Fügen So energieeffizient sind elektromechanische Fügesysteme

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Wissenschaftler der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften haben im Auftrag von Kistler die Energieeffizienz von drei Fügeverfahren mit unterschiedlichen Antriebstechnologien untersucht: elektromechanisch, hydraulisch und pneumatisch. Dabei hatte der elektromechanische Antrieb die Nase klar vorn.

Für die Vergleichsstudie verwendeten die Wissenschaftler das elektromechanische Fügemodul NCFE von Kistler, konzipiert für einfache, kostensensitive Fügevorgänge sowie je ein vergleichbares Fügesystem mit hydraulischem und pneumatischem Antrieb. Die Studie wurde mit einer Fügekraftkraft von 15 kN durchgeführt. Der Versuchsaufbau stellt einen typischen Einpressvorgang dar, wie er in unterschiedlichsten Industrien und Branchen täglich abläuft – unter anderem in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie, 3C Industrie, Medizintechnik, sowie bei der Herstellung von Weißer Ware oder Power Tools.

Für die Vergleichsstudie arbeitete das elektromechanische System von Kistler mit einer Geschwindigkeit von 180 Millimetern pro Sekunde. Da die hydraulischen und pneumatischen Systeme diese Geschwindigkeiten aufgrund der Pumpenleistungen und Rohrdurchmesser nicht erreichen können, liefen sie mit ihrer jeweiligen Maximalgeschwindigkeit: Das pneumatische System bringt es auf ca. 50 Millimeter pro Sekunde, während die hydraulische Variante 65 Millimeter pro Sekunde erreicht.

Energieverluste bei pneumatischen Systemen

„Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Druckluftenergie kommt es zwangsläufig zu Verlusten“, weiß Prof. Dr.-Ing. Udo Triltsch, Professor für Maschinenbau an der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften. „Je ineffizienter das Druckluftsystem, desto höher die Verluste: Diese unterschiedlichen Energieverluste gilt es bei der Berechnung der Energiekosten der pneumatischen Fügevorgänge zu berücksichtigen. Um Industriebedingungen real darstellen zu können, unterscheiden wir im Rahmen dieser Studie zwischen sehr effizienten Drucklufterzeugungssystemen mit effizienter Pneumatik, die 100 Wattstunden benötigen, um einen Kubikmeter Druckluft zu erzeugen, Systemen mit durchschnittlicher bzw. normaler Pneumatik, die für die gleiche Menge Druckluft 175 Wattstunden aufbringen, und schließlich Systemen mit ineffizienter Pneumatik, die hierzu 250 Wattstunden aufwenden.“

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Höhere Energieeffizienz elektromechanischer Fügemodule

Die Forscher berücksichtigen diese Annahmen auch in ihren Berechnungen der benötigten Lasthubenergien der unterschiedlichen Fügesysteme. Die Ergebnisse zeigen, dass das elektromechanische Fügesystem (Servopresse) von Kistler während der Laufzeit des Versuchs signifikant weniger Energie verbraucht als die anderen Systeme. „Die Ergebnisse belegen klar die Effizienzvorteile des elektromechanischen Systems“, so Nanno Peters, Dipl.-Ing. (FH) am Lehrstuhl.

Basierend auf dem Energieverbrauch berechnete die Fachhochschule zusätzlich die jährlichen Energiekosten für die Fügesysteme. Als Grundlage diente ihnen die Annahme von insgesamt 260 Arbeitstagen im Jahr und einer täglichen Betriebsdauer von acht Stunden, das Äquivalent von 6.000 Betriebsstunden wie auch der durchschnittliche Preis von Industriestromkosten (im Jahr 2022) pro Kilowattstunde. Auch hier zeigen die Ergebnisse deutlich, dass sich mit den elektromechanischen Fügesystemen von Kistler die größten Kosteneinsparungen erzielen lassen.

Zukunftsfähige Lösungen für eine nachhaltige Produktion

Alexander Müller, Head of Business Center NC Joining Systems von Kistler zieht ein positives Resümee: „Wir freuen uns sehr über die Ergebnisse der Studie. Sie bestätigen, dass wir zukunftsfähige und nachhaltige Lösungen anbieten. Der ökologische Fußabdruck ist eine zentrale Kenngröße in der Produktion. Darum bieten wir unseren Kunden Fügemodule und Lösungen an, die Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Effizienz vereinen. Wechseln Anwender von einem pneumatischen System auf eine elektromechanische Lösung, können sie ihren Energieverbrauch um bis zu 93 Prozent reduzieren. Zudem profitieren sie von geringeren Gesamtbetriebskosten – denn sie sparen bei Anschaffungs- und Betriebskosten, wenn ihr Fügesystem entsprechend dem Anwendungsfall dimensioniert, ist: Wartungsaufwände wie auch der CO2-Verbrauch sind langfristig nachweislich geringer.“

Die Ergebnisse zeigen, dass die elektromechanische Variante bezogen auf die reine Fügearbeit, den Lasthub, am effizientesten arbeitet. Im Vergleich fügen die elektromechanischen Systeme bis zu 5,9-mal energiesparender als die untersuchte hydraulische Variante. Das pneumatische Fügesystem hat den höchsten Energieverbrauch – es verbraucht je nach Effizienz des Druckluftsystems zwischen 8,4 bis 20,6-mal so viel Energie wie die elektromechanische Alternative.

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