Drive-Module for energy recovery at hydraulic linear actuators

Zum Antreiben der einzelnen Achsen einer Spritzgießmaschine haben sich sowohl hydraulische als auch elektrisch-mechanische Konzepte sowie Hybridvarianten dieser beiden Technologien fest am Markt etabliert. Dabei gelten die elektrisch-mechanisch angetriebenen Spritzgießmaschinen als besonders energieeffizient. Hydraulisch angetriebene Spritzgießmaschinen zeichnen sich insbesondere durch niedrige Investitionskosten und eine hohe Leistungsdichte bzw. eine hohe Kraftdichte aus. So werden elektrisch-mechanisch angetriebene Spritzgießmaschinen von den meisten Herstellern bis zu einer maximalen Schließkraft von 10.000 kN angeboten. An hydraulisch angetriebenen Schließeinheiten werden Schließkräfte bis zu 55.000 kN erreicht. Ziel dieser Arbeit ist es grundlegende Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz an Schließeinheiten zu erarbeiten und zu untersuchen, wobei insbesondere Schließeinheiten mit maximalen Schließkräften größer 10.000 kN fokussiert werden sollen, bei denen elektrisch-mechanische Antriebskonzepte aufgrund der geringeren Kraftdichte nur bedingt geeignet sind. Im Fokus steht dabei die Entwicklung eines Konzeptes, mit dessen Hilfe auch bei hydraulischer Antriebstechnik Energie beim Abbremsen der Schließeinheit bzw. beim Abbau der Schließkraft zurückgewonnen werden kann. Im Rahmen der Vorarbeiten wurde zunächst an unterschiedlichen Spritzgießmaschinen untersucht, wo genau die Ursachen für energetische Verluste zu finden sind. Dabei wurden zwei hydraulisch angetriebene Spritzgießmaschinen und eine elektrisch-mechanisch angetriebene Spritzgießmaschine betrachtet. Insbesondere bei den hydraulisch angetriebenen Spritzgießmaschinen war es möglich, durch das Messen der hydraulischen Drücke und Volumenströme an unterschiedlichen Stellen innerhalb der Maschine, den Energiefluss in der Maschine darzustellen und Ursachen für energetische Verluste zu lokalisieren. Im nächsten Schritt wurden Maßnahmen erarbeitet und in einem Konzept umgesetzt, welches bereits einige der dargestellten Ursachen für energetische Verluste behebt bzw. deren Auswirkung auf ein Minimum reduziert. Bei dem Konzept handelt es sich um einen dezentralen Antrieb für eine einzelne Funktion (exemplarisch für den Anwendungsfall Schließkraftaufbau entwickelt). Dieser kann wie es bei elektrisch-mechanisch angetriebenen Spritzgießmaschinen Stand der Technik ist exakt für diese Funktion angepasst werden. Durch den Einsatz eines für eine Einzelfunktion adaptierten Hydrospeichers ist es möglich den Komponentenwirkungsgrad der Antriebseinheit zu steigern, die installierte Antriebsleistung zu verringern und elektrische Lastspitzen im Stromversorgungsnetz zu vermeiden. Zur Erprobung dieses Konzeptes wurde ein Demonstrator im Labormaßstab für eine Schließkraft von 600 kN konstruiert und aufgebaut. Bei diesem Demonstrator bringt ein Differenzialzylinder eine Kraft auf ein mechanisches Ersatzsystem auf, welches das elastische Deformationsverhalten der Schließeinheit und des Spritzgießwerkzeugs abbildet. Die Steifigkeit des Systems ist variabel, so dass unterschiedliche Spritzgießwerkzeuge bzw. Schließeinheiten experimentell abgebildet werden können. Für eine Versuchsreihe wurde die Steifigkeit so angepasst, dass am Demonstrator die gleiche mechanische Arbeit verrichtet wird wie bei einer exemplarisch gewählten Referenzmaschine mit einem entsprechenden Referenzwerkzeug. Dabei wurde der Energieverbrauch der Antriebseinheit der Referenzmaschine für den Schließkraftaufbau ermittelt und mit dem Energieverbrauch des Demonstrators verglichen. Basierend auf den Ergebnissen wurden Maßnahmen zur Optimierung erarbeitet und modellbasiert untersucht. Im nächsten Schritt wurden Konzepte erarbeitet, in Simulationsmodellen abgebildet und untersucht, um zum einen die kinetische Energie der bewegten Masse beim Abbremsen der Schließeinheit und zum anderen die in der elastischen Deformation der Schließeinheit und des Spritzgießwerkzeugs enthaltene Federenergie zu rekuperieren. Dazu wurden zunächst die Kraftachse und die Bewegungsachse getrennt voneinander betrachtet. Für die beiden Funktionen wurden die erarbeiteten Konzepte auf Basis der Simulationsergebnisse bewertet und jeweils das Konzept welches das größte Potenzial vermuten lässt für eine weitere Betrachtung ausgewählt. Anschließend konnte basierend auf den beiden Konzepten für die einzelnen Funktionen ein Konzept erarbeitet werden, das sowohl die Werkzeugbewegung als auch den Schließkraftaufbau abdeckt. Der Fokus lag dabei auf einer möglichst flexiblen Systemstruktur, um eine Untersuchung verschiedener Konzeptvarianten zu erlauben ohne dass dazu eine grundlegende Systemveränderung erforderlich ist. Zur Untersuchung des Systems wurde ein Simulationsmodell in der Umgebung Matlab/Simulink aufgebaut. Zur Parametrierung des Modells konnten Methoden erarbeitet werden, die es erlauben die vom Hersteller publizierten Kenndaten bzw. Kennlinien einzelner Komponenten auf das Modell zu übertragen. Weiterhin wurden Experimentalsysteme im Labormaßstab konstruiert und aufgebaut, mit denen die Simulationsergebnisse experimentell validiert wurden. Dabei konnte für die Validierung der Arbeitsfunktion (Schließkraftaufbau) der bereits für die Voruntersuchungen herangezogene Demonstrator verwendet werden. Auf Basis der dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden unbekannte Modellparameter für den realen Anwendungsfall abgeschätzt und auf das Modell übertragen. An dem validierten Modell wurden im nächsten Schritt unterschiedliche Konzeptvarianten mit dem Ziel untersucht, den energetischen Nutzen zu steigern und die Systemkomplexität zu verringern. Dabei wurden Varianten mit und ohne Differenzialschaltung zum Durchführen der Werkzeugbewegung untersucht, eine angepasste Prozessführung zur bedarfsgerechten Schließkraftführung betrachtet und eine Konzepterweiterung zur Steigerung des Nutzungsgrades der gespeicherten Energie erarbeitet. Im Rahmen einer Parameterstudie konnte der Einfluss unterschiedlicher Auslegungs- und Konstruktionsparameter auf das Systemverhalten untersucht werden. Auf Basis der dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden Kennwerte definiert und Gleichungen erarbeitet, welche die Auslegung des Systems für einen definierten Anwendungsfall unterstützen sollen. Anschließend wurde das System für einige definierte Anwendungsfälle ausgelegt und in dem Simulationsmodell abgebildet. Die simulierten Eigenschaften wurden den gemessenen Eigenschaften der untersuchten Maschinen aus den Voruntersuchungen gegenübergestellt, um Aussagen über das Potenzial dieser neuartigen Antriebstechnik treffen zu können. Weiterhin wurde das System für zwei Maschinen mit einer maximalen Schließkraft von 13.000 kN und einer maximalen Schließkraft 40.000 kN ausgelegt. Die jeweiligen Maschinen wurden mit dem entwickelten Antriebsmodul in der Simulation abgebildet und deren Funktionsweise bewertet. Abschließend konnte ein finaler Entwurf erarbeitet und dessen wirtschaftlicher Nutzen für einen definierten Anwendungsfall anhand einer Investitionskostenrechnung beurteilt werden.During the cyclic injection molding process, the energy consumption becomes more and more significant. Several reasons to achieve a better energy efficiency are given by politics and limited natural resources. Depending on the drive technology, a high ratio of the total energy consumption during the injection molding process is caused by the drives. There are various concepts to drive an injection molding machine. The concepts range from full hydraulic, hybrid to full electrical driven machines. The full electrical ones are known for their high energy efficiency. In contrast to these machines, the energy recovery during the breaking process of the single axis, for a full hydraulic injection molding machine is not state of the art. Due to the huge power density of hydraulic drive systems, these machines are commonly used for applications that need clamping forces bigger than 10.000 kN. Particularly in these cases, there is the biggest capability for energy recuperation. This capability is caused by the big mass movement and the high value of spring energy (the stored energy in a spring), that is contained into the elastic deformed mold and clamping unit during the clamping force application. For full hydraulically driven machines, clamping forces up to 55.000 kN are possible. The topic of this thesis is the development of a novel hydraulic drive module for the energy efficiency improvement of clamping units which are designed for clamping forces bigger than 10.000 kN. For theses ones full electrically drives are not adequate. In this context, the energy recovery (kinetic energy as well as spring energy) has been focused. Within the preliminary studies, some investigations are done with different injection molding machines. Here the focus of interest is set on the detection of different sources for energy losses. During these studies, two different full hydraulic driven machines and one entirely electrical one were analyzed. Especially for the full hydraulically driven machines, it was possible to visualize the energy flow. Sources for energy losses were discovered, by measuring the hydraulic pressures and the hydraulic flow rates at different locations. The next set of the preliminary studies was the development of a new hydraulic drive concept, which already improves the energy efficiency by avoiding some of the detected causations for losses. The presented solution is a de-central drive module for the power supply of a single function. In this case, the module is developed exemplarily for the clamping force application. With this drive module the dimensions of the drive unit can be adjusted exactly to the requirements of the considered function. This is already best practice for full electrically driven axis. By using a hydraulic single function designed accumulator, it is possible to increase the degree of efficiency of the drive unit and to decrease the required nominal drive power. In addition, it is possible to avoid power peaks within the power supply network. For testing this drive module a prototype was built in a laboratory scale for a clamping force about 600 kN. A hydraulic differential cylinder is used for the force application to a mechanical system with an adjustable stiffness. This mechanical system is representing the elastically behavior of the mold. For the experimental investigations, the stiffness of the system was adjusted to a reference machine with a reference mold. Therefore, it is possible to compare the energy consumption of both systems to each other. Based on the results, further improvements are developed for an increasing of the energy efficiency of this system. During the concept determination, new drive concepts were developed with the aim, to recover the kinetic energy which is stored within the movable mass of the clamping unit as well as the spring energy which is stored within the elastically deformation of the mold and the clamping unit. For the first investigations, the movement and the force application were considered as divided functions. Each concept is simulated using the simulation environment of matlab/simulink. Based on the simulation results, the drive concepts with the best capability were taken into account, for a new drive module. This new device contains both functions. The new module was designed to achieve a high system flexibility to analyze different concept variations with one and the same simulation model. Therefore, it is possible to avoid inaccuracies during the comparison of the single variations caused by the model building process. For this drive module, which is called the 2PC-Recu-Module (2-Plates-Clamping-Unit-Recuperation-Module), a new simulation model was developed using matlab/simulink. To calibrate the model parameters, characteristic curves of the hydraulic components (that are published by the manufacturers) are matched with the simulation model. Furthermore a laboratory scaled experimental system was built for the validation of the simulation results, which are related to the recuperation of the kinetic energy. For the validation of the force application function, the experimental system using during the preliminary studies was taken. Based on the comparison between the simulation and measurement results, unknown parameters were estimated and mapped within the simulation model. For a further increasing of the energy efficiency and a decreasing of the system complexity, the simulation model was used for some investigations, which are concerned with different system variations. For this purpose, variations with and without a differential setup were considered. Also a modified process conduct with a clamping force devolution was taken into account that is fitted to the actually requirements of the process. In addition, an improving of the efficiency during the clamping force application was done. Within a parameter study, the influence of different system parameters was examined. Based on these results, characteristic values were developed, which can be used to support the system design process. Thereafter, the driving module was designed for different application cases using the simulation results relating to the preliminary studies. The simulated system behavior of the clamping unit, using the 2PC-Recu-Module, was compared to the measured system behavior of the injection molding machines that was measured during the. In addition, the system was adjusted for two different clamping units. The first machine has got a maximum clamping force of about 13.000 kN, the second one has a maximum clamping force of about 40.000 kN. With the aid of the simulation model, the degree of recuperation for the new drive module was assessed. Finally, a recommendation for a system design is presented and the economic benefit is estimated by a life-cycle-cost analysis