Digitale werktuigmachines vreten energie

Werktuigmachines liggen aan de basis van precisiefabricage en zijn essentieel voor de productie van zowat alle moderne technologie, zoals auto's, vliegtuigen, huishoudtoestellen, computers, zonnepanelen of windturbines. Werktuigmachines zijn doorheen de geschiedenis steeds meer energie gaan verbruiken, een trend die recent nog is versneld door de introductie van digitale technologie.

Foto: Een lasersnijder met een automatisch systeem voor het laden van plaatstaal. Ermaksan.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Productieprocessen kunnen grofweg worden onderverdeeld in twee groepen. Primaire, zoals smeden en gieten, geven het materiaal een basisvorm. Secundaire processen zorgen voor de afwerking, en zijn veel preciezer. Deze tweede groep wordt uitgevoerd door werktuigmachines: stationair werkende machines die materiaal op een mechanische manier bewerken, meestal door op een of andere manier geleidelijk materiaal weg te nemen.

Voorbeelden van werktuigmachines zijn zaagmachines, boormachines, slijpmachines, snijmachines, draaibanken en freesmachines. Werktuigmachines kunnen verschillende materialen bewerken, maar vandaag worden ze voornamelijk ingezet voor het bewerken van metalen.

Freesmachines zijn vandaag met voorsprong de belangrijkste werktuigmachines. Een freesmachine kan lagen materiaal wegnemen zodat er een driedimensionale vorm uit een blok metaal ontstaat. Het snijgereedschap dat de bewerkingen uitvoert -- de frees -- is meestal plaatvormig of cilindervormig met vertandingen erin die dienst doen als beitels.

Een freesmachine aan het werk. Foto: CNC Masters.

Een draaibank is verwant aan een freesmachine, maar produceert symmetrische, cilindervormige objecten. Het is de enige werktuigmachine waarbij het gereedschap (meestal een draaibeitel) stil staat terwijl het te bewerken materiaal (het werkstuk) ronddraait -- vandaar dus de benaming draaibank.

De draaibank en de freesmachine voor metaalbewerking liggen aan de basis van de moderne productietechniek, omdat ze uitwisselbare precisieonderdelen kunnen maken voor bijvoorbeeld een motor, een fiets, een windmolen of een werktuigmachine.

De aandrijving van werktuigmachines

De moderne definitie van werktuigmachines sluit elke machine uit die door mensen wordt aangedreven, maar de voorgangers van de meeste werktuigmachines werden met de handen of de voeten aangedreven. Met de hand aangedreven draaibanken voor houtbewerking bestaan al sinds de Oudheid, en in essentie werken ze op dezelfde manier als een moderne draaibank.

Een reproductie van een middeleeuwse draaibank. Bron.

Meer gesofistikeerde, met de voet aangedreven draaibanken doken op in de middeleeuwen. De eerste draaibanken voor metaalbewerking dateren uit de achttiende eeuw, terwijl de eerste freesmachines -- die uit de metaaldraaibank werden ontwikkeld -- opdoken in het begin van de negentiende eeuw.

Werktuigmachines werden ook aangedreven door dieren, wind of waterkracht. De Romeinen gebruikten al met water aangedreven zaagmachines voor marmer, maar de meeste door externe krachtbronnen aangedreven werktuigmachines verschenen pas in de middeleeuwen of de vroegmoderne tijd. De Europeanen gebruikten zaagmolens, boormolens, draaibanken, slijpmolens, polijstmolens en metaalsnijmolens die werden aangedreven door water, wind, ossen of paarden.

Een met water aangedreven werktuigmachine voor het snijden van metalen platen, Zweden, 18e eeuw.

 Een met water aangedreven werktuigmachine voor het polijsten van glas. Bron: Encyclopedie Diderot.

Deze industriële molens waren stationaire, complexe machines die gebruik maakten van een externe energiebron, en voldoen dus helemaal aan de moderne definitie van werktuigmachines. Maar vanaf ongeveer 1850 werden werktuigmachines steeds vaker aangedreven door stoommachines, en vandaag worden bijna alle werktuigmachines aangedreven door een elektrische motor.

Computergestuurde werktuigmachines

Gedurende de eerste helft van de twintigste eeuw gebeurde de bediening van werktuigmachines nog steeds door de mens. Het snijwerktuig zelf werd aangedreven door een stoommachine of een elektrische motor, maar mensen zorgden voor de sturing ervan, meestal door middel van met de hand bediende wielen. Deze zogenaamde "manuele" werktuigmachines worden nog steeds gebruikt, maar ze verliezen terrein.

Een manueel bediende freesmachine uit 1920.

In het begin van de jaren vijftig werden de eerste automatisch bediende werktuigmachines ontwikkeld. De gegevens voor de bewerking werden op een ponskaart gezet, waardoor de machine onafhankelijk van de mens kon werken. Deze "numeriek gecontroleerde" ("numerically controlled" of NC) werktuigmachines kwamen op de markt in 1960. Rond 1980 werden ponskaarten vervangen door elektronische computers, wat leidde tot de ontwikkeling van CNC werktuigmachines ("computer numerically controlled").

Er wordt een digitaal ontwerp gemaakt op de computer met behulp van CAD-software ("Computer-Aided Design"), waarna de gegevens in een CAM-bestand worden omgezet ("Computer-Aided Manufacturing"). Die software bedient dan de werktuigmachine, zodat het digitale ontwerp automatisch in een fysieke vorm wordt omgezet.

Toenemende automatisering

De meeste werktuigmachines die na 1985 op de markt kwamen, zijn CNC machines. Maar gezien de lange levensduur van werktuigmachines is de overgang naar digitale fabricage nog steeds aan de gang. Zo waren in 1995 slechts 350.000 van de 3,5 miljoen werktuigmachines in Europa computergestuurd, terwijl hun aantal in 2009 was opgelopen tot 750.000. In diezelfde periode werden individuele CNC machines ook veel duurder, wat er op duidt dat de machines steeds complexer werden. [1]

Een computergestuurde freesmachine. Foto: King Joy H.K.

Het niveau van automatisering kan grondig verschillen per CNC machine. In een freesmachine, bijvoorbeeld, kan niet alleen de positionering en sturing van het gereedschap worden geautomatiseerd, maar bijvoorbeeld ook allerlei hulpfuncties zoals machinesmering, het wisselen van gereedschap, het verwijderen van metaalsplinters, of het laden en weghalen van de werkstukken. Er is een trend naar toenemende automatisering van hulpfuncties. [2]

Automatisering maakt het ook mogelijk om complexere werktuigmachines te ontwerpen. Zo bestaan er intussen freesmachines met vier, vijf of meer assen die niet alleen horizontaal of verticaal materiaal kunnen wegsnijden, maar ook diagonaal.

Energie en automatisering

Het spreekt voor zich dat de overgang van door mensen of door hernieuwbare energiebronnen aangedreven werktuigmachines naar met fossiele brandstoffen aangedreven werktuigmachines de productie van gebruiksgoederen minder duurzaam heeft gemaakt. Verrassend is evenwel dat de overgang van manueel bediende naar computergestuurde werktuigmachines veel grotere gevolgen heeft voor het energieverbruik.

Een vergelijking van het maximale vermogen van drie CNC freesmachines (gebouwd in 1988, 1998 en 200) en één manueel bediende freesmachine (uit 1985) laat zien dat de digitale machines 2,5 tot 67 keer zoveel vermogen vereisen dan de manuele freesmachine. Het vermogen van de manuele machine bedroeg 2,8 kW, terwijl de digitale machines 7 kW, 9,4 kW en 188 kW nodig hadden (voor respectievelijk de machines uit 1998, 1988 en 2000). [2][3]

CNC freesmachine. Breton.

De auteurs van deze studie, Jeffrey Dahmus en Timothy Gutowski, laten zien dat het grote verschil in vermogen grotendeels te wijten is aan verschillende niveau's van automatisering. In het geval van de werktuigmachine uit 2000, die in een autofabriek staat, zijn alle mogelijke hulpfuncties geautomatiseerd, terwijl in het geval van de twee andere digitale machines alleen de basisfuncties zijn geautomatiseerd.

Hoe meer hulpfuncties automatisch verlopen, hoe meer vermogen een werktuigmachine nodig heeft als ze stationair draait. In het geval van de meest geautomatiseerde machine uit 2000 wordt slechts 15% van het totale vermogen gebruikt voor het fresen van metaal. De overige 85% van het vermogen is constant, ongeacht er een werkstuk wordt gefreesd of niet. [2]

Voor de andere machines is dit aandeel lager, maar nog steeds aanzienlijk. In absolute cijfers bedraagt het vermogen tijdens stationair draaien 166 kW voor de meest geautomatiseerde machine, 1,3 kW tot 3,4 kW voor de minder geautomatiseerde CNC machines, en 0,7 kW voor de manuele machine. [2]

Productiesnelheid

Het vermogen is niet gelijk aan het energieverbruik. In vergelijking met de manuele machine ligt de productiesnelheid van de CNC machines drie tot dertien keer hoger. Dat betekent dat het energieverbruik per geproduceerd onderdeel uiteindelijk minder energie kan kosten dan in het geval van een manuele freesmachine. Hoewel een hogere productiesnelheid meer energie vraagt, kan langs de andere kant het hogere stationaire energieverbruik over meerdere producten worden verdeeld.

Berekenen we het energieverbruik per eenheid materiaal die wordt verwijderd, dan zijn de twee minst geautomatiseerde freesmachines ongeveer even efficiënt als de manuele freesmachine. Als we uitgaan van 1,000 werkuren (waarvan 30% positioneren, 70% fresen, en 0% stationair draaien), dan heeft de manuele machine 6,2 kJ energie nodig om één kubieke centimeter staal te verwijderen, terwijl de CNC machines 4,8 tot 7,1 kJ energie nodig hebben.

Bij de meest geautomatiseerde CNC machine gaat dat evenwel niet op: ze vereist 39 kJ energie per kubieke centimeter, en is dus tenminste vijf keer minder efficient dan de andere machines.

Een freesmachine met een vermogen van 80 kW. SHW Werkzeugmaschinen.

Maar ook de minder geautomatiseerde CNC machines verbruiken in feite meer energie dan de cijfers hierboven aangeven. Ten eerste is een stationaire draaitijd van 0% niet realistisch. In werkelijkheid worden digitale machines bijna nooit uitgezet tussen twee jobs en blijven ze vaak ook 's nachts stationair draaien, zo stelt het Fraunhofer Instituut in een studie uit 2012. [4] In dat geval is het energieverbruik per kubieke centimeter verwijderd materiaal veel hoger dan in het geval van de manuele machine.

Een fundamenteler probleem is evenwel dat een hogere productiesnelheid ook een hogere materiaalproductie vereist. Een werktuigmachine die tien keer sneller werkt, heeft ook tien keer zoveel grondstoffen nodig. Dat is zeer nadelig voor het energieverbruik, omdat materiaalproductie een dominante factor is in het energieverbruik van de industriële sector. Zo vraagt de productie van een 1 kilogram wegend metalen onderdeel ongeveer 3 MJ voor het frezen en 27 MJ voor de productie van het metaal. [5]

Als het energieverbruik van de materiaalproductie mee in rekening wordt gebracht, is het totale energieverbruik van een sneller werkende digitale machine dus vele malen groter dan het energieverbruik van een trager werkende manuele machine. Dat zou geen probleem zijn als één CNC machine een handvol manuele machines zou vervangen, maar dat is niet het geval.

Digitale werktuigmachines worden juist ingezet omdat ze een hoger aantal componenten kunnen produceren in een kortere tijd en aan lagere kosten. [2] Ze zorgen er dus voor dat we steeds meer producten gaan fabriceren. En dus ook steeds meer afval.

Non-conventionele werktuigmachines

De opkomst van CNC werktuigmachines is niet de enige energie-instensieve trend in productietechnologie. Minstens even belangrijk is het succes van de zogenaamde "non-conventionele" werktuigmachines. Conventionele bewerkingsprocessen (zoals frezen, snijden of boren) verwijderen allemaal materiaal door het uitoefenen van krachten met een snijgereedschap dat harder is dan het te bewerken materiaal. Het zijn allemaal verspanende bewerkingen waarbij de massa van het materiaal afneemt en er splinters ("spanen") ontstaan.

Een waterstraalsnijder. Maximator Jet.

De meeste non-conventionele werktuigmachines zijn daarentegen gebaseerd op thermische processen: vonkverspanen (een alternatief voor frezen), lasersnijden, plasmasnijden of vonkerosie (allemaal alternatieven voor snijden). Andere non-conventionele werktuigmachines zijn gebaseerd op mechanische processen die niet gebaseerd zijn op verspanende bewerkingen, zoals ultrasone bewerkingsprocessen (een alternatief voor frezen) en waterstraalsnijden (een alternatief voor snijden).

Bijvoorbeeld waterstraalsnijden werkt op basis van mechanische energie, maar het materiaal wordt verwijderd door erosie en niet door verspanen. Nog andere non-conventionele processen zijn gebaseerd op chemische of elektrochemische processen.

Non-conventionele werktuigmachines werden oorspronkelijk ontwikkeld voor het bewerken van materialen die moeilijk of onmogelijk vorm te geven zijn met traditionele werktuigmachines. Dat gaat dan zowel om sterker materialen met een hoge weerstand, of juist heel delicate materialen. In het eerste geval schieten conventionele werktuigmachines tekort omdat het erg traag gaat en voor een onaanvaardbaar hoge slijtage van het snijgereedschap zorgt. In het tweede geval omdat het werkstuk makkelijk beschadigd kan worden.

Lasersnijders

Sommige non-conventionele werktuigmachines werden echter al gauw ingezet voor het bewerken van gangbare materialen, omdat ze bijkomende voordelen bieden tegenover traditionele werktuigmachines. [6] Het beste voorbeeld is de lasersnijder, die gebruik maakt van een geconcentreerde energiebundel. In tegenstelling tot freesmachines, die een driedimensioneel proces uitvoeren, werken lasersnijders slechts in twee dimensies.

Ze zijn erg populair geworden voor het snijden van gangbaar plaatmetaal, ten koste van meer traditionele werktuigmachines zoals ponsmachines, stansmachines of guillotinescharen. [5] Metaalsnijmachines zijn na freesmachines de belangrijkste werktuigmachines in de verwerkende nijverheid.

Een lasersnijder. Bystronic.

In vergelijking met conventionele werktuigmachines bieden lasersnijders een hogere graad van precisie en afwerkingskwaliteit. Ze kunnen complexere profielen en fijnere details creëren. Snijden en boren kan gebeuren zonder kracht uit te oeferen op het werkstuk, zodat er geen krassen of andere schade ontstaat. De door hitte beïnvloede zone is erg klein, zodat de kans op kromtrekken van het materiaal beperkt is (een probleem bij werktuigmachines op basis van thermische energie).

Helaas hebben lasersnijders een groot nadeel: ze hebben heel veel energie nodig. Ten eerste zijn het computergestuurde werktuigmachines, zodat ze dus een groot deel van hun vermogen spenderen aan hulpfuncties en achtergrondprocessen. Ten tweede maken ze ook nog eens gebruik van een veel energie-instensiever "snijgereedschap" dan de machines die ze vervangen. Een lasersnijder werkt door het smelten of verdampen van metaal, wat veel meer energie kost dan ponsen of snijden.

Dat betekent dat lasersnijders een nog veel hoger vermogen hebben dan "gewone" CNC machines. Onderzoek heeft aangetoond dat een CO2-lasersnijder met een laserstraal van 4 kW op volle sterkte een vermogen nodig heeft van 55 kW voor het snijden van plaatstaal. [7] Ter vergelijking: een moderne, computergestuurde guillotineschaar met een gelijkaardig snijvermogen vereist een vermogen van minder dan 16 kW. [8]

Een CNC guillotinesnijder. Dener.

Niemand heeft de moeite genomen om het energieverbruik van een manueel bediende (door een elektrische motor aangedreven) guillotineschaar te meten, maar als we kijken naar het maximale vermogen van gelijkaardige machines, dan moet dat minder dan 5 kW zijn. [9] Nog efficiënter is een met de hand aangedreven guillotineschaar, die helemaal geen externe energie nodig heeft. Net als bij 3D freesmachines zien we dus bij 2D metaalsnijden een evolutie naar steeds energie-instensieve productietechnieken. Bovendien neemt het energieverbruik steeds sneller toe.  

Ponsmachines

Als lasersnijders gebruikt worden voor het snijden van plaatmetaal, is dat meestal niet voor het maken van rechte sneden, maar voor het produceren van complexe vormen. Dat maakt ze eerder een alternatief voor ponsmachines dan voor guillotinescharen. Net als een lasersnijder kan een ponsmachine vrije vormen creëren in een tweedimensionele metalen plaat, een proces dat "knabbelen" wordt genoemd.

Knabbelen met een ponsmachine vereist veel minder energie dan lasersnijden. Voor zover ik kon achterhalen, is het energieverbruik van ponsmachines niet onderzocht, maar het maximale vermogen dat wordt opgegeven door de producenten van de machines ligt tussen de 6 en 11 kW. [10] Een computergestuurde ponsmachine heeft dus tenminste vijf tot tien keer minder vermogen nodig dan een lasersnijder.

Een CNC ponsmachine "knabbelt" plaatmetaal. Euromac.

Ik vond ook cijfers voor de vermogens van manueel bediende knabbelmachines in een productcatalogus uit de jaren 1980, en die bedragen tussen 1,5 kW (met digitale uitlezing voor nauwkeurige positionering) en 2,2 kW (zonder digitale uitlezing). [11] Als we dus een gelijkaardig onderdeel zouden produceren op elk van deze machines, dan is het gebruik van een manueel bediende machine 25 to 35 keer efficiënter dan het gebruik van een lasersnijder.

Flexibiliteit

Een hoog vermogen kan resulteren in een lager energieverbruik per geproduceerd onderdeel als de productiesnelheid hoog genoeg ligt, maar er lijkt geen enkele studie te zijn die het energieverbruik van lasersnijders en CNC ponsmachines vergelijkt. Het achterhalen van de productiesnelheid van beide machines is geen makkelijke opgave, omdat de productiesnelheid afhangt van veel factoren: de materiaaleigenschappen, de materiaaldikte, de complexiteit van het ontwerp, het gebruikte positioneringssysteem, enzovoort.

Hoe dan ook, op basis van beschikbare gegevens lijkt het onwaarschijnlijk dat lasersnijders voor de meest gangbare bewerkingen snel genoeg zijn om hun hogere vermogen te compenseren. CNC guillotinescharen zijn sneller dan lasersnijders voor het snijden van rechte sneden, en CNC ponsmachines zijn sneller dan lasersnijders voor de meest gangbare "knabbel"-bewerkingen. Het unieke voordeel van de lasersnijder is niet zozeer de productiesnelheid maar de accuraatheid, productkwaliteit, en de flexibiliteit.

Een gecombineerde ponsmachine en lasersnijder. Danobat Group.

Een cruciaal voordeel is dat een lasersnijder slechts één "snijgereedschap" nodig heeft, ongeacht hoe complex het ontwerp ook is. Op een CNC ponsmachine moet je voor elke job een selectie van gereedschappen maken, en moet je mogelijk ook de selectie ervan aanpassen in de loop van het productieproces. Dat betekent dat hoe gecompliceerder het ontwerp is, hoe sneller en voordeliger een lasersnijder wordt tegenover een conventionele, computergestuurde werktuigmachine. Dat is nog meer het geval als er slechts kleine hoeveelheden van een onderdeel worden geproduceerd.

Lasersnijders zijn dus vooral geschikt voor complexe kwaliteitsonderdelen in kleine productieseries, een marktsegment dat in volle groei is -- precies omwille van de opkomst van lasersnijders en andere digitale werktuigmachines. Het introduceren van kleine wijzigingen maakt het mogelijk om individuele massaproducten unieke kenmerken mee te geven, zonder een belangrijke meerkost te introduceren.

Net zoals CNC machines het totale energieverbruik doen stijgen door hun hogere productiesnelheid, doen lasersnijders dat door producten complexer, nauwkeuriger, kwaliteitsvoller en flexibeler te maken. De vraag is natuurlijk of dat wel nodig is.

De Nd-YAG-laser is een stuk efficiënter dan de CO2-lasersnijder, maar neemt voorlopig slechts een klein marktaandeel in voor het snijden van metaal. Een Nd-YAG-laser met een laserstraal van 2 kW heeft een vermogen van 17.6 kW, ongeveer de helft van een CO2-laser met een laserstraal van 2.5 kW. [7] Dit komt dicht bij het vermogen van een CNC guillotineschaar (16 kW), maar het is nog altijd het dubbele van dat van een CNC ponsmachine en het tienvoudige van een met de hand bediende ponsmachine.

Bovendien kan de Nd-YAG-laser de CO2-lasersnijder niet voor alle toepassingen vervangen. Beide methodes zijn complementair. Voor plaatmetaal dikker dan 4 tot 6 mm zijn CO2-lasers nog steeds de beste keuze op het vlak van energie-efficiëntie, productiesnelheid en snijkwaliteit. Nd-YAG-lasers kunnen geen hout of acrylaten snijden, maar wel messing en koper. Voor CO2-laser is dat andersom.

Onze productietechnologie wordt steeds energie-intensiever

Door te kijken naar de twee belangrijkste bewerkingsprocessen in de industrie -- het frezen en snijden van metaal -- wordt het duidelijk dat onze productieprocessen steeds energie-intensiever worden. Dat is opvallend, omdat er vele redenen zijn om aan te nemen dat we eerder in de omgekeerde richting zouden moeten evolueren.

Onze afhankelijkheid van niet-hernieuwbare energiebronnen heeft ons voor moeilijker uitdagingen gesteld, zoals klimaatverandering, piekolie, het veilig bewaren van kernafval, en geopolitieke conflicten. Als we willen omschakelen naar een verwerkende industrie gebaseerd op hernieuwbare energie, dan zou het verstandig zijn om te evolueren naar minder energie-intensieve productieprocessen.

Een manueel bediende ponsmachine. Uit een catalogus van Trumpf, jaren 1980.

Geautomatiseerde werktuigmachines kunnen nooit zo efficient zijn als hun door mensen bediende tegenhangers. Het vervangen van menselijke operateurs kost nu eenmaal energie. Een volledige geautomatiseerde machine zal altijd meer energie vragen dan een semi-geautomatiseerde machine. Het kiezen van minder geautomatiseerde werktuigmachines moet dus op zijn minst een deel van de oplossing zijn -- geheel tegen de huidige trend in dus.

Energieverbruik is overigens niet de enige zorg. CO2PE, een initiatief dat zich richt op het coördineren van de internationale inspanningen omtrent het documenteren, analyseren en verbeteren van de ecologische voetafdruk van productieprocessen, merkt op dat: 

"The intensifying use of non-conventional processing techniques, such as electro-chemical and laser based processes, results in the generation of emissions that have hardly been investigated from an environmental perspective. These undocumented and hard to control material flows are likely to imply significant potential human health hazards." [13]

Snelheidsbeperkingen

CO2PE en gelijkaardige onderzoeksinitiatieven hebben nochtans niet de bedoeling om minder geautomatiseerde werktuigmachines te promoten. Ze ijveren er enkel voor om automatische werktuigmachines efficiënter (en veiliger) te maken. Die strategie zal niet verhinderen dat het energieverbruik van de productiesector steeds verder zal toenemen.

Hoewel er inderdaad efficiëntieverbeteringen zullen komen, waarschuwen Dahmus en Gutowski dat "efficiëntieverbeteringen van geautomatiseerde hulpfuncties in werkelijkheid zullen leiden tot een toenemend succes van geautomatiseerde hulpfuncties." [2]

Manueel bediende verticale freesmachine. Ze heeft een controlepaneel en een digitale uitlezing voor nauwkeurige positionering, maar de operateur stuurt alle bewegingen. Bron: lathes.co.uk

Productietechnologie is een schoolvoorbeeld van de paradox van energie-efficiëntie. Hoe efficiënter digitale machines worden, hoe meer ze de vorige generaties van werktuigmachines zullen vervangen en hoe meer nieuwe toepassingen ze zullen doen ontstaan, en dus hoe groter hun invloed zal worden op het totale energieverbruik. Op dezelfde manier maken verbeteringen in energie-efficiëntie de weg vrij voor steeds grotere, sneller en complexere machines.

Dezelde evolutie zien we ook bij auto's, maar er is een belangrijk verschil. Hoewel auto's steeds groter, zwaarder, sneller en complexer worden, en daardoor de vooruitgang in energie-efficiënte motoren en materialen in rook opgaat, zijn ze wel aan enkele beperkingen onderhevig, zoals de breedte van de wegen en de maximumsnelheden.

Voor werktuigmachines geldt dat helemaal niet. Niets belet dat ze oneindig sneller worden -- er zijn al snijsnelheden in het vooruitzicht gesteld die de geluidsbarrière doorbreken. [14] Misschien hebben we dus gewoon een maximumsnelheid voor werktuigmachines nodig.

Kris De Decker

Meer lezen:

• Televisie verovert het landschap: de opmars van het digitale billboard
• Hoeveel energie kost digitale technologie? De productie van microchips

Noten:

[1] TASK 2 Report - Economic and Market Analysis, Energy-Using Product Group Analysis - Lot 5 Machine tools and related machinery, Fraunhofer Institute for Reliability and MicroIntegration, IZM Department Environmental and Reliability Engineering, augustus 2012.

[2] An Environmental Analysis of Machining (PDF), Jeffrey B. Dahmus en Timothy G. Gutowski, Proceedings of 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress, 2004

[3] A Power Assessment of Machining Tools (PDF), David N Kordonowy, mei 2002

[4] "There are various reasons why machine tools are frequently not shut off at the end of a shift: One reason is to ensure thermal steady-state conditions with a specific thermal strain, which is very important for high accuracy of metal working machine tools, complex products and work pieces. Overnight shut off or other periods of non-operation of machine tools could result in processing temperatures to fall below desirable levels, and thus having an adverse impact on the process and manufacturing precision." Bron:TASK 3 Report - User Requirements, Energy-Using Product Group Analysis - Lot 5 Machine tools and related machinery, Fraunhofer Institute for Reliability and MicroIntegration, IZM Department Environmental and Reliability Engineering, augustus 2012.

[5] Energy and Eco-Efficiency of Machine Tools, Processes and Handling Equipment (PDF), FP7 Project, ENEPLAN Consortium, mei 2012

[6] Fundamentals of metal machining and machine tools, second edition, Geoffrey Boothroyd, 1989.

[7] Energy and Resource Efficient Manufacturing -- Unit process analysis and optimisation (PDF), Karel Kellens, december 2013

[8] Karel Kellens, CO2PE, persoonlijke communicatie

[9] TASK 4 Report - Assessment of Base Case, Energy-Using Product Group Analysis - Lot 5 Machine tools and related machinery", Fraunhofer Institute for Reliability and MicroIntegration, IZM Department Environmental and Reliability Engineering, augustus 2012.

[10] http://www.directindustry.com/

[11] TRUMPF catalogue

[12] TASK 6 Report - Improvement Potential, Energy-Using Product Group Analysis - Lot 5 Machine tools and related machinery, Fraunhofer Institute for Reliability and MicroIntegration, IZM Department Environmental and Reliability Engineering, augustus 2012.

[13] http://www.co2pe.org/

[14] Advanced Machining Processes of Metallic Materials, Wit Grzesik, 2008

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Comments

[Geplaatst door: Cor]

(1)

je kan toch serieus de resultaten van een ponsmachine (een veredelde perforator) niet vergelijken met een lasersnijder?

[Geplaatst door: Kris De Decker]

(2)

Toch wel, Cor. Het zijn verschillende generaties van snijwerktuigen. CO2PE, het onderzoekscentrum dat zich buigt over het energieverbruik van werktuigmachines, schrijft:

"A trend can be observed towards more energy instensive processes (e.g. the evolution in sheet metal cutting from energy efficient guillotine cutting, over punching, nibbling, oxyfuel and plasma cutting, up to laser cutting as dominant solution today). The energy consumption impact of the manufacturing sector is in consequence growing steadily."

En Joost Duflou van CO2PE schreef me via email dat:

"Het knabbelen (nibbling in het E) met behulp van een stansmachine (punch press in het E) is tot op zekere hoogte in staat om vrije vormen in 2D goed te benaderen, evenwel met steeds een zekere ruwheid in de afwerking en een vrij intensieve en dus tijdrovende bewerking als resultaat. Tevens dienen minimale afmetingen gerespecteerd wat fijne details quasi onmogelijk maakt zonder inzet van speciale gereedschappen."

Voor de komst van de lasersnijder moesten soortgelijke jobs dus worden uitgevoerd met een stans- of ponsmachine. Ze doet hetzelfde maar dan met een lagere resolutie. Zie bv. deze foto van een werkstuk bewerkt door een stansmachine: http://nl.wikipedia.org/wiki/Ponsen

[Geplaatst door: Mathias]

(3)

Ik heb zelf een vijftal jaar gewerkt als service-technieker aan Trumpf plaatbewerkingsmachines.

In mijn ervaring hebben constructiefirma's meestal een aantal machines staan; een laser, ponsmachine, plaatschaar,... en zullen ze afhankelijk van wat ze moeten maken de meest efficiënte machine/productiemethode selecteren. Er wordt daarbij ook wel rekening gehouden met de energiekost maar dat is niet prioriteit nr 1, dat is juist. De grootste kost zijn momenteel de lonen van de operatoren en er is dus een zeer sterke trend richting volledige automatisering zodat er onbemand kan geproduceerd worden 's nachts en in het weekend voor de 'eenvoudige' productie en overdag onder supervisie van een operator voor de complexe: duur materiaal, prototypes,...

Het is ook wel zo dat er getracht wordt om in zo weinig mogelijk productiestappen een onderdeel te maken. Door creatief te ontwerpen kan dit. Waar men vroeger bijvoorbeeld een ophangbeugel maakte met een plaatschaar, boormachine en laspost. Dan kan dit tegenwoordig met een lasersnijmachine en plooibank in principe zonder dat een operator het werkstuk aanraakt. Doordat men niet meer hoeft te lassen kan de plaatdikte ook dunner gekozen worden en dat levert dan ook weer een energiebesparing op.

Dat cnc-machines energie zuipen valt niet te ontkennen maar persoonlijk denk ik dat de nodige energie per geproduceerd onderdeel in veel gevallen lager ligt dan vroeger als men het complete plaatje bekijkt (van grondstof tot afgewerkt onderdeel).

[Geplaatst door: roland]

(4)

@: "Dezelfde evolutie zien we bij auto's, maar er is een belangrijk verschil. Hoewel auto's steeds groter, zwaarder, sneller en complexer worden, en daardoor de vooruitgang in energie-efficiënte motoren en materialen in rook opgaat"
Deze eerdere tendens wordt doorbroken door EU regelgeving voor CO2 uitstoot zoals voor 2020 met een gemiddelde uitstoot van 95 g CO2 / km, een aanzienlijke vermindering.

@: "Productietechnologie is een schoolvoorbeeld van de paradox van energie-efficiëntie"
Een bevestiging van Jevons paradox van 18..

@: "Geautomatiseerde werktuigmachines kunnen nooit zo efficient zijn als hun door mensen bediende tegenhangers"
Mensen maken fouten dat leidt tot productie stilstand en uitval, dus ook efficientieverlies. Geautomatiseerde werktuigmachines maken een (sterke) productieomvang mogelijk met de bijbehorende milieulast, versterkt door een steeds kortere product levensduur.

@: ".. duidelijk dat onze productieprocessen steeds energie-intensiever worden. Dat is opvallend"
Heel begrijpelijk met de naar verhouding geringe energiekosten. Zolang die kosten niet fors toenemen - voor veel bedrijven heel fors - en regelgeving uitblijft, verandert dat niet, ook niet met maatschappelijk verantwoord ondernemen e.d.

[Geplaatst door: Thijs Bollen]

(5)

Kris, wat ik mis in dit verhaal is de 3D-printer. Toevallig of niet, schreef ik net vandaag in een mail voor mijn vakbondswerk hierover: "Tegelijk zal een techniek als 3D-printen mogelijk bedrijfseconomische principes kunnen veranderen. Nu is het zo dat de drang tot kostenverlaging vrijwel altijd leidt tot het streven van meer productie per tijdseenheid. Daardoor krijg je niet alleen letterlijk gigantische, volcontinu draaiende en alleen door multinationals betaalbare productie-installaties, maar ook een in zekere zin aanbodgedreven economie, met de bekende overproductiecrises als gevolg. Een mens is echter niet volcontinu een consument van tastbare producten. Als hij iets nodig heeft en hij kan het op dat moment, in plaats van het van een bestaande voorraad af te nemen, zelf laten maken door de door de buurt gezamenlijk ingekochte 3D-printer, dan is hij, nu zelf de producent van de door hem benodigde producten, niet meer gebaat bij sneller of meer. En een 3D-printer die sneller is en/of minder energie verbruikt, kan zichzelf ook nog eens reproduceren, zodat er uiteindelijk helemaal geen concurrentie meer is wat betreft het maken van tastbare gebruiksproducten. Als de mens in zijn eentje alles kan produceren wat hij nodig heeft (want het daadwerkelijk maken van het product is dan slechts het laatste, geen enkele uitdaging meer biedende stapje van de door de totale mensheid gedurende de hele menselijke geschiedenis aangewende inventiviteit), heeft hij geen arbeiders in traditionele zin meer nodig."

[Geplaatst door: Kris De Decker]

(6)

Thijs,

De 3D-printer is voor een volgend verhaal. De 3D-printer speelt geen rol van betekenis in de industrie. Zelfs in "fab labs" zijn CNC lasersnijders en CNC freesmachines belangrijker machines dan 3D-printers. De technologie is interessant, omdat ze het materiaalgebruik zou kunnen verlagen. Maar wees zeker dat er ook beperkingen zijn.

[Geplaatst door: Sietz Leeflang]

(7)

De keuze en aanpak van dit nieuwe onderwerp - de opmars van digitale werktuigmachines en de enorme dilemma's waarvoor ze ondernemers (vooral ook startende!) plaatst zoals mij bij recente contacten met metaalverwerkende bedrijven is gebleken- toont aan dat Lowtech Magazine, zijn naam ten spijt, ook de nieuwste hightechontwikkelingen niet meer uit de weg gaat. Dat geldt ook voor de wijze waarop deze in een LTM passende en herkenbare context worden geplaatst. Daarmee wordt de maatschappelijke functie van dit magazine, dat steeds adequaat en to-the-point weet te verwijzen naar actuele en onverdachte internationale wetenschappelijke bronnen, steeds belangrijker. Als trouw lezer kan ik slechts de hoop uitspreken, dat LTM ook voor leraren, docenten en beleidsmakers een richtinggevende bron mag worden.

[Geplaatst door: Koen Vandewalle]

(8)

Een probleemloze en overvloedige stroomvoorziening wordt zo nog meer cruciaal.

[Geplaatst door: ralph]

(9)

Mooi artikel alleen de systeem grenzen zijn wel belangrijk in dit artikel. Staar je niet blind op electrisch vermogen.menselijke input verbruikt ook indirect energie.neem een mensen leven aan energie verbruik en verdeel het over een x aantal producten en diensten. Dit dient denk ik ook meegenomen te worden in de discussie.

[Geplaatst door: Mathias]

(10)

Niet helemaal objectief maar voor bepaalde toepassingen klopt het wel volgens mij:

http://www.laser-community.com/technology/laser-cutting-stainless-steel-compared-to-milling_4717/