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Convegno qualità, sicurezza e ambiente BIMU 2014

L’efficienza energetica delle macchine utensili: introduzione e aspetti di misura

dell’energia delle macchine utensili

3 ottobre 2014

Giacomo Bianchi Istituto di Tecnologie Industriali e

Automazione Consiglio Nazionale delle Ricerche

Enrico Annacondia Direzione Tecnica

UCIMU-SISTEMI PER PRODURRE STANIMUC

Indice

• motivazione per l’ottimizzazione dell’efficienza energetica

• iniziative legislative e trend industriali

• la norma ISO 14955 Machine tools — Environmental evaluation of machine tools

• la Self Regulatory Measure di CECIMO

• la Blue Philosophy UCIMU

NOTA: l’ing. Annacondia, che non ha potuto essere presente oggi, ha predisposto un’esaustiva presentazione sulla normativa che tratta dell’impatto ambientale delle macchine utensili e sistemi

produttivi, più in generale. La trovate negli atti del convengo.

BIMU 2014 - L’efficienza energetica delle macchine utensili – 3 ottobre 2014

Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione

BARI

LECCO

MILANO VIGEVANO

ITIA coordina 3

progetti EC del

7FP

progetti europei (EC FPs) 24

progetti nazionali 7

progetti regionali 7

contratti industriali 6

personale: 100 ricercatori attività

ITIA è un Istituto del Consiglio Nazionale delle Ricerche, che svolge, promuove, diffonde attività di ricerca a supporto dello sviluppo scientifico, tecnologico, economico e sociale del settore manifatturiero. Esegue attività di ricerca applicata su tecnologie abilitanti, processi e prodotti, integrati a livello di fabbrica.


ITIA ha ispirato la creazione della piattaforma europea ManuFuture ed è membro fondatore della Associazione Europea per le Fabbriche del Futuro (EFFRA), dei Cluster Nazionale e Regionale Fabbrica Intelligente.

• progetti di ricerca • contratti industriali • servizi e consulenze • formazione

attività:

Energia: il quadro generale

E’ ancora in fase


da Exxon Mobil: 2012 - Scenari energetici al 2014

Pacchetto 20-20-20, entro il 2020 (rispetto al 1990): • -20%, le emissioni di gas serra

derivanti dal consumo di energia nell’UE‐27;

• > 20% di energia da fonti rinnovabili;

• > 10% per i biocarburanti • nel totale dei consumi per

autotrazione; • -20% l’efficienza energetica

(rispetto alle proiezioni per il 2020)

Il 5 febbraio 2014 il parlamento europeo ha votato una

risoluzione per sostenere un triplice obiettivo vincolante al 2030: 40% di riduzione dei gas

serra, 30% di energia da rinnovabili, 40% di riduzione dei consumi (efficienza energetica).


Norma ISO & Direttive Europee

Norme ISO 14001 (sistema di gestione ambientale)

50001 (sistema di gestione energetico),

Altre norme della serie 14000

14020 (etichette e dichiarazioni ambientali)

14040 (Life Cycle Assesment)

14064:2006 ( quantificazione e rendicontazione delle emissioni di gas serra)

Linee Guida ISO 26000 (responsabilità sociale d’impresa)

19011 (linee guida sui principi dell'attività di audit per ISO 9001 e 14001)

20121 (organizzazione sostenibile di eventi) [E. Annacondia]


Alcune direttive della Comunità Europea sul tema sostenibilità

• Direttiva 2002/96/CE sui rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche (WEEE) è volta a prevenire e limitare il flusso di rifiuti di apparecchiature destinati alle discariche, attraverso politiche di riuso e riciclaggio degli apparecchi e dei loro componenti.

• Regolamento REACH - entrato in vigore il 1° giugno 2007 con l’obiettivo di razionalizzare e migliorare il precedente quadro legislativo in materia di sostanze chimiche dell'Unione Europea.

• ECOLABEL - è l’etichettatura ecologica definita dalla Comunità Europea ed attualmente normata dal Regolamento (CE) 1980/2000. Essa rappresenta uno strumento di certificazione volontaria, che garantisce al consumatore determinate prestazioni ambientali in termini di impatti ambientali del prodotto/servizio, valutati con un opportuna azione basata sulla metodologia LCA.

• Regolamento della Commissione (CE) 640 / 2009 - specifica i requisiti in materia di progettazione ecocompatibile per i motori elettrici trifase. [E. Annacondia]

Energia e manifatturiero


Il manifatturiero ha un ruolo importante. Spesso il consumo di energia non è stato ottimizzato nella definizione dell’impianto: farlo può facilmente portare a risparmi significativi…

Impieghi finali di energia per settore (%) in Italia, anno 2012

Drivers per l’efficienza energetica dei macchinari

per ridurre i costi di esercizio del cliente, anche a fronte di un aumento del costo di investimento (ma qual è la sensibilità per il “Total Cost of Ownership”?? spinta al monitoraggio). Quanto impatta il costo energia?

perché il cliente deve dimostrare che riduce l’impatto ambientale del suo prodotto (es. automobile), a partire dalla sua costruzione

come fattore di marketing (“azienda verde”)

perché richiesto da regolamenti attuali o incombenti



Incentivi all’efficienza energetica: un esempio

www.kfw.de

La Kreditanstalt für Wiederaufbau, una banca pubblica tedesca (80% governo federale, 20% Länder), propone mutui agevolati per macchine ad alta efficienza:

Particularly in difficult economic times, energy efficiency can make an important contribution to reducing the fixed costs of an enterprise. In order for small and medium-sized enterprises to be able to sustain such investments too, we give particular support to SMEs in the form of low interest rates for loans and grants for energy advice.

whom: German and non-German enterprises, joint ventures. what: • for investments in and outside Germany that achieve substantial energy-saving

effects. Outside the EU, the share provided by the German partner will be financed.

• replacement investments must lead to energy end-use saving s of at least 20% on the basis of the average consumption of the previous 3 years.

• new investments must achieve energy savings of at least 15 per cent compared with the industry average.

stand-by

tutto

fermo

stand-by:

25-30% del consumo energetico totale

oggi esistono soluzioni per ridurre il consumo:

modalità stand-by, azionamenti olio con

regolatori di p/Q sulle pompe per la

regolazione primaria, ottimizzazione sistemi

di raffreddamento del fluido di lavoro


Potenziale di miglioramento: un esempio evidente

Il progettista normalmente si concentra sulle

condizioni di utilizzo più gravose, ma ciò

può portare a risultati non ottimali dal

punto di vista energetico …

spindle working35%

active, no spindle 32%

machine idle34%

TEMPI

machine (spindle working)

48%

spindle 12%

machine (no spindle) 34%

machine(idle) 6%

ENERGIE

fresatura di grandi pezzi: ciclo di test, su due giorni, due turni

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-50

0

50

100

time [hours]

pow

er

[kW

]

total

spindle

idle idle

energia assorbita dal mandrino: 49 kWh; energia rigenerata dal mandrino: 1.2 kWh

(picchi di potenza: meglio ridurre l’accelerazione mandrino ?)

Energia = potenza x tempo: come vengono usate le macchine ?


Energy using Products Directive

eur-lex.europa.eu www.eup-network.de/background/ecodesign-directive/

Ecodesign Directive eur-lex.europa.eu

Cecimo Self Regulatory Initiative

www.cecimo.eu/ecodesign-eup/selfregulation.html;

EuP preliminary study on MT Fraunhofer (metal and wood working machine tools as well as for welding, soldering and brazing equip.)

www.ecomachinetools.eu

07/05

2009

01/10

04/12

2014

EuP Implementing Measure / SRI activated?

05/10

09/09

ISO 14955-1 Approved ISO 14955-2 Committee Draft

EuP Working plan 2009-2011

eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri= COM:2008:0660:FIN:en:PDF

10/08

today

ISO TC 39 WG (14955): Environmental evaluation of machine tools (metal cutting and metal forming)

www.iso.org/iso/iso_technical_committee.html?commid=48354

2016?


Efficienza energetica nei sistemi di produzione: attività di normazione e standardizzazione

end of preliminary study

Valutazione Energetica di Macchinari

Una Valutazione Energetica (cfr. ISO 50001), sperimentale o per simulazione, deve

rispondere alle seguenti domande:

• che energia è utilizzata dalla macchina

• dove viene utilizzata nella macchina (cioè in che componenti e sottosistemi)

• quando viene utilizzata, durante il ciclo produttivo

• perché che energia è richiesta dalle varie funzioni della macchina (per es.

movimento, controllo della temperatura, processo di taglio, movimentazione

pezzi,. ..)

Per rispondere a queste richieste, è necessario:

• misurare/stimare l’ evoluzione nel tempo della potenza totale utilizzata dalla

macchine durante il ciclo di prova

• misurare/stimare la potenza utilizzata dai componenti/sottosistemi più

significativi

• caratterizzare la produzione della macchina, per valutare un’ efficienza

energetica (Nr. pezzi/energia)


14

ambito della ISO 14955: macchine utensili e energia

“This standard is the application of eco-design standards to machine tools, mainly for metal working numerically controlled (NC) machine tools.” (it will also cover woodworking machines)

machine tool definition (see the wide MT definition in the EuP Preliminary Study): “mechanical device which is fixed (i.e. not mobile) and powered (typically by electricity and compressed air), typically used to fabricate metal components by the selective removal or mechanical deformation. [Other machine tools e.g. laser cutting machine tools, material additive machine tools, … are currently not covered by informative annexes]”

“This standard addresses the energy efficiency of machine tools during the use stage, i.e. the working life of the machine tool. Environmental relevant stages other than the use stage and other relevant impacts than energy supplied to machine tools are not within the scope of this standard and need a special treatment, e.g. according to ISO/TR 14062:2002.”


Funzioni primarie e secondarie della macchina

La norma propone di considerare aggregare il consumo secondo queste Funzioni per stimolare

modifiche funzionali (per es. passare a lavorazioni a secco) e non solo

mirate a migliorare il singolo componente.

La norma parte 1 riporta in

appendice elenchi di “Potential improvements” ordinati per

Funzione.

Machine operation

(machining process, motion

and control)

Workpiece handling

Process conditioning and

cooling

Machine cooling/heating

Recyclables and waste

handling

Generalized machine tool

functions

(1st level functions)

Tool handling, or die

change

Machining process

Motion

Control

Process conditioning

Process cooling

Tool change

Tool storage

Machine cooling

Machine heating

Sub functions

(2nd

level functions)[ISO 14955]

Allocazione dell’energia utilizzata dai Componenti alle Funzioni

La norma prescrive di compilare una tabella che

indichi quanto ogni componente “lavori” per le varie Funzioni. Di solito si

utilizza una stima approssimativa delle %, che comunque ha poca influenza

sulla valutazione complessiva.

24 V supply

230V supply

E/R module supply

Monitoring module

CNC Total

Chip conveyor

Mist collector

Hydraulic system

Fluid system

Spindle cooling pump

Cooling fan

Fan E/R module

CNC air-conditioning

Air compressor

100%

Specific turning

machine

Ma

ch

ine

op

era

tio

n

(ma

ch

inin

g p

roce

ss,

mo

tio

n a

nd

co

ntr

ol)

Wo

rkp

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ha

nd

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Pro

ce

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ditio

nin

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nd

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olin

g

Re

cycla

ble

s a

nd

wa

ste

ha

nd

ling

Ma

ch

ine

co

olin

g/h

ea

tin

g

80%

100%

100%

100%

50%

75%

80%

10%

100%

100%

25%

25%

25%

100%

100%

100%

100%

To

ol h

an

dlin

g, o

r d

ie

ch

an

ge

20%

10%


[ISO 14955]


Misura dei flussi di potenza el

ectr

ical

en

ergy

la valutazione energetica deve

considerare tutti i flussi di potenza rilevanti, a livello

macchina ed impianto, richiesti per

il ciclo produttivo

Machine tool

Compressed air

Compressed Air Supply

Electrical energy

= constant Measuring point i

X

losses

tutte le energie vanno trasformate in kWh …

[ISO 14955-2]

19

Consumo dei componenti rispetto alle funzioni


bilancio energetico a livello Funzionale

misura della potenza: a livello di Componenti

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

MachineOpera on

ProcessC+C

PartHandling

ToolHandling

WasteHandling

MachineCooling

miglioramenti di progetto: • modificare i requiresiti funzionali (per es.

e.g. adopt dry cutting) • dimensionamento ottimale (per es.

pompa ottimale per il circuito idraulico) • componenti più efficienti (per es. motori

elettrici più efficienti)

mappatura del consumo dei Componenti sulle Funzioni Macchina

75%

3% 0%0%9%

13%

test trajectory: dissipated energy - %

machine in stand-by X axis Y axis Z axis spindle working chillers

per le tipologie di macchine

esaminate (con motori rotativi e

lineari), in fase di finitura è

fondamentale considerare il consumo

degli organi ausiliari, a partire dallo

stato di attesa pezzo (!!).

Utili strategie di stand-by specifiche.

23%

16%

32%

15%

2% 1%11%

power absorbed by a machine tool in stand-by (%)

power drives AR Spindle chiller (stand-by) Axis chiller (stand-by)

hydraulic power unit PLC Num Contr

Lights, rest of electrical cabinet

consumo di energia in un

ciclo test simile ad una

lavorazione di finitura:

rilevanza del “consumo-

base”.

I “consumatori” in una fresatrice: un esempio


Design Guidelines: come migliorare l’efficienza energetica

eliminare o rilassare alcuni requisiti funzionali (per es. sul fluido da taglio, aria compressa, controllo termico della macchina, accelerazione, …)

concezione complessiva della macchina (per es. strutture più leggere, azionamenti idraulici o elettrici ?)

dimensionamento ottimo dei componenti (per es. pompa e circuito idraulico, motori assi, getti d’aria per la pulizia, …) (evitare sovradimensionamento, cercando il giusto compromesso con la standardizzazione aziendale)

scegliere componenti più efficienti (per es. motori elettrici, pompe,…)

adottare strategie di controllo a livello macchina ed impianto che considerino il consumo energetico (per es. velocità di lavorazione ottimale, accelerazioni, gestione degli stand-by, …)

informare l’utente sul consumo energetico, per aumentare la sua consapevolezza, suggerire parametri di processo migliorativi


Le appendici A e B della 14955 parte 1 elencano “Potential Improvements” rispettivamente per le macchine ad asportazione e a deformazione

ISO 14955-1: indice complessivo dei Potential Improvements

No. Requirements on

1 Overall machine concept

2 Drive units

3 Hydraulic systems

4 Pneumatic systems

5 Electric systems

6 Cooling lubrication system

7 Cooling system

8 Peripheral devices

9 Guidance for energy efficient use

10 Control systems


[ISO 14955-1]

Potential Improvements: concezione complessiva di macchina

14955 - part 1: well tried design principles for machine components, control components and combinations of machine components for energy-efficient metal cutting machine tools


Potential Improvements: drive units


14955 - part 1: well tried design principles for machine components, control components and combinations of machine components for energy-efficient metal cutting machine tools

Il caso di una fresatrice: efficientamento energetico


energy saved

ECO-MACHINE: energia usata nel ciclo di test [kWh]

Definizione dei cicli di test

esigenze (soliti compromessi …):

• prove ripetibili (limitare l’effetto di variazioni incontrollate dovute all’usura e alla morfologia dell’utensile, specifico materiale del pezzo, …)

• caratterizzare la macchina: il ciclo di test deve sollecitare tutte le funzioni rilevanti della macchina

• stimare l’efficeinza energetica per il cliente specifico: lavorazione del pezzo cliente con il suo ciclo di lavoro

• cheap and fast: poche prove, strumentazione semplice (più difficile per le macchine a deformazione …)

• prove effettuabili su una macchina completa, in condizioni operative, senza richiedere preparazioni particolari

• applicabili ad una vasta gamma di macchine


direzioni di sviluppo ISO 14955 part 3&4 (appena avviate):

• per MU d’asportazione si vuole minimizzare le prove di taglio (movimentazioni a vuoto, …)

• per MU a deformazione verranno proposti cicli di lavoro simulati, senza stampo …


ISO 14955 Part 3: Test pieces / test procedures and parameters for metal cutting machine tools

• the part that will be produced on the machine tool is known (individually defined between builder and user)

• operating conditions are known

• only valid for mass production

• amount of energy needed to produce one part (energy per part)

• measurements can be easily done during the machine capabilty study (according to ISO 26303)


ISO 14955 Part 4: Test pieces / test procedures and parameters for metal forming machine tools

• si vuole evitare che i risultato dipenda dallo specifico stampo utilizzato.

• lo stampo spesso non è ancora costruito quando viene scelta la pressa

• è facile simulare un predefinito ciclo pressione / corsa

29

Remarks on the CECIMO Self Regulatory Measure

Outcomes of May 2014 Forum on the Ecodesign Consultation for Lot 5

products (Machine Tools – MT - and related machinery):

• MTs are much more complex than any other products dealt so far

under Ecodesign Directive

• Lack of relevant data set on various Energy Efficiency aspects for MTs

• High market coverage obligation (80% according to VA Guidelines –

currently under revision)

• Lack of market surveillance

• Lack of incentives for companies (to invest in energy efficient solutions)

or for customers (who would like to invest in the energy efficient MTs)


30

CECIMO Self Regulatory Measure: next steps (estimated!)

• DG Enterprise will its Impact Assessment and Policy Option, to be

evaluated by the Impact Assessment Board (aimed for early 2015)

Then two alternatives:

• SRM for the metal-working MTs: possible endorsement in 2015

• Implementing Measures (per sector, e.g. welding): possible adoption in Q1

2016 (establishment of Implementing Measures will require various

stages: WTO notification, consultation with the European Parliament etc.)


per poter apporre il marchio CE (Direttiva Macchine), sarà necessario soddisfare anche i requisiti di efficienza energetica.


La Blue Philosophy

• Rappresenta il “nuovo corso” del noto MARCHIO UCIMU

• Simboleggia l’attenzione dei produttori italiani di macchine utensili per il tema della sostenibilità – Nelle sue tre declinazioni

• economica

• sociale

• ambientale

per concludere …

• L’Impatto Ambientale sta rapidamente diventando un importante fattore competitivo, ma non tutti cercano di sfruttarlo …

• In un paio d’anni i regolamenti europei richiederanno l’eco-design di molti prodotti, tra cui le macchine utensili

• Bastano poche misure per identificare gli elementi che principalmente concorrono al consumo della macchina in produzione

• Tipicamente il maggior potenziale di risparmio si ha nelle condizioni di carico parziale (gestione attese, stand-by) e nei sovra-dimensionamenti

• Alcune strategie portano ad ottimizzazioni già effettuate dai costruttori ed utilizzatori (ridurre le inerzie, ridurre le forze di taglio)

• Molte soluzioni tecniche sono già disponibili, è necessario sviluppare conoscenze e strumenti per ottimizzare il Total Cost of Ownership della macchina e dell’impianto

Grazie per l’attenzione e contattateci per approfondimenti ed applicazioni !


from research .… to market

Grazie per l’attenzione e contattateci per approfondimenti ed applicazioni !

[email protected]

ing. Enrico Annacondia

[email protected]

mailto:[email protected]

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