), aufweisend die Verfahrensschritte: a. Ermitteln (24) einer auf die Maschinenkomponente (12) einwirkenden erwarteten Wärmeenergie innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts (22a-h) eines Steuerungsprogramms (18), das den Betrieb der Prozessmaschine (14) steuert; wobei die erwartete Wärmeenergie auf Grundlage einer innerhalb des zeitlichen Bearbeitungsabschnitts (22a-h) vorgesehenen Bearbeitungsleistung (26a-d) für die Maschinenkomponente (12) ermittelt wird; b. Bestimmen (28) eines erforderlichen Wärmeabführungsvermögens (30) der Kühlvorrichtung (16) zum Abführen der erwarteten Wärmeenergie; c. Vorkonditionieren (32) der Kühlvorrichtung (16) mit zeitlichem Vorlauf, um das erforderliche Wärmeabführungsvermögen (30) bis zum Einwirken der erwarteten Wärmeenergie auf die Maschinenkomponente (12) bereitzustellen. Die Erfindung betrifft ferner ein Fertigungssystem (38).

Description

Kühlverfahren sowie Fertigungssystem
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Kühlverfahren. Die Erfindung betrifft zudem ein Fertigungssystem.
Derartige Fertigungssysteme weisen typischerweise zumindest eine Bearbeitungsmaschine mit mehreren Maschinenkomponenten zum Bearbeiten eines Materials auf. Üblicherweise müssen einige der Maschinenkomponenten gekühlt werden, um ein Überhitzen aufgrund der Materialbearbeitung zu verhindern. Zudem kann es erforderlich sein, das zu bearbeitende Material oder reagierende Werkstoffe zu kühlen. Hierfür werden vorgenannte temperaturregulierende Kühlverfahren an den Fertigungssystemen durchgeführt.
Die Bedeutung der Kühlverfahren gewinnt insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen an Bedeutung, bei denen eine Materialbearbeitung unter großem Wärmeieintrag erfolgt. Klassische Vertreter dieser Bearbeitungsmaschinen sind beispielsweise Laserbearbeitungsmaschinen. Das Fertigungssystem umfasst typischerweise eine Kühlvorrichtung, die während der Materialbearbeitung anfallende Wärme von der Bearbeitungsvorrichtung abführt. Hierfür wird die Bearbeitungsvorrichtung üblicherweise an einen Kühlkreislauf mit einem darin zirkulierenden Kühlfluid, z.B. Kühlwasser angeschlossen. Die durch das Kühlfluid aufgenommene Wärme der Bearbeitungsvorrichtung wird in der Kühlvorrichtung abgegeben und anschließend erneut der Bearbeitungsvorrichtung zugeführt. Je nach anfallender Wärmemenge in der Bearbeitungsvorrichtung kann die Kühlleistung der Kühlvorrichtung anpassbar sein, um eine ausreichende Kühlung der Bearbeitungsvorrichtung sicherzustellen. Moderne Fertigungssysteme weisen zu diesem Zweck eine Schnittstelle zwischen der Bearbeitungsvorrichtung und der Kühlvorrichtung auf, über die Informationen zu einer benötigten Kühlleistung ausgetauscht werden können. So kann beispielsweise die Kühlwassertemperatur, die Durchflussmenge oder die Leistung einer Kühlwasserpumpe über die Schnittstelle vorgegeben werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Kühlvorrichtungen sowie Kühlverfahren bekannt.
Beispielsweise ist es aus CN 109332888 A bekannt, die für die Kühlung einer Laserbearbeitungseinheit notwendige Durchflussmenge des Kühlfluids bzw. die Pumpleistung des Kühlers anhand der während des Bearbeitens eingesetzten Laserleistung zu bestimmen und einer Kühlvorrichtung vorzugeben.
Zudem ist bekannt, während eines Bearbeitungsprozesses die Temperatur des Kühlwassers im Rücklauf des Kühlkreislaufes oder die Temperatur einer zu kühlenden Maschinenkomponente oder eines zu kühlenden Materials bzw. Werkstoffs zu messen, um die Temperatur und/oder die Durchflussmenge des Kühlfluids zu regeln, wie es z.B. in CN 110102895 A oder WO 2020/096552 A2 beschrieben ist. Aus DE 10 2017 206 074 Al ist eine Laservorrichtung bekannt, die mittels eines verhältnismäßig kleinen Kühlers die von einem Laseroszillator ausgestrahlte Wärme abführen kann. Die Laservorrichtung weist ein Berechnungsteil auf, das eine Höchsttemperatur der einzelnen Komponenten der Laservorrichtung während der Laserbearbeitung ermittelt. Überschreitet die Höchsttemperatur einen Grenzwert, kann vor Beginn der Laserbearbeitung eine Warnung ausgegeben und die Fertigungsparameter gegebenenfalls geändert werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen sind jedoch lediglich in Bezug auf relativ konstant gehaltene Prozessbedingungen zu einer ausreichenden Kühlung der Bearbeitungsmaschine eingerichtet. Üblicherweise erfolgt die Materialbearbeitung an modernen Bearbeitungsvorrichtungen jedoch unter dynamischen Prozessbedingungen. Beispielsweise wird bei der Laserbearbeitung, als Beispiel für einen dynamischen Materialbearbeitungsprozess, die Laserleistung entsprechend der Bearbeitungsaufgabe nur für einen gewissen Zeitraum benötigt, in schnellem zeitlichem Verlauf geändert oder der Laser während Positioniervorgängen der Maschine ausgeschaltet. Ebenso verhält es sich mit den Bewegungsabläufen der mechanischen Komponenten, z.B. der bewegten Maschinenachsen. Die vorgenannten Vorgänge verlaufen dynamisch und Wärme entsteht diskontinuierlich in der Bearbeitungsmaschine.
Wird ein Bearbeitungsprozess mit sich dynamisch ändernden Prozessbedingungen durchgeführt, so kann bei den vorgenannten Beispielen aus dem Stand der Technik lediglich zeitverzögert durch die Kühlvorrichtung reagieren werden. Hierdurch kann die Kühlfluid-Temperatur im Vorlauf des Kühlkreislaufes um mehrere Grad Celsius schwanken, wodurch die anfallende Wärme nur unzureichend abgeführt werden kann. Bis die Kühlvorrichtung auf die geänderten Prozessbedingungen eingestellt ist, kann die Temperatur einer Maschinenkomponente mithin bereits unerwünscht stark angestiegen sein. Hierdurch kann zunächst die Fertigungsqualität der Bearbeitungsmaschine beeinträchtigt sein. In schwereren Fällen führt der Temperaturanstieg zu einer Überhitzung der Maschinenkomponente und kann einen Fertigungsstillstand und/oder eine Beschädigung der Bearbeitungsvorrichtung bedingen. Im umgekehrten Fall kann durch sich ändernde Prozessbedingungen eine eingestellte Kühlleistung der Kühlvorrichtung zu groß sein. Hierdurch wird der Bearbeitungsmaschine zu viel Wärme entzogen, wodurch die Fertigungsqualität ebenfalls beeinträchtigt werden kann. In jedem Fall führt eine zu starke Kühlung der Laserbearbeitungsvorrichtung zu erhöhten Betriebskosten.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dynamischen und energieeffizienten Kühlung einer Bearbeitungsmaschine während eines Materialbearbeitungsprozesses bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kühlverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Fertigungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß ist ein, insbesondere computergestütztes, Kühlverfahren vorgesehen. Mit anderen Worten kann das Kühlverfahren zumindest teilweise unter Verwendung von Computern durchgeführt werden.
Das Kühlverfahren ist zur, insbesondere unidirektionalen, Temperatursteuerung einer Kühlvorrichtung geeignet, insbesondere ausgebildet. Die Temperatursteuerung erfolgt unter Berücksichtigung einer Erwärmung von zumindest einer Maschinenkomponente einer Prozessmaschine im Betrieb der Prozessmaschine. Die Prozessmaschine kann mehrere, insbesondere eine Vielzahl an, Maschinenkomponenten aufweisen. Das Kühlverfahren kann unter Berücksichtigung einer Erwärmung mehrerer Maschinenkomponenten durchgeführt werden. Vorzugsweise kann die Temperatursteuerung die Erwärmung von temperaturkritischen Maschinenkomponenten vorrangig berücksichtigen. Das Kühlverfahren ist bevorzugt in Verbindung mit dynamischen Materialbearbeitungsprozessen unter Einsatz hochenergetischer Bearbeitungswerkzeuge anwendbar. Das Kühlverfahren ist besonders bevorzugt für den Einsatz an einer Laserbearbeitungsmaschine ausgebildet.
Das Kühlverfahren wird unter Verwendung einer Kühlvorrichtung durchgeführt. Die Kühlvorrichtung ist zur Aufnahme von Wärmeenergie der Prozessmaschine eingerichtet. Typischerweise ist die Kühlvorrichtung über zumindest einen Kühlkreislauf mit der Prozessmaschine fluidisch gekoppelt. Typischerweise wird die Prozessmaschine während der Materialbearbeitung gekühlt.
Der Betrieb der Prozessmaschine ist typischerweise durch ein Steuerungsprogramm gesteuert, bzw. vorbestimmt. Beispielsweise kann das Steuerungsprogramm das Fertigen eines Werkstücks durch Lasterstrahlschneiden eines Werkstückrohlings vorsehen. Während der Materialbearbeitung können sich die in dem Steuerungsprogramm vorgegebenen Prozessparameter, insbesondere mehrmals, zeitabhängig ändern. Beispielsweise kann sich eine Laserleistung, eine Vorschubgeschwindigkeit, eine thermische Leistung, eine Leistung von Stellantrieben usw. während der Materialbearbeitung ändern. Die Änderung der Prozessparameter während der Materialbearbeitung kann als dynamische Materialbearbeitung verstanden werden.
Die Änderung der Prozessparameter ist im Steuerungsprogramm vorbestimmt. Üblicherweise führt die Prozessmaschine die Materialbearbeitung gemäß dem Steuerungsprogramm durch. Mit anderen Worten ist der Ablauf der Materialbearbeitung bzw. die zeitliche Änderung der Prozessparameter vor der durchzuführenden Materialbearbeitung bekannt.
Das Kühlverfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf.
Ein Verfahrensschritt sieht das Ermitteln einer auf die Maschinenkomponente einwirkenden, zu erwartenden Wärmeenergie, bzw. Wärmemenge innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts des Steuerungsprogramms vor. Ein Bearbeitungsabschnitt ist als ein Teilabschnitt des Steuerungsprogramms zu verstehen. Das Steuerungsprogramm kann mehrere Bearbeitungsabschnitte aufweisen. Ein Bearbeitungsabschnitt weist typischerweise eine Materialbearbeitung mit konstant gehaltenen Prozessparametern auf. Verschiedene Bearbeitungsabschnitte können zeitlich unterschiedlich lang andauern.
Erfindungsgemäß wird die Wärmeenergie auf Grundlage einer innerhalb des Bearbeitungszeitraums vorgesehenen Bearbeitungsleistung der Prozessmaschine ermittelt. Die Bearbeitungsleistung stellt üblicherweise den größten Anteil der eingebrachten Energie dar. Die Bearbeitungsleistung kann mithin den wesentlichen Teil des Wärmeeintrags in die Prozessmaschine bzw. eine einzelne Maschinenkomponente darstellen. Zudem kann vorgesehen sein, dass weitere Energieeinträge von unterschiedlichen Maschinenkomponenten, beispielsweise Antriebsleistungen von Stellantrieben, bei der Ermittlung der zu erwartenden Wärmeenergie berücksichtigt werden. Typischerweise wird bei einer Laserbearbeitungsmaschine die Wärmeenergie auf Grundlage der Laserleistung ermittelt.
Um eine genaue Vorhersage über die zu erwartende Wärmeenergie treffen zu können, kann vorgesehen sein, dass ein Bearbeitungsdatensatz, aufweisend eine Korrelation zwischen der Bearbeitungsleistung der Prozessmaschine, insbesondere der Laserleistung der Laserbearbeitungsmaschine, und dem daraus resultierenden Wärmeeintrag in die Prozessmaschine, insbesondere der Laserbearbeitungsmaschine, hinterlegt wird. Der resultierende Wärmeeintrag kann simulativ und/oder messtechnisch ermittelt worden sein. Vorzugsweise enthält der Bearbeitungsdatensatz eine Vielzahl von resultierenden Wärmeeinträgen zu einer Vielzahl von verschiedenen Bearbeitungsleistungen, insbesondere Laserleistungen. Besonders bevorzugt basiert ein Wärmeeintrag zu einer bestimmten Bearbeitungsleistung auf einer Vielzahl von verschiedenen Simulationen und/oder Messungen. Hierdurch kann die Genauigkeit der Vorhersage erhöht werden. Darüber hinaus kann der Bearbeitungsdatensatz weitere Bearbeitungsparameter der Prozessmaschine in der Korrelation mit der resultierenden Wärmeenergie in die Maschinenkomponente berücksichtigen. Zusätzliche Bearbeitungsparameter können die zu erwartende Wärmeenergie entscheidend beeinflussen. Bei einer Laserbearbeitungsmaschine lässt sich beispielsweise die in der Lasereinheit entstehende Wärmeenergie aus der Pumpleistung der Pumpdioden abzüglich der abgegebenen Laserleistung und zuzüglich einer Konstante für die Kühlung der Schaltschrankkomponenten ermitteln. Weiter beispielsweise lässt sich bei den Antrieben für die Achsbewegung in der Laserbearbeitungsmaschine die entstehende Wärmeenergie aus der Verlustleistung der Antriebe ermitteln. Weiter beispielsweise kann die an einem Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsmaschine entstehende Wärmeenergie durch eine Absorption oder Streuung von Laserstrahlung an optischen und mechanischen Komponenten des Bearbeitungskopfes abhängig sein. Weiter beispielsweise ist beim Laserschneiden oder Schweißen die in den aktiven Bauteilen (Laserdioden, Optik, Antriebe, Leistungselektronik) erzeugte Wärmeenergie abhängig von der Länge der zu bearbeitenden Kontur und der Bearbeitungsgeschwindigkeit sowie den Technologieparametern (Laserleistung, Gasdruck, Fokuslage, usw.) für das jeweilige zu bearbeitende Material.
Ein weiterer Verfahrensschritt sieht das Bestimmen eines erforderlichen Wärmeabführvermögens der Kühlvorrichtung für den Bearbeitungsabschnitt vor. Die Kühlvorrichtung ist typischerweise mittels eines Kühlmediums zum Abführen bzw. Speichern der erwarteten Wärmeenergie innerhalb der Dauer des Bearbeitungsabschnitts ausgebildet. Unter einem Wärmeabführvermögen ist die generelle Fähigkeit zum Aufnehmen von Wärmeenergie durch die Kühlvorrichtung, bzw. das Kühlmedium zu verstehen. Mit anderen Worten wird das erforderliche thermische Gegengewicht zu dem erwarteten Wärmeeintrag bestimmt. Das Wärmeaufnahmevermögen kann zu einer schnellen Aufnahme oder zu einer andauernden Aufnahme der Wärmeenergie geeignet sein. Das Wärmeabführvermögen besteht typischerweise aus einem Wärmeaufnahmevermögen zum Aufnehmen von Wärmeenergie an der Maschinenkomponente durch das Kühlmedium, einem Wärmeleitungsvermögen innerhalb der Kühlvorrichtung, einem Wärmespeicherungsvermögen der Kühlvorrichtung sowie einem Wärmeabgabevermögen der Kühlvorrichtung zum Abgeben der Wärmeenergie an eine Umgebung der Kühlvorrichtung. Unter dem Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens kann das Bestimmen des Wärmeaufnahmevermögens, des Wärmeleitungsvermögens, des Wärmespeicherungsvermögens und/oder des Wärmeabgabevermögens verstanden werden.
Beispielsweise kann das Kühlmedium eine in dem Kühlkreislauf zwischen der Kühlvorrichtung und der Prozessmaschine zirkulierende Kühlflüssigkeit und einen an der Kühlvorrichtung angeordneten oder ausgebildeten Kühlkörper aufweisen. In diesem Fall kann das Wärmeaufnahmevermögen durch die Temperatur und/oder die Zirkulationsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit bestimmt sein. Ferner kann das Wärmeleitungsvermögen des Kühlmediums in der Temperaturdifferenz zwischen Kühlflüssigkeit und Kühlkörper sowie der Zirkulationsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit bestimmt sein. Die thermische Masse des Kühlkörpers kann weiter beispielsweise das Wärmespeicherungsvermögen bestimmen. Die Umgebungstemperatur und/oder zuschaltbare Kühlkörper können weiter beispielsweise das Wärmeabgabevermögen bestimmen.
Das erforderliche Wärmeabführvermögen des Kühlmediums kann daraus abgeleitet werden, dass eine Temperatur der Maschinenkomponente ungeachtet eines Wärmeeintrags nicht erhöht, insbesondere eine Höchsttemperatur nicht überschritten, wird.
Ein weiterer Verfahrensschritt sieht das Vorkonditionieren der Kühlvorrichtung mit zeitlichem Vorlauf vor, um das erforderliche Wärmeabführvermögen bis zum Einwirken der erwarteten Wärmeenergie auf die Maschinenkomponente bereitzustellen. Mit anderen Worten wird die Kühlvorrichtung bzw. das Kühlmedium auf den zu erwartenden Wärmeeintrag vorbereitet. Der zeitliche Vorlauf ist vorzugsweise lang gehalten um einen energieeffizienten Betrieb der Kühlungsvorrichtung zu unterstützten. Der zeitliche Vorlauf kann in diesem Fall beispielsweise mehrere Minuten betragen, um eine langsame Abkühlung des Kühlmediums zu ermöglichen. In anderen Fällen kann es aufgrund des Steuerungsprogramms erforderlich sein, eine schnellstmögliche Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung zu bewirken. Der zeitliche Vorlauf kann in diesem Fall weniger als eine Minute betragen.
Um eine genaue Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung in Abhängigkeit der erwarteten Wärmeenergie zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass ein Steuerungsdatensatz mit einer Korrelation zwischen einem Wärmeabführvermögen der Kühlvorrichtung und möglichen Steuerungsparametern der Kühlungsvorrichtung hinterlegt wird. Die ein bestimmtes Wärmeabführvermögen der Kühlvorrichtung bewirkenden Steuerungsparameter der Kühlungsvorrichtung sind vorzugsweise simulativ und/oder versuchstechnisch ermittelt worden. Vorzugsweise enthält der Steuerungsdatensatz mehrere Kombinationen von Steuerungsparametern, die ein bestimmtes Wärmeabführvermögen der Kühlvorrichtung bewirken. Vorzugsweise können die verschiedenen Kombinationen von Steuerungsparametern zu einem bestimmten Wärmeabführvermögen der Kühlvorrichtung hinsichtlich einer Energieeffizienz und/oder einer Bereitstellungsgeschwindigkeit bewertet werden. Der Steuerungsdatensatz umfasst vorzugsweise eine Vielzahl an resultierenden Wärmeabführvermögen zu einer Vielzahl von verschiedenen Kombinationen von Steuerungsparametern. Besonders bevorzugt basiert ein resultierendes Wärmeabführvermögen zu einer bestimmten Kombination von Steuerungsparametern auf einer Vielzahl von verschiedenen Simulationen und/oder Versuchen. Hierdurch kann die Genauigkeit der Vorhersage erhöht werden.
Typische Steuerungsparameter der Kühlvorrichtung sind beispielsweise eine Kühlleistung, eine Anzahl von aktiven Verdichterstufen, eine Temperatur des Kühlmediums, eine Zirkulationsgeschwindigkeit des Kühlmediums, eine Umgebungstemperatur der Kühlvorrichtung und/oder der Prozessmaschine, usw. Die Aufzählung ist nicht abschließend zu verstehen. Die Steuerungsparameter können sich auf ein oder mehrere Teilvermögen des Wärmeabführvermögens der Kühlvorrichtung auswirken. In Abhängigkeit der ermittelten Wärmeenergie kann so eine optimale Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung, bzw. des Kühlmediums bewirkt werden.
Vorzugsweise wird die Steuerung der Kühlvorrichtung derart vorgenommen, dass die Kältevorrichtung stets in einem energetisch niedrigsten Betriebsmodus hinsichtlich der elektrischen Leistungsaufnahme erfolgt. Dies bewirkt eine Steigerung der Energieeffizienz der Kühlvorrichtung.
Zusammenfassend sieht das erfindungsgemäße Kühlverfahren eine vorausschauende Steuerung der Kühlvorrichtung vor. Die Steuerung der Kühlvorrichtung kann unter Verwendung des Steuerungsprogramms der Prozessmaschine bestimmt werden, aus dem notwendige Änderungen im Kühlverhalten aus vorbestimmten Änderungen der Bearbeitungsparameter abgeleitet werden können. Durch den vorgegebenen Ablauf der Materialbearbeitung im Steuerungsprogramm kann eine Anpassung des Kühlverhaltens der Kühlvorrichtung mit einem zeitlichen Vorlauf vor der Änderung der entsprechenden Bearbeitungsparameter vorgenommen werden. Die notwendige Änderung des Kühlverhaltens ist somit bei Änderung der Bearbeitungsparameter abgeschlossen, wodurch eine entstehende Wärmeenergie durch die Kühlvorrichtung, bzw. das Kühlmedium abgeführt werden kann. Temperaturschwankungen im Kühlkreislauf, die ein Überhitzen der Maschinenkomponenten bewirken können, können in der Folge effektiv verhindert werden.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der die Prozessmaschine als eine Laserbearbeitungsmaschine oder eine Bearbeitungsmaschine zur Umformung eines Materials oder eine Prozessmaschine zum Temperieren eines Mediums oder eine Prozessmaschine zur Elektronenstrahlbearbeitung oder eine Prozessmaschine für einen Prozess ist, dessen einwirkende zu erwartende Wärmeenergie innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts des Steuerungsprogramms vorhersagbar ist. Beispielsweise eignet sich das Kühlverfahren zum Kühlen einer Lötanlage. Die Lötanlage ist typischerweise zum Erzeugen von Lötstellen ausgebildet. In diesem Fall kann die Anzahl der Lötstellen, der zeitliche Abstand beim Erzeugen der Lötstellen und/oder die Menge des zu verwendenden Lotes ist aus dem Steuerungsprogramm - hier dem Lötplan - vorab bekannt. Hierdurch kann die erwartete Wärmemenge zu dem jeweiligen Zeitpunkt ermittelt und das erforderliche Wärmeabführungsvermögen bestimmt werden.
Weiter beispielsweise eignet sich das Kühlverfahren zum Kühlen einer Spritzgussanlage zur Herstellung von Kunststoffteilen. Hierbei kann aus dem Steuerungsprogramm die Menge des einzuspritzenden Kunststoffmaterials und der zeitliche Verlauf des Einspritzvorgangs entnommen werden. Anschließend kann die erwartete Wärmeenergie ermittelt sowie das erforderliche Wärmeabführungsvermögen bestimmt werden.
Weiter beispielsweise kann sich das Kühlverfahren zum Kühlen einer Walze zum Extrudieren von Folien eignen. Das Steuerungsprogramm beinhaltet typischerweise die Dicke, die Länge und das Material der Folie, woraus die erwartete Wärmeenergie ermittelt und das erforderliche Wärmeabführungsvermögen bestimmt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlverfahrens wird bei der Ermittlung der erwarteten Wärmeenergie eine Alterung der zumindest einen Maschinenkomponente berücksichtigt. Alternde Maschinenkomponenten können beispielsweise zu einem gesteigerten Wärmeeintrag führen, der ein erhöhtes Wärmeabführvermögen des Kühlmediums bedingt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Maschinenkomponente mit Sensoren überwacht wird, um eine, insbesondere langsame, Änderung der alterungsbedingten Wärmeenergie zu detektieren.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kühl verfahrens, bei der beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens eine erwartete Temperatur der Maschinenkomponente berücksichtigt wird. Mit anderen Worten wird die Ausgangstemperatur der Maschinenkomponente vor einer Erwärmung durch die erwartete Wärmeenergie berücksichtigt. Dies kann durch Vergleichen einer Soll- Temperatur der Maschinenkomponente mit einer Ist-Temperatur der Maschinenkomponente erfolgen. Beispielsweise kann ein mögliches Aufwärmen der Maschinenkomponente auf eine Betriebstemperatur vorgesehen sein. In diesem Fall kann beispielsweise das bestehende Kühlverhalten durch die Kühlungsvorrichtung beibehalten oder verringert werden.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kühlverfahrens, bei der beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens eine Höchsttemperatur der Maschinenkomponente berücksichtigt wird. Mit anderen Worten kann die Ist- Temperatur der Maschinenkomponente mit einer Höchsttemperatur verglichen werden. Hieraus kann eine Temperaturtoleranz abgeleitet werden. Eine geringe Temperaturtoleranz kann beispielsweise eine Priorisierung des Wärmeaufnahmevermögens bewirken, während eine große Temperaturtoleranz eine Priorisierung des energieeffizienten Betriebs der Kühlvorrichtung bewirken kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlverfahrens wird beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens die Umgebungstemperatur der Laserbearbeitungsmaschine und/oder der Kühlvorrichtung berücksichtigt. Beispielsweise kann die Umgebungstemperatur in Abhängigkeit von einem Aufstellort der Prozessmaschine und/oder der Kühlvorrichtung und/oder einer Tages- oder Jahreszeit beeinflusst sein und sich unterschiedlich auf den Betriebsmodus der Kühlvorrichtung auswirken. Beispielsweise kann das Wärmeabgabevermögen des Kühlmediums bei niedrigen Umgebungstemperaturen erhöht sein, wodurch das Wärmespeicherungsvermögen verringert werden kann. Durch Berücksichtigen der Umgebungstemperatur kann somit das Bestimmen des Wärmeabführvermögens unter einer energetisch optimalen Betriebsweise der Kühlvorrichtung verbessert werden. Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kühlverfahrens, bei der beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens und/oder dem Vorkonditionieren ein Bearbeitungszeitraum des Bearbeitungsabschnitts berücksichtigt wird. Mit anderen Worten wird die zeitliche Dauer des Bearbeitungsabschnitts berücksichtigt. Beispielsweise kann eine erwartete Wärmeenergie innerhalb eines kurzen Bearbeitungszeitraums zu einer hohen Wärmeintensität führen, wobei die Wärmeenergie in diesem Fall über einen kurzen Zeitraum abgeführt werden muss. In diesem Fall kann das Wärmeabführvermögen hinsichtlich des Wärmeaufnahmevermögens vorkonditioniert werden. Weiter beispielsweise kann eine erwartete Wärmeenergie innerhalb eines langen Bearbeitungszeitraums zu einer andauernden Wärmebelastung führen, wobei die Wärmeenergie über einen längeren Zeitraum abgeführt werden muss. In diesem Fall kann das Wärmeabführvermögen hinsichtlich des Wärmeleitungsvermögens vorkonditioniert werden. Durch Kenntnis des Bearbeitungszeitraum kann mithin die Vorkonditionierung an die erwartete Wärmeenergie angepasst werden, bzw. die Steuerung der Kühlvorrichtung entsprechend vorgenommen werden. Beispielhaft kann eine Einstellung der Steuerungsparameter vorsehen, dass eine hohe Wärmeintensität durch kurzzeitiges Zuschalten einer zusätzlichen Verdichterstufe sowie Erhöhen der Zirkulationsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit abgeführt wird, wobei die sonstigen Steuerungsparameter der Kühlvorrichtung konstant gehalten werden. Weiter beispielsweise kann bei einer andauernden Wärmebelastung die Kühlleistung der Kühlvorrichtung dauerhaft erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlverfahrens wird beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens und/oder dem Vorkonditionieren die erwartete Wärmeenergie und/oder das Wärmeabführvermögen zumindest eines dem Bearbeitungsabschnitt, insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Bearbeitungsabschnitts und/oder dem Bearbeitungsabschnitt, insbesondere unmittelbar, nachfolgenden Bearbeitungsabschnitt berücksichtigt. Hierdurch kann eine Steuerung der Kühlvorrichtung in Abhängigkeit des vorhergehenden und/oder nachfolgenden Bearbeitungsabschnitts vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung für einen Bearbeitungsabschnitt geringer ausfallen, wenn in dem anschließenden nachfolgenden Bearbeitungsabschnitt eine erwartete Wärmeenergie geringer ausfällt und ein Senken des Wärmeabführvermögens bedingt.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kühlverfahrens, bei der das Ermitteln der zu erwartenden Wärmeenergie für mehrere zeitliche Bearbeitungsabschnitte des Steuerungsprogramms erfolgt. Die Bearbeitungsabschnitte folgen insbesondere unmittelbar aufeinander. Hierdurch kann eine energieeffiziente und vorausschauende Betriebsweise über einen Großteil des Steuerungsprogramms, insbesondere das gesamte Steuerungsprogramm, erfolgen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Kühlverfahrens sieht vor, dass zum Vorkonditionieren der Kühlvorrichtung zumindest ein Kühlkreislauf und/oder eine Verdichterstufe der Kühlvorrichtung zu- oder abgeschaltet wird. Hierdurch kann insbesondere das Wärmeleitungsvermögen sowie das Wärmespeicherungsvermögen erhöht werden, wodurch die durch das Kühlmedium abführbare Wärmeenergie erheblich erhöht werden kann.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Fertigungssystem. Das Fertigungssystem weist eine Prozessmaschine, vorzugsweise eine Laserbearbeitungsmaschine, und eine temperatursteuerbare Kühlvorrichtung auf. Die Prozessmaschine umfasst zumindest eine vorhergehend und im Folgenden beschriebene Maschinenkom ponente.
Das Fertigungssystem ist zum Durchführen des vorhergehend und im Folgenden beschriebenen Kühlverfahrens eingerichtet.
Hierfür weist das Fertigungssystem eine Maschinensteuerung auf. Die Maschinensteuerung ist zum Ansteuern und/oder Regeln von einzelnen Maschinenkomponenten der Prozessmaschine und/oder der Kühlvorrichtung ausgebildet. Die Maschinensteuerung kann an der Prozessmaschine angeordnet, insbesondere ausgebildet, sein. Die Maschinensteuerung ist darüber hinaus zum Durchführen, d.h. zum Lesen und Ausführen, des Steuerungsprogramms eingerichtet.
Die Maschinensteuerung ist vorzugsweise zum Ermitteln der auf die Maschinenkomponente einwirkenden Wärmeenergie eingerichtet. Hierdurch kann auf ein Übertragen des Steuerungsprogramms auf eine weitere Recheneinheit verzichtet werden. Zum Ermitteln der Wärmeenergie kann die Maschinensteuerung zum Auslesen eines Speichermediums und einem darauf gespeicherten Bearbeitungsdatensatz ausgebildet sein. Insbesondere kann die Maschinensteuerung zum Ermitteln der Wärmeenergie zur Interpolation zwischen den Daten des Bearbeitungsdatensatzes ausgebildet sein.
Die Maschinensteuerung weist vorzugsweise eine Datenschnittstelle zu der Kühlvorrichtung auf. Mittels der Datenschnittstelle können Anweisungen und/oder Daten zwischen der Maschinensteuerung und der Kühlvorrichtung ausgetauscht werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Maschinensteuerung eine ermittelte zu erwartende Wärmeenergie an die Kühlvorrichtung übermittelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Fertigungssystems ist die Maschinensteuerung zum Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens des Kühlmediums eingerichtet. Hierdurch können wesentliche Verfahrensschritte durch die Maschinensteuerung durchgeführt werden, wodurch das Kühlverfahren schneller durchgeführt werden kann.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform des Fertigungssystems, bei der die Maschinensteuerung zum Steuern bzw. Vorkonditionieren der Kühlvorrichtung eingerichtet und/oder ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann die Maschinensteuerung zur Umsetzung von Steuerungsparametern an der Kühlvorrichtung ausgebildet sein. Hierdurch kann das Kühlverfahren besonders einfach auf verschiedene Kühlvorrichtungen angewendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Fertigungssystems ist die Kühlvorrichtung zur stufenlosen Steuerung einer Kälteleistung zwischen null und hundert Prozent ausgebildet. Hierdurch kann die Kühlvorrichtung besonders genau auf das erforderliche Wärmeabführvermögen vorkonditioniert werden.
Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform, bei der das Fertigungssystem zumindest ein steuerbares Proportionalventil zum fluidischen Trennen und/oder Zusammenführen von zumindest zwei Kältekreisläufen aufweist. Mit anderen Worten kann die Kühlvorrichtung neben der Steuerung einer internen Kältemaschine der Kühlvorrichtung ebenso steuerbare Komponenten im Kühlkreislauf aufweisen. Durch das Trennen und/oder Zusammenführen von Kältekreisläufen kann beispielsweise eine Vorlauftemperatur des Kühlkreislaufes vorkonditioniert werden. Mit anderen Worten kann eine Vermischung von Kältekreisen erfolgen, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Fertigungssystems, bei der die Kühlvorrichtung zumindest zwei steuerbare Kältestufen, zumindest zwei Betriebsmodi, zumindest zwei Verdichter und/oder zumindest einen Freikühler aufweist. Die Verwendung von einer oder mehrerer zusätzlicher Komponenten der Kühlvorrichtung erhöht die Möglichkeiten zur Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung in Abhängigkeit der erwarteten Wärmeenergie. Hierdurch kann energieeffiziente Betriebsweise sichergestellt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Fertigungssystems ist die Kühlvorrichtung zum mehrstufigen Verdichten, Verdampfen und Verflüssigen des Kältemittels ausgebildet ist. Hierdurch kann das Wärmeabführvermögen des Kühlmediums erheblich gesteigert werden. Vorzugsweise weist das Fertigungssystem dabei Wasser als Kältemittel auf. Die Erfinder haben festgestellt, dass das Kühlverfahren bei Verwendung von Wasser besonders energieeffizient durchgeführt werden kann. Weiter bevorzugt ist die Kühlvorrichtung zum Durchführen eines Kältekreisprozesses im Grobvakuum ausgebildet. Hierdurch können verschiedene Betriebsmodi an der Kühlvorrichtung durchgeführt werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt schematisch dargestellt ein erfindungsgemäßes Kühlverfahren.
Fig. 2 zeigt ein Steuerungsprogramm bzw. einen Steuerplan zum Bearbeiten eines Werkstücks in Verbindung mit einem Wärmeabführungsplan.
Fig. 3 zeigt schematisch dargestellt ein Fertigungssystem mit einer Prozessmaschine, einer Kühlvorrichtung und einer Maschinensteuerung.
Fig. 1 zeigt schematisch dargestellt ein erfindungsgemäßes Kühlverfahren 10. Das Kühlverfahren 10 wird mit Verweis auf die Fign. 2 und 3 nachfolgend erläutert.
Das Kühlverfahren 10 ist zur Temperatursteuerung einer Kühlvorrichtung 16 (siehe Fig. 3) ausgebildet. Die Temperatursteuerung erfolgt unter Berücksichtigung einer Erwärmung von zumindest einer Maschinenkomponente 12 (siehe Fig. 3) einer Prozessmaschine 14 (siehe Fig. 3) - hier in Form einer Laserbearbeitungsmaschine.
Die Kühlung bzw. Wärmeabführung erfolgt während des Betriebs der Prozessmaschine 14, typischerweise während des Bearbeitens von zumindest einem Material (nicht gezeigt) durch die Prozessmaschine 14. Der Betrieb der Prozessmaschine 14, insbesondere der Bearbeitungsvorgang der Prozessmaschine 14 zum Bearbeiten des Materials ist in einem Steuerungsprogramm 18 (siehe Fig. 2) vorbestimmt. Das Steuerungsprogramm 18 wird beispielsweise vor einer Materialbearbeitung in einer Maschinensteuerung 20 (siehe Fig. 3) bereitgestellt. Das Steuerungsprogramm 18 kann, wie dargestellt, mehrere Bearbeitungsabschnitte 22a-h (siehe Fig. 2) aufweisen.
Das Kühlverfahren 10 weist zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
In einem ersten Verfahrensschritt 24 ist ein Ermitteln einer auf die Maschinenkomponente 12 einwirkenden zu erwartenden Wärmeenergie bzw. Wärmemenge innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts 22a-h des Steuerungsprogramms 18 vorgesehen. Die zu erwartende Wärmeenergie wird auf Grundlage einer innerhalb des entsprechenden Bearbeitungszeitraums 22a-h vorgesehenen Bearbeitungsleistung 26a-d (siehe Fig. 2) - hier einer Laserleistung - ermittelt. Mit anderen Worten kann das Steuerungsprogramm 18 in jedem Bearbeitungsabschnitt 22a-h die Materialbearbeitung mit einer unterschiedlichen Bearbeitungsleistung 26a-d vorsehen. In Abhängigkeit des jeweiligen Bearbeitungsabschnitts 22a-h kann sich die aus der Bearbeitungsleistung 26a-d resultierende Wärmeenergie, die auf die Maschinenkomponente 12 einwirkt, dynamisch ändern.
In einem weiteren Verfahrensschritt 28 ist ein Bestimmen eines erforderlichen Wärmeabführungsvermögens 30 (siehe Fig. 2) eines Kühlmediums (nicht gezeigt) zum Abführen der erwarteten Wärmeenergie vorgesehen. Typischerweise ist das Wärmeabführungsvermögen 30 an eine abzuführende Wärmeenergie anzupassen. Ist das Wärmeabführungsvermögen 30 des Kühlmediums zu groß, kann die Maschinenkomponente 12 zu stark gekühlt werden und/oder die Betriebsweise der Kühlvorrichtung 16 unwirtschaftlich werden. Ist das Wärmeabführungsvermögen 30 demgegenüber zu gering, kann es zum Überhitzen der Maschinenkomponente 12 und zu Fertigungsausfällen kommen. Ein weiterer Verfahrensschritt 32 sieht ein Vorkonditionieren der Kühlvorrichtung 16 mit zeitlichem Vorlauf vor, um das erforderliche Wärmeabführungsvermögen bis zum Einwirken der erwarteten Wärmeenergie auf die Maschinenkomponente 12 bereitzustellen. Mit anderen Worten wird das Wärmeabführungsvermögen 30 vorausschauend an einen zu erwartenden Wämeeintrag angepasst. Beispielsweise wird das Wärmeabführungsvermögen 30 erhöht oder gesenkt. Hierdurch kann eine Anpassung des Wärmeabführungsvermögens 30 als Reaktion auf eine eintretende Wärmeenergie verhindert werden, wodurch Temperaturschwankungen vermieden werden können.
Fig. 2 zeigt das Steuerungsprogramm 18 zum Bearbeiten eines Materials in Verbindung mit einem Wärmeabführungsplan 34.
Das Steuerungsprogramm 18 weist die Bearbeitungsabschnitte 22a-h auf. Die Bearbeitungsabschnitte 22a-h können zeitlich aufeinanderfolgend in dem Steuerungsprogramm 18 ausgebildet sein. Die Bearbeitungsabschnitte 22a-h können eine unterschiedliche zeitliche Dauer aufweisen. Benachbarte Bearbeitungsabschnitte 22a-h weisen typischerweise eine unterschiedliche Bearbeitungsleistung 26a-d auf, wobei die Bearbeitungsleistung 26a eine minimale Bearbeitungsleistung 26a und die Bearbeitungsleistung 26d eine maximale Bearbeitungsleistung 26d darstellt. Die minimale Bearbeitungsleistung 26a kann null Watt betragen.
Gemäß dem Steuerungsprogramm 18 kann vorgesehen sein, dass im zeitlichen Verlauf des Steuerungsprogramms 18 die Bearbeitungsleistung 26a im Bearbeitungsabschnitt 22a über die Bearbeitungsabschnitte 22b, 22c und 22d stufenweise auf die Bearbeitungsleistung 26b, 26c und 26d erhöht wird. Die Erhöhung der Bearbeitungsleistung 26a-d kann beispielsweise in Verbindung mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Lasers bei der Materialbearbeitung nötig sein. Des Weiteren kann anschließend vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsleistung 26a-d in dem Bearbeitungsabschnitt 22e auf die minimale Bearbeitungsleistung 26a gesenkt wird. Dies kann beispielsweise bei einem Positionswechsel des ausgeschalteten Lasers eintreten. Anschließend kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsleistung 26a-d in dem Bearbeitungsabschnitt 22f sprunghaft auf die maximale Bearbeitungsleistung 26d angehoben wird und in den nachfolgenden Bearbeitungsabschnitten 22g und 22h wieder stufenweise reduziert wird. Mit anderen Worten kann das Steuerungsprogramm 18 eine dynamische Änderung der Bearbeitungsleistung 26a-d bei der Materialbearbeitung vorsehen.
Das erfindungsgemäße Kühlverfahren 10 (siehe Fig. 1) ist zur Ermittlung des von der Änderung der Bearbeitungsleistung 26a-d abhängigen Wärmeeintrags, bzw. die auf die Maschinenkomponente 12 einwirkenden Wärmeenergie ausgebildet. Ferner kann das Kühlverfahren 10 zum Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens 30 in dem jeweiligen Bearbeitungsabschnitt 22a-h ausgebildet sein.
Das für jeden Bearbeitungsabschnitt 22a-h bestimmte Wärmeabführvermögen 30 kann in dem gezeigten Wärmeabführungsplan 34 beispielhaft dargestellt werden.
Der Wärmeabführungsplan 34 kann einen Verlauf des Wärmeabführungsvermögens 30 bezogen auf einen, insbesondere alle, Bearbeitungsabschnitte 22a-h des Steuerungsprogramms 18 aufweisen. Der Wärmeabführungsplan 34 kann beispielsweise vor dem Beginn einer Materialbearbeitung erstellt werden. Der Wärmeabführungsplan 34 kann der Prozessmaschine 14 und/oder der Kühlvorrichtung 16, vorzugsweise durch die Maschinensteuerung 20, bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt wird der Wärmeabführungsplan 34 von der Maschinensteuerung 20 erstellt.
Das Wärmeabführungsvermögen 30 kann verschiedene Wärmeabführungsniveaus 36a-d aufweisen. Die Wärmeabführungsniveaus 36a-d sind abhängig von der Bearbeitungsleistung 26a-d. Die Wärmeabführungsniveaus 36a-d können einen Offset in Bezug auf die Bearbeitungsleistung 26a-d aufweisen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Wärmeabführungsniveaus 36a das Abführen von Wärmeenergie ermöglicht, obwohl eine korrelierende Bearbeitungsleistung 26a den Wert null Watt aufweist. Dies kann durch Maschinenkomponenten 12 bedingt sein, die trotz abgeschaltetem Laser gekühlt werden müssen. Beispielsweise im Fall einer Leistungselektronik der Prozessmaschine 14.
Aus der Änderung des Wärmeabführungsvermögens 30 gemäß dem Wärmeabführungsplan 34 ist ersichtlich, dass eine Anpassung des Wärmeabführungsvermögens 30 derart mit zeitlichem Vorlauf eingeleitet werden kann, dass das erforderliche Wärmeabführungsvermögen 30 bei Eintreten der durch die jeweilige Bearbeitungsleistung 26a-d bedingten Wärmeenergie bereitgestellt ist.
Beispielsweise kann das Wärmeabführungsvermögen 30 in dem Bearbeitungsabschnitt 22a angehoben werden, um das erforderliche Wärmeabführungsniveau 36b bei Änderung der Laserleitung 26a auf die Bearbeitungsleistung 26b bereitzustellen. Hierdurch kann ein Überhitzen der Maschinenkomponente 12 verhindert werden, bzw. eine Temperatur der Maschinenkomponente 12 trotz zusätzlichem Wärmeeintrag konstant gehalten werden.
Weiter beispielsweise kann das Wärmeabführungsvermögen 30 in dem Bearbeitungsabschnitt 22d vor einer Änderung der Bearbeitungsleistung 26d auf die Bearbeitungsleistung 26a verringert werden, insofern eine Überhitzung der Maschinenkomponente 12 in diesem Fall ausgeschlossen werden kann. Hierdurch kann eine energieeffiziente Betriebsweise ermöglicht werden.
Fig. 3 zeigt schematisch dargestellt ein Fertigungssystem 38 mit einer Prozessmaschine 14, einer Kühlvorrichtung 16 sowie einer Maschinensteuerung 20.
Die Prozessmaschine 14 kann mittels zumindest einem ersten Kühlkreislauf 40 fluidisch mit der Kühlvorrichtung 16 verbunden sein. Vorzugsweise weist das Fertigungssystem 38 einen weiteren Kühlkreislauf 42 auf, der zur weiteren Kühlung der Maschinenkomponente 12 ausgebildet ist. Die Prozessmaschine 14 kann eine Datenschnittstelle 44 zur Kommunikation mit der Kühlvorrichtung 16 aufweisen. Ferner weist die Maschinensteuerung 20 zumindest eine Datenschnittstelle 46 zu der Prozessmaschine 14 und eine Datenschnittstelle 48 zu der Kühlvorrichtung 16 auf.
Bezuqszeichenliste
Kühlverfahren 10;
Maschinenkomponente 12;
Prozessmaschine 14;
Kühlvorrichtung 16;
Steuerungsprogramm 18;
Maschinensteuerung 20;
Bearbeitungsabschnitt 22a-h;
Verfahrensschritt 24;
Bearbeitungsleistung 26a-d;
Verfahrensschritt 28;
Wärmeabführungsvermögens 30;
Verfahrensschritt 32;
Wärmeabführungsplan 34;
Wärmeabführungsniveau 36a-d;
Fertigungssystem 38;
Kühlkreislauf 40;
Kühlkreislauf 42;
Datenschnittstelle 44;
Datenschnittstelle 46;
Datenschnittstelle 48.

Claims

Patentansprüche Kühlverfahren (10) zur Temperatursteuerung einer Kühlvorrichtung (16) unter Berücksichtigung der Erwärmung zumindest einer Maschinenkomponente (12) einer Prozessmaschine (14) im Betrieb der Prozessmaschine (14), aufweisend die Verfahrensschritte: a. Ermitteln (24) einer auf die Maschinenkomponente (12) einwirkenden erwarteten Wärmeenergie innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts (22a-h) eines Steuerungsprogramms (18), das den Betrieb der Prozessmaschine (14) steuert; wobei die erwartete Wärmeenergie auf Grundlage einer innerhalb des zeitlichen Bearbeitungsabschnitts (22a-h) vorgesehenen Bearbeitungsleistung (26a-d) für die Maschinenkomponente (12) ermittelt wird; b. Bestimmen (28) eines erforderlichen Wärmeabführungsvermögens (30) der Kühlvorrichtung (16) zum Abführen der erwarteten Wärmeenergie; c. Vorkonditionieren (32) der Kühlvorrichtung (16) mit zeitlichem Vorlauf, um das erforderliche Wärmeabführungsvermögen (30) bis zum Einwirken der erwarteten Wärmeenergie auf die Maschinenkomponente (12) bereitzustellen. Kühlverfahren (10) nach Anspruch 1, bei dem die Prozessmaschine (14) eine Laserbearbeitungsmaschine oder eine Bearbeitungsmaschine zur Umformung eines Materials oder eine Prozessmaschine zum Temperieren eines Mediums oder eine Prozessmaschine zur Elektronenstrahlbearbeitung oder eine Prozessmaschine für einen Prozess ist, dessen einwirkende zu erwartende Wärmeenergie innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts (22a-h) des Steuerungsprogramms (18) vorhersagbar ist. Kühlverfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Ermittlung der erwarteten Wärmeenergie eine Alterung der zumindest einen Maschinenkomponente (12) berücksichtigt wird. Kühlverfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Bestimmen (28) des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens (30) eine erwartete Temperatur der Maschinenkomponente (12) berücksichtigt wird. Kühlverfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Bestimmen (28) des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens (30) eine Höchsttemperatur der Maschinenkomponente (12) berücksichtigt wird. Kühlverfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Bestimmen (28) des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens (30) die Umgebungstemperatur der Prozessmaschine (14) und/oder der Kühlvorrichtung (16) berücksichtigt wird. Kühlverfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Bestimmen (28) des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens (30) und/oder dem Vorkonditionieren (32) ein Bearbeitungszeitraum des Bearbeitungsabschnitts (22a-h) berücksichtigt wird. Kühlverfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Bestimmen (28) des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens (30) und/oder dem Vorkonditionieren (32) die erwartete Wärmeenergie und/oder das erforderliche Wärmeabführungsvermögen (30) zumindest eines dem Bearbeitungsabschnitt (22a-h), insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Bearbeitungsabschnitts (22a-h) und/oder dem Bearbeitungsabschnitt (22a-h), insbesondere unmittelbar, nachfolgenden Bearbeitungsabschnitt (22a-h) berücksichtigt wird. Kühlverfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (24) der zu erwartenden Wärmeenergie für mehrere, insbesondere aufeinanderfolgende, zeitliche Bearbeitungsabschnitte (22a- h) des Steuerungsprogramms (18) erfolgt. Kühlverfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Vorkonditionieren (32) der Kühlvorrichtung (16) zumindest ein Kühlkreislauf (40, 42) und/oder eine Verdichterstufe der Kühlvorrichtung (16) zu- oder abgeschaltet wird. Fertigungssystem (38) mit einer Prozessmaschine (14), die zumindest eine Maschinenkomponente (12) umfasst, sowie mit einer temperatursteuerbaren Kühlvorrichtung (16); wobei das Fertigungssystem (38) zum Durchführen des Kühlverfahrens (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist; ferner aufweisend eine, insbesondere an der Prozessmaschine (14) ausgebildete, Maschinensteuerung (20); wobei die Maschinensteuerung (20) zum Durchführen des Steuerungsprogramms (18) und zum Ermitteln (24) der auf die Maschinenkomponente (12) einwirkenden Wärmeenergie eingerichtet ist. Fertigungssystem (38) nach Anspruch 11, wobei die Maschinensteuerung (20) zum Bestimmen (28) des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens (30) der Kühlvorrichtung (16) eingerichtet ist. Fertigungssystem (38) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Maschinensteuerung (20) zum Steuern der Kühlvorrichtung (16) eingerichtet und/oder ausgebildet ist. Fertigungssystem (38) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Kühlvorrichtung (16) zur stufenlosen Steuerung einer Kälteleistung zwischen null und hundert Prozent ausgebildet ist. Fertigungssystem (38) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, aufweisend zumindest ein steuerbares Proportionalventil zum fluidischen Trennen und/oder Zusammenführen von zumindest zwei Kältekreisläufen. Fertigungssystem (38) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Kühlvorrichtung (16) zumindest zwei steuerbare Kältestufen, zumindest zwei Betriebsmodi, zumindest zwei Verdichter und/oder zumindest einen Freikühler aufweist. Fertigungssystem (38) nach Anspruch 16, wobei die Kühlvorrichtung (16) zum mehrstufigen Verdichten, Verdampfen und Verflüssigen des Kältemittels ausgebildet ist; wobei das Fertigungssystem Wasser als Kältemittel aufweist; und wobei die Kühlvorrichtung (16) zum Durchführen eines Kältekreisprozesses im Grobvakuum ausgebildet ist.
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