Os preços crescentes da energia e intensificação das disposições legais nos últimos anos conduziram ao interesse por conceitos econômicos de máquinas por parte da academia e da indústria. Por esse motivo, a elevação da produtividade energética – ou seja, medidas construtivas para aumentar a quantidade de produção alcançada por unidade de energia consumida por máquinas-ferramenta – foi o tema de um projeto de pesquisa desenvolvido pelo Instituto para Máquinas-Ferramenta e Gestão de Fábrica (IWF). Este trabalho fornece uma visão geral sobre o estado da arte na área de componentes de máquinas mais eficientes e suas tecnologias inovadoras.

Um parâmetro de medida para a eficiência energética é o conceito de produtividade energética, ou seja, o quociente do valor gerado pela energia consumida. O valor gerado pode variar conforme o objetivo considerado – por exemplo, o faturamento de uma empresa ou o valor agregado por uma linha de produção –, o qual é relacionado na forma de uma proporção com a energia consumida para esse fim ^[4]. Ou seja:

Produtividade Energética (%) = Valor (R$)/Energia consumida (R$)

Medição do consumo de energia

Para encontrar o ponto de referência para a otimização da produtividade energética de máquinas-ferramenta é necessário registrar seu consumo de energia. Por esse motivo, os fabricantes de máquinas-ferramenta dotam seus centros de usinagem com recursos tecnológicos para registro e supervisão de seu consumo de energia. Deve ser dada particular atenção à discriminação dos consumos individuais de energia nas máquinas-ferramenta. Foi desenvolvido um trabalho visando a otimização da eficiência energética de máquinas-ferramenta com ênfase no consumo individual de seus componentes dentro de um trabalho de pesquisa que foi executado em cooperação com parceiros industriais ^[2].

Em outro projeto posterior, foi considerado um centro de usinagem, equipamento muitas vezes utilizado na manufatura de componentes automotivos. Neste caso, foram medidos, além do consumo total de energia, também os relativos a componentes isolados tais como o acionamento dos eixos-árvore, as bombas de fluido refrigerante e o sistema hidráulico. Dessa forma puderam ser identificados os principais componentes que consomem energia no centro de usinagem, determinando-se assim os pontos de referência para se elevar a eficiência energética ^[5].

Figura 1 – Potência ativa total de componentes isolados ^[8]

O estado da arte

Atualmente há diversas abordagens para se reduzir o consumo de energia em máquinas-ferramenta. A otimização dos sistemas de fluido refrigerante ocupa lugar de destaque sob esse aspecto. Por meio da refrigeração de mínima quantidade (MQL) ou do uso de bombas com rotação controlada para os fluidos refrigerantes, pode-se, conforme o processo de usinagem, reduzir acentuadamente tanto o consumo de fluidos como o de energia ^[1,3].

Além disso, o controle do resfriamento da máquina em função do consumo, o dimensionamento dos acionamentos de acordo com o processo e o uso de materiais de construção leves também podem contribuir para aumentar a produtividade energética.

Também os sistemas para gestão de energia baseados em programas de computador como, por exemplo, o Standby-Manager, supervisionam e diminuem o consumo de energia das máquinas-ferramenta ^[6].

Seleção dos componentes e medição

A partir de uma pesquisa bibliográfica foram analisados resultados sobre medições de consumo de energia feitas em estudos industriais e acadêmicos, tendo sido identificados os principais componentes que consomem energia nas máquinas-ferramenta. As bombas e o acionamento para suprimento de fluido refrigerante, o resfriamento da máquina e o acionamento de seus eixos são os responsáveis pela maior parte do consumo de energia ^[5].

As medições de consumo de energia feitas no IWF foram determinadas num centro de torneamento e fresamento CNC fabricado pela Traub. Esta máquina, modelo TNX 65, fabricada em 2003, é dotada de

Figura 2 – Redução no consumo de energia do centro de torneamento/ fresamento com o uso de componentes de mais eficiência energética

dois eixos-árvore idênticos. O uso de quatro torres porta-ferramenta independentes permite que par de eixos-árvore trabalhe simultaneamente com até três ferramentas.

Foram selecionados dentro deste estudo o acionamento do eixo-árvore principal, o acionamento do eixo de avanço e a bomba de baixa pressão do fluido refrigerante para se determinar a necessidade de energia do principal componente consumidor. O resfriamento da máquina não foi considerado dentro deste programa de medições, uma vez que a máquina em questão não dispunha de um circuito de refrigeração especial. Foi propositalmente selecionado um modelo antigo de máquina, que não dispunha de nenhum componente com consumo reduzido de energia, ao contrário do que ocorre hoje nos produtos fabricados pela firma Traub, disponíveis como padrão ou opcionais.

A aquisição e o registro dos dados medidos foram feitos por meio de um kit portátil para edição. Foram usados programas computacionais específicos para processar os dados coletados. A determinação do consumo de energia de toda a máquina e de seus componentes selecionados foi feita a partir dos valores medidos em pontos adequados, medindo-se a potência ativa global da máquina TNX 65 em stand-by e em processo.

Os dados medidos foram obtidos durante a usinagem de uma barra redonda laminada a quente, mais especificamente durante seu torneamento no diâmetro externo, tendo sido selecionada profundidade de corte a_p de 0,4 mm e velocidade de corte constante v_c igual a 248 m/ min. Foi usada uma emulsão de óleo e água como fluido refrigerante. Os parâmetros da usinagem, bem como as características da ferramenta e do material que estava sendo trabalhado, estão compilados na tabela 1 (pág. 74).

 

Valores de consumo medidos

Os dados medidos que foram registrados reproduzem nitidamente as condições operacionais dos dispositivos isolados. Durante o processo de usinagem constatou-se que foi alcançada potência ativa total P constante e com valor de quase 10 kW na alimentação elétrica da máquina durante o período em que a ferramenta estava atuando na peça. Assim que a ferramenta era novamente posicionada para executar o passe seguinte, a potência ativa total P caía para cerca de 7,8 kW. Em seguida ao processo de usinagem, a máquina permanecia em stand-by, situação em que foi medida uma carga básica P constante de 5,5 kW. Esse valor corresponde a 55,7% da potência requerida pela máquina durante o processo de usinagem.

A medição da potência total do acionamento do eixo-árvore principal também forneceu níveis aproximadamente constantes de potência iguais, em média, a 5,3 kW. Quando a ferramenta para torneamento não estava atuando, o valor da potência ativa total do acionamento do eixo-árvore principal caía para aproximadamente 1,3 kW. Uma vez que a potência ativa total da máquina-ferramenta não caiu de maneira igualmente intensa como a potência ativa total dos componentes analisados, pode-se deduzir que a ferramenta deslocou-se para a posição inicial, fazendo com que o acionamento de seu sistema de avanço consumisse um valor correspondente de energia.

Ao término de todos os processos de usinagem ocorreu o surgimento de valores negativos

de potência. O acionamento do eixo-árvore principal, que é capaz de converter energia, de fato gerou energia para um circuito secundário durante a frenagem do eixo-árvore. Após o final do processo de usinagem, a máquina permanecia em stand-by. O eixo-árvore era frenado até atingir o estado de repouso. Nesta situação, o acionamento do eixo-árvore apresentava uma potência ativa total P igual a 0,2 kW.

A bomba de baixa pressão para o fluido refrigerante opera com rotação aproximadamente constante e apresentou potência ativa total constante de 1,6 kW. Após o desligamento da alimentação desse fluido, foi medido valor de 0 kW para essa potência ativa total.

Considerações econômicas

Foi então definido um perfil representativo de utilização, assumindo-se operação em três turnos durante cinco dias por semana, para se poder identificar e avaliar as possibilidades para elevação da produtividade energética do centro de torneamento e fresamento Traub TNX 65. Consequentemente, também ficou estabelecido que a máquina-ferramenta permanecia inativa durante o fim de semana, mas ligada. A tabela 2 (pág. 74) mostra os valores de consumo medidos para o processo de usinagem correspondentes a uma produção em série em três turnos.

Pode-se elevar a produtividade energética da máquina reduzindo-se o consumo de energia e de fluido refrigerante que ocorre em seu sistema. Neste caso, o emprego de um sistema para aplicação de MQL é bastante adequado. Contudo, deve-se considerar que nem todos os processos de usinagem são compatíveis com esse sistema e que é necessário respeitar os parâmetros tecnológicos do processo. Alguns sistemas MQL são adequados para incorporação a máquinas já existentes.

A maior parte do consumo de energia do sistema estudado decorreu da geração de pressão e da aplicação do refrigerante ^[7]. No caso do processo de usinagem aqui considerado, pode-se conseguir uma redução de 79% no consumo anual de energia em comparação com o consumo relativo a uma bomba de fluido refrigerante. Além disso, encontram-se disponíveis soluções baseadas em programas de computador para monitorar e reduzir o consumo de energia. Considerando-se a operação em três turnos adotada dentro do escopo deste trabalho de pesquisa pode-se, com ajuda de um módulo de economia de energia, reduzir o consumo durante os fins de semana. Uma investigação sobre uma placa de construção leve para o torno apresentou, conforme esperado, um potencial desprezível de economia de 3,6 kWh por ano, uma vez que o processo de usinagem aqui considerado requer pequeno número de etapas de aceleração e desaceleração, bem como uma rotação relativamente baixa no eixo-árvore.

De forma global, o consumo de energia no centro de torneamento e fresamento CNC, operando em três turnos foi reduzido em 20% por meio da implantação do sistema de aplicação de quantidade mínima de lubrificante (MQL) e do módulo para economia de energia. Assumindo-se que o preço da energia elétrica seja da ordem de 11 centavos de euro por kWh ^[9], pode-se, dessa forma, obter uma economia anual de aproximadamente 1.634 euros.

Conclusões

O emprego de um módulo para economia de energia revelou-se a possibilidade de reconfiguração mais econômica possível dentro do escopo desta investigação. Esse módulo pode ser utilizado com mínima complexidade técnica e reduz o consumo de energia do centro de torneamento e fresamento CNC, o que contribui de forma essencial para o aumento da produtividade energética. O desempenho das outras soluções estudadas como, por exemplo, o sistema para aplicação de mínima quantidade de lubrificante (MQL) ou placa de construção leve para torno, depende fortemente do processo e do usuário. O potencial alcançável de economia pode não ser o mesmo em todos os casos e isso dificulta a comparação entre os diversos tipos de máquina-ferramenta em termos de sua produtividade energética.

Pode-se apenas efetuar uma comparação direta entre gerações sucessivas de modelos selecionados de máquinas, uma vez que aqui se pretende investigar o aperfeiçoamento tecnológico e o aumento da produtividade em relação às versões mais antigas.

Uma abordagem adicional consistiria em se considerar o consumo de energia por peça processada. A partir da definição de um padrão de peça para comparação, pode-se determinar os correspondentes consumos de energia para processos ou máquinas-ferramenta comparáveis e, dessa forma, viabilizar comparações entre máquinas-ferramenta.

Referências

1] Abele, E.; Kuhrke, B.; Rothenbücher, S.: Energieeffizienz spanender Werkzeugmaschinen. In: forschen:Wissenschaftsmagazin der Technischen Universität Darmstadt, Heft 1, 2011, S. 64-67.

2] Brecher, C.; Herfs,W.; Heyers, C.; Klein,W.; Triebs, J.; Beck, E.; Dorn, T.: Ressourceneffizienz von Werkzeugmaschinen im Fokus der Forschung. Effizienzsteigerung durch Optimierung der Technologien zum Komponentenbetrieb. In: wt Werkstattstechnik online, Heft 7/8, 2010, S. 559-564

3] Deutges, D.: Weniger ist mehr. Drehen mit 2-Kanal-Minimalmengenschmierung. In: WB Werkstatt und Betrieb, Heft 9, 2010, S. 138-139.

4] Reinhart, G.; Karl, F.; Krebs, P.; Reinhardt, S.: Energiewertstrom – Eine Methode zur ganzheitlichen Erhöhung der Energieproduktivität. In: ZWF  Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Heft 10, 2010, S. 870-875.

5] Rothenbücher, S.; Kuhrke, B.: Trendbericht: Energiekosten bei spanenden Werkzeugmaschinen. Energiebündel auf dem Prüfstand. In: WB Werkstatt und Betrieb, Heft 9, 2010, S. 130-137.

6] Schischke, K.; Hohwieler, E.; Feitscher, R.; König, J.; Kreuschner, S.;Wilpert, P.; Nissen, N. F.: Energy-Using Product Group Analysis – Lot 5 Machine tools and related machinery. Task 5 Report – Technical Analysis BAT and BNAT. Berlim, 2012.

7] SKF Lubrication Systems: Firmenschrift: SKF LubriLean – Minimalmengenschmierung für kundenspezifische Trockenbearbeitungsprozesse. Berlim, 2009.

8] Uhlmann, E.: Einleitungsvortrag

7. Berliner Runde »Funktionalität nutzbar machen – Technologien vereinfachen«. Berlim, 2012.

9] Verband der Industriellen Energie - und Kraftwirtschaft e.V.: Datenerhebung: Strompreisentwicklung für die Industrie in Deutschland in den Jahren 2005 bis 2012. Essen, 2010.