"Social Device" Spezialinterview Die Inhalte wurden vom Juli 2015 bis zum Februar 2016 auf"Nikkei Technology Online", der Website zur Informationstechnik von Nikkei Business Publications, Inc. veröffentlicht und mit Erlaubnis des Autors nachgedruckt.

Industriemaschinen entwickeln sich schnell gemeinsam mit der Gesellschaft: Elektronische Komponenten bieten erhebliche Einsparungen beim Energieverbrauch

Energiesparende Technologie beinhaltet die effiziente Nutzung von Energie und die Eliminierung eines hohen Energieverbrauchs. Die Notwendigkeit, Energie zu sparen, gilt heute als vordringlichste Aufgabe der Menschheit. Welche Initiativen gibt es derzeit bei den Industriemaschinen, die den größten Anteil am Energieverbrauch haben? Und welche Technologien werden gebraucht? Tetsuya Miyake, Director von Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool Co., Ltd., einem Unternehmen, das an großen Maschinenbauprojekten wie den 5-Achs-Doppelsäulen-Fräsmaschinen beteiligt ist, spricht über das Thema mit General Manager Takashi Nakamura, der in der Abteilung Forschung & Entwicklung von ROHM am Bau hocheffizienter Halbleiter beteiligt ist.

Nakamura:

 Wir stehen heute vor einer Vielzahl von Problemen, einschließlich globaler Erwärmung und Erschöpfung der natürlichen Ressourcen. Die Lösung der Energieprobleme im globalen Maßstab ist dabei eine besonders vordringliche Aufgabe. Rohm hat den Kunden eine große Palette an Produkten geliefert, von der Unterhaltungselektronik bis zu Produkten der Automobil- und Industriemaschinenbranchen. Wir haben umfassende Erfahrungen in der Fertigung kleiner und energieeffizienter Produkte. Unsere Arbeit auf diesem Geschäftsfeld hat uns die Dringlichkeit des Energieproblems bewusst gemacht.

Miyake:
Tetsuya Miyake
Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool Co., Ltd.
Direktor

 Ich denke, dass viele Hersteller erkannt haben, dass Energieeinsparung der entscheidende Punkt bei der Entwicklung von Produkten des Werkzeugmaschinenbaus ist. Auch wenn das keine neue Idee ist. Ich denke, die Reduzierung des Energieverbrauchs hatte im letzten Jahrzehnt Priorität. Der Vergleich des Designs moderner Maschinen mit dem Design ähnlicher Maschinen vor zehn Jahren zeigt, wie stark der Energieverbrauch gesunken ist.

 Die Werkzeugmaschinenbauer waren unter den ersten Herstellern, die erkannt hatten, dass der Energieverbrauch sinken muss, denn sie wollten ihren Kunden niedrige Betriebskosten bieten. Mit anderen Worten, die Entwicklung einer energiesparenden Technologie erhöhte den Wert der Produkte. Wenn sich der Kunde für Werkzeugmaschinen entscheidet, die weniger Energie verbrauchen, kann er preiswertere Stromlieferverträge abschließen und seine Stromrechnung verringert sich. Diese Kosteneinsparungen sind vor allem für kleinere Unternehmen sehr wichtig.

Nakamura:

 In der letzten Zeit ist die Energieeffizienz in der Unterhaltungselektronik ein wichtiges Thema. Ursprünglich ging es darum, dass die Geräte kleiner werden sollten, die Lebensdauer der Batterien sollte sich verlängern und Produktionsfunktionen und Leistung verbessern.

 Als Halbleiterhersteller weitet Rohm seine Anstrengungen aus, neue Lösungen für das Energieproblem zu finden, z. B. durch innovative Large Scale Integration Chips mit geringer Leistung (LSI) und diskreten Schaltkreise sowie durch die Entwicklung hocheffizienter Leistungshalbleiter aus Silikonkarbid (SiC). Das ist eine neue Generation von Komponenten, die eine drastische Reduzierung des Energieverbrauchs verspricht (Abb. 1). Wir nehmen die Auswirkungen des Energieverbrauchs auf die Gesellschaft ernst, wenn wir Gesamtlösungen vorschlagen, die den kumulativen Energieverbrauch in den Automobil- und der Industriemaschinenbranchen senken, einschließlich Sensoren, Komponenten und Steuersysteme.

Abb. 1 SiC-Leistungshalbleiter

Energieverbrauch durch adaptive Steuerung

Nakamura:

 Welche Maßnahmen implementieren Sie, um den Energieverbrauch bei Werkzeugmaschinen zu senken?

Miyake:

 Ich möchte in diesem Zusammenhang eines unserer wichtigsten Produkte vorstellen, die 5-Achs-Doppelsäulen-Fräsmaschine. Es ist eine Maschine, die Metallbauteile mit unterschiedlichen Werkzeugen quer & längs schneidet. Die MVR-Ex Serie kam 2014 auf den Markt und ist unser neuestes Produkt mit vielen integrierten Energiesparmaßnahmen (Abb. 2). Wir konnten den Energieverbrauch erheblich senken und laut den Schätzungen anhand unserer eigenen Daten sinken die CO2-Emissionen im Ergebnis um ca. fünf Tonnen pro Jahr.

Abb. 2 MVR-Ex Serie der 5-Achs-Doppelsäulen-Fräsmaschine von Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool

 Die energiehungrigen Teile des Bearbeitungszentrums sind die hydraulische Einheit und der Mechanismus, der die Werkzeuge dreht. Er besteht aus einem Spindelmotor und einem Drei-Phasen-Motor. Darauf konzentrieren sich die Energiesparmaßnahmen. Eine wichtige Methode besteht darin, die hydraulische Einheit, wenn sie nicht in Gebrauch ist, auszuschalten, anstatt sie im Leerlauf zu lassen. Bei der früheren Bauweise lief die Hydraulik immer, ob die Maschine verwendet wurde oder nicht. Bei der MVR-Ex Serie wird sie nur im Betrieb aktiviert. Das allein führte zu einer Einsparung von einer Tonne CO2-Emissionen im Jahr.

 Es wurde ein Kühlsystem integriert, das eine Überhitzung der Hauptspindel bei der Bearbeitung verhindert. Wir schalten auch den Antrieb der Ölkühlung aus, wenn sie nicht verwendet wird. Er ist bei älteren Modellen ständig an, ob die Hauptspindel in Betrieb ist oder nicht. Es ist effizienter die Temperatur der Hauptspindel zu überwachen und den Ölkühler einzuschalten, wenn er gebraucht wird. Wir berechnen eine Einsparung bei den CO2-Emissionen von ca. 2,4 Tonnen pro Jahr durch diese Änderung.

Leistungshalbleiter: grundlegende Verbesserung der sozialen Probleme

Nakamura:
Takashi Nakamura
ROHM Co., Ltd.
General Manager Research & Development Division

 Wir liefern eine Reihe Komponenten, die den Menschen helfen, Elektrizität effizient zu nutzen und Energieverschwendung zu reduzieren. Eine dieser Produktreihen sind Leistungshalbleiter, die einen großen Beitrag zur Senkung des Energieverbrauchs leisten. Wir glauben, dass die Steigerung der Effizienz der Energieverwendung einen großen Unterschied beim Stromverbrauch der gesamten Gesellschaft macht.

 Elektrizität muss umgewandelt werden, um einer bestimmten Anlage oder einem System zu entsprechen. Das bedeutet AC wird in DC oder umgewandelt und umgekehrt oder Spannung und Frequenz müssen beispielsweise umgewandelt werden. Die Leistungsaufnahmetechnologie hat heute eine Effizienz von ca. 90 % erreicht. Das erweckt den Eindruck, dass bei der Leistungsaufnahme fast keine Energieverluste auftreten. Die im Kraftwerk generierte Elektrizität wird jedoch viele Male umgewandelt, bevor sie den Verbraucher erreicht und jedes Mal kommt es zu Verlusten. Tatsächlich erreicht nur die Hälfte des erzeugten Stroms seinen Bestimmungsort.

 Leistungshalbleiter sind extrem effizient und reduzieren die Verluste bei der Leistungsaufnahme. Rohm startete als erstes Unternehmen weltweit die Massenproduktion von SiC-MOSFET Leistungshalbleitern der nächsten Generation. Die Effizienz ist erheblich höher als bei den herkömmlichen Si-Leistungshalbleitern. Würden beispielsweise in Japan alle Si-Leistungshalbleiter durch SiC-Chips ersetzt, entspräche die Energieeinsparung der Stromerzeugung von mehreren Atomreaktoren. Rohm übernahm auch als erstes Unternehmen weltweit die Trench-Architektur bei SiC-MOSFET-Chips, wodurch sich die Leistung weiter verbesserte. In jüngster Zeit sind wir auf 6-Zoll Wafer umgestiegen und haben unser System hochgefahren, um Qualitätschips in großen Mengen zu liefern.

 Wir glauben, dass die Leistungshalbleiter zukünftig in größerem Umfang in den Werkzeugmaschinen von Mitsubishi eingesetzt werden.

Angebote müssen auch Überlegungen zum Design berücksichtigen

Miyake:

 Ich stimme Ihnen zu. Die Elektronik wird bei Werkzeugmaschinen zukünftig eine wachsende Rolle spielen. Ich kenne mich als Elektroingenieur in der Entwicklung von Steuerstromkreisen und anderer Elektronik für Werkzeugmaschinen aus. Als ich zu Mitsubishi Heavy Industries kam, waren die meisten Werkzeugmaschinen mechanische Systeme mit wenig Elektronik. Heute sind sie vollgepackt mit elektronischer Technologie. Bei modernen Werkzeugmaschinen ist der Anteil der Elektronik viel höher und gleichzeitig hat sich dementsprechend die Software entwickelt.

 Dieser Trend wird sich fortsetzen. Werkzeugmaschinen nutzen durchweg hydraulische Vorrichtungen und es werden bereits Wechselrichter bei den Antriebsschaltkreisen des Motors der hydraulischen Einheit verwendet. Das Ziel ist eine Effizienzsteigerung und ich denke, der hydraulische Mechanismus selbst wird durch die Motorantriebe ersetzt werden. Wenn das eintritt, wird die Anzahl der Leistungshalbleiter bei allen Werkzeugmaschinen stark ansteigen.

Nakamura:

 Wenn die Leistungshalbleiter bei immer mehr Anwendungen eingesetzt werden, ist es umso wichtiger, den Kundenbedarf genau zu verstehen. In der Vergangenheit haben die Hersteller technische Daten für individuelle Komponenten angegeben. Es ist sicher wichtig, hervorragende Funktionen und eine ausgezeichnete Leistung anzubieten, aber das ist nicht immer das, was der Kunde möchte. Rohm bevorzugt die gemeinsame Entwicklung mit dem Kunden. Der Kunde erhält sofort die Produkte, die er möchte und die spezifischen Funktionen und die Leistung, die er für seine Anwendung benötigt. Mit den SiC-Leistungshalbleitern können wir völlig neue Anwendungen vorschlagen, zu denen Si-Leistungshalbleiter einfach nicht in der Lage sind, anstatt über den Ersatzbedarf zu verhandeln.

 Ein Beispiel sind Impulsgeneratoren. Sie benötigen Hochspannung wie Beschleuniger, Plasmageneratoren und Laser-Bearbeitungssysteme. Diese Anwendungen setzten traditionelle Vakuumschläuche und Si-Leistungshalbleiter als Schaltvorrichtungen ein. Durch die SiC-Leistungshalbleiter von Rohm wurde die Herstellung sehr kompakter Impulsgeneratoren möglich, deren Leistung vom herkömmlichen Design nicht erreicht wird.

 Für die Gerätehersteller ist es wichtig, die Anwendungen zu prüfen und Vorschläge zu machen, die den wirklichen Anforderungen entsprechen. Wir müssen daran arbeiten, Probleme zu lösen, die sich auf die gesamte Bevölkerung auswirken wie die Energieeinsparung.

Miyake:

 Für die Konstrukteure von Werkzeugmaschinen ist es sehr aufwändig, ständig die neuesten Informationen über die Komponenten zu kennen. Es ist sehr verbreitet, einfach die vorhandenen Komponenten und Technologien zu verwenden, wenn es keinen überzeugenden Grund gibt, eine neue Technologie zu übernehmen. Ich finde die Idee ausgezeichnet, die Komponentenhersteller hinzuzuziehen und dabei zu helfen, neue Technologien über neue Vorschläge zu entwickeln.

Zusammenarbeit der Zulieferer, Hersteller und Benutzer

Nakamura:

 Die Industriemaschinen, einschließlich der Werkzeugmaschinen, spielen eine wichtige Rolle in der verarbeitenden Industrie. Sie stoßen sicher auf eine Vielzahl sozialer Probleme bei ihrer Arbeit, nicht nur in Bezug auf den Energieverbrauch.

Miyake:

 Ja, das stimmt. Wir sind uns beispielsweise des Problems der "überalterten Bevölkerung" bewusst, das vor allem für die entwickelten Industriestaaten ein Thema ist. Die verarbeitende Industrie in Japan leidet unter Arbeitskräftemangel, während die Zahl der älteren Bürger steigt. In vielen Unternehmen unterstützen ältere oder pensionierte Ingenieure die jungen unerfahrenen Mitarbeiter in den Werkhallen. Wir möchten, dass unsere Produkte benutzerfreundlich sind. Wenn erfahrene und unerfahrene Bediener gemeinsam arbeiten, ist alles jedoch schwieriger. Ihre Definitionen der "Benutzerfreundlichkeit" unterscheiden sich und das Herangehen ist grundsätzlich anders. Es ist nicht einfach, die perfekte Balance zu finden.

 Ein weiterer Punkt ist die sich verändernde Wahrnehmung des Arbeitsschutzes und es besteht Bedarf an einem neuen Ansatz im Zusammenhang mit den Sicherheitsmaßnahmen. Früher bestand das übliche Herangehen darin, die gefährlichen Maschinen mit Barrieren zu umgeben und die Mitarbeiter am Zutritt zu hindern. Diese Zeiten sind vorbei, denn Mitarbeiter und Maschinen teilen sich zunehmend den Arbeitsplatz. Das hat möglicherweise große Auswirkungen auf das Design der Werkzeugmaschinen und der Verarbeitungssysteme.

Nakamura:

 Die Hindernisse auf dem Weg zur perfekten Lösung werden umso höher, je komplizierter sich die Probleme gestalten. Lösungen verlangen eine noch engere und kooperative Beziehung zwischen den Zulieferern von Teilen und Werkstoffen, den Maschinenbauern und den Benutzern.

"Social Device" Special Interview

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