Mapping and evaluation of energy consumption during the useable phase of a machine tool aiming at sustainability

Como seguir com o crescimento da indústria, da economia e do consumo de energia de forma sustentável? No setor manufatureiro as máquinas-ferramentas são peças-chave nos processos de fabricação. Como saber se uma bomba, um motor ou outro elemento acessório é adequado para uma máquina-ferramenta específica? Normalmente, fabricantes se baseiam em sugestões dos fornecedores para selecionar tais elementos, o que resulta em um projeto ajustado pela experiência e por estimativas subjetivas, às vezes superestimando as dimensões do projeto por segurança. O objetivo deste trabalho é monitorar o consumo da energia elétrica durante a fase de uso da máquina-ferramenta, com o fim de explicar a demanda de energia em cada uma de suas tarefas, sugerindo diretrizes para o aperfeiçoamento do projeto desta nos seus componentes críticos. Esta dissertação apresenta uma cuidadosa revisão de livros e pesquisas anteriores, os quais direcionaram a etapa experimental. Assim, elegeu-se trabalhar em um centro de usinagem, o qual foi monitorado por um analisador de qualidade de energia. A metodologia experimental iniciou-se com a avaliação da eficiência energética da máquina-ferramenta em termos de fator de potência, a fim de trabalhar dentro dos parâmetros da legislação brasileira, e finalizou-se com o monitoramento do consumo de energia elétrica. Tal monitoramento foi feito em três cenários de usinagem: em vazio, a seco e com fluido, utilizando um mesmo plano de trabalho em todas as situações. Conclui-se que prognósticos de consumo de energia são possíveis se tempos e constantes do modelo apresentado são conhecidos para uma máquina-ferramenta específica, parâmetros que são influenciados pela experiência do operador. A medição do consumo de energia da máquina em vazio e com remoção permitiram conhecer o consumo de energia pela usinagem propriamente dita. Observou-se também que apenas a máquina-ferramenta consome 59% da energia total quando está usinando; as mudanças de velocidade não afetam o consumo de energia diferentemente da taxa de remoção de material; elementos auxiliares à usinagem não deterioram a eficiência energética da máquina, embora possam representar uma boa taxa percentual de gasto no consumo total; e a troca de ferramentas é mais eficiente na usinagem do que em vazio.How to follow the growth of industry, economy and energy consumption in a sustainable way? In the manufacturing sector, the machine tools are key-parts in the processes. How can we know if a pump, an electric motor or another accessory element is adequate to a specific machine tool? Usually, the manufacturer relies on suggestions from suppliers to select those elements, resulting in a project adjusted by experience and subjective estimations, sometimes overestimating for security. The objective of the present work is to monitor the consumption of electric power during the useable phase, in order to map the energy demand in each of its tasks, thus suggesting guidelines for the improvement of the project to its critical components. This dissertation presents a thorough review of books and previous research, which has guided the experimental phase. Accordingly, it was chosen to work in a machining center, which was monitored by a power quality analyzer. The experimental methodology began with the evaluation of the energetic efficiency of the machine tool in terms of power factor, in order to work within the parameters of the Brazilian legislation, and ended up with electric energy consumption monitoring. Such monitoring was made in three machining scenarios: cutting air, cutting dry and with coolant, sing the same CNC workplan in all situations. The conclusions include that forecasting of energy consumption is possible if time and constants of the proposed model are known for a specific machine tool, parameters which are influenced by the experience gathered by the operator. The measurement of energy consumption during air cutting and removing material allowed to know the energy consumption of the machining operation itself. It was also observed that: the machine alone consumes 59% of the total energy when in operation; the energy consumption is not affected by speed changes, but by the material removal rate; auxiliary elements to the machining do not negatively affects the energy efficiency of the machine, although may represent considerable expenditure in total consumption; and, the exchange of tools is more efficient when removing material, than when air machining