Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Kühlverfahren. Die Erfindung betrifft zudem ein Fertigungssystem.

Derartige Fertigungssysteme weisen typischerweise zumindest eine Bearbeitungsmaschine mit mehreren Maschinenkomponenten zum Bearbeiten eines Materials auf. Üblicherweise müssen einige der Maschinenkomponenten gekühlt werden, um ein Überhitzen aufgrund der Materialbearbeitung zu verhindern. Zudem kann es erforderlich sein, das zu bearbeitende Material oder reagierende Werkstoffe zu kühlen. Hierfür werden vorgenannte temperaturregulierende Kühlverfahren an den Fertigungssystemen durchgeführt.

Die Bedeutung der Kühlverfahren gewinnt insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen an Bedeutung, bei denen eine Materialbearbeitung unter großem Wärmeieintrag erfolgt. Klassische Vertreter dieser Bearbeitungsmaschinen sind beispielsweise Laserbearbeitungsmaschinen. Das Fertigungssystem umfasst typischerweise eine Kühlvorrichtung, die während der Materialbearbeitung anfallende Wärme von der Bearbeitungsvorrichtung abführt. Hierfür wird die Bearbeitungsvorrichtung üblicherweise an einen Kühlkreislauf mit einem darin zirkulierenden Kühlfluid, z.B. Kühlwasser angeschlossen. Die durch das Kühlfluid aufgenommene Wärme der Bearbeitungsvorrichtung wird in der Kühlvorrichtung abgegeben und anschließend erneut der Bearbeitungsvorrichtung zugeführt. Je nach anfallender Wärmemenge in der Bearbeitungsvorrichtung kann die Kühlleistung der Kühlvorrichtung anpassbar sein, um eine ausreichende Kühlung der Bearbeitungsvorrichtung sicherzustellen. Moderne Fertigungssysteme weisen zu diesem Zweck eine Schnittstelle zwischen der Bearbeitungsvorrichtung und der Kühlvorrichtung auf, über die Informationen zu einer benötigten Kühlleistung ausgetauscht werden können. So kann beispielsweise die Kühlwassertemperatur, die Durchflussmenge oder die Leistung einer Kühlwasserpumpe über die Schnittstelle vorgegeben werden.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Kühlvorrichtungen sowie Kühlverfahren bekannt.

Beispielsweise ist es aus CN 109332888 A bekannt, die für die Kühlung einer Laserbearbeitungseinheit notwendige Durchflussmenge des Kühlfluids bzw. die Pumpleistung des Kühlers anhand der während des Bearbeitens eingesetzten Laserleistung zu bestimmen und einer Kühlvorrichtung vorzugeben.

Zudem ist bekannt, während eines Bearbeitungsprozesses die Temperatur des Kühlwassers im Rücklauf des Kühlkreislaufes oder die Temperatur einer zu kühlenden Maschinenkomponente oder eines zu kühlenden Materials bzw. Werkstoffs zu messen, um die Temperatur und/oder die Durchflussmenge des Kühlfluids zu regeln, wie es z.B. in CN 110102895 A oder WO 2020/096552 A2 beschrieben ist. Aus DE 10 2017 206 074 Al ist eine Laservorrichtung bekannt, die mittels eines verhältnismäßig kleinen Kühlers die von einem Laseroszillator ausgestrahlte Wärme abführen kann. Die Laservorrichtung weist ein Berechnungsteil auf, das eine Höchsttemperatur der einzelnen Komponenten der Laservorrichtung während der Laserbearbeitung ermittelt. Überschreitet die Höchsttemperatur einen Grenzwert, kann vor Beginn der Laserbearbeitung eine Warnung ausgegeben und die Fertigungsparameter gegebenenfalls geändert werden.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen sind jedoch lediglich in Bezug auf relativ konstant gehaltene Prozessbedingungen zu einer ausreichenden Kühlung der Bearbeitungsmaschine eingerichtet. Üblicherweise erfolgt die Materialbearbeitung an modernen Bearbeitungsvorrichtungen jedoch unter dynamischen Prozessbedingungen. Beispielsweise wird bei der Laserbearbeitung, als Beispiel für einen dynamischen Materialbearbeitungsprozess, die Laserleistung entsprechend der Bearbeitungsaufgabe nur für einen gewissen Zeitraum benötigt, in schnellem zeitlichem Verlauf geändert oder der Laser während Positioniervorgängen der Maschine ausgeschaltet. Ebenso verhält es sich mit den Bewegungsabläufen der mechanischen Komponenten, z.B. der bewegten Maschinenachsen. Die vorgenannten Vorgänge verlaufen dynamisch und Wärme entsteht diskontinuierlich in der Bearbeitungsmaschine.

Wird ein Bearbeitungsprozess mit sich dynamisch ändernden Prozessbedingungen durchgeführt, so kann bei den vorgenannten Beispielen aus dem Stand der Technik lediglich zeitverzögert durch die Kühlvorrichtung reagieren werden. Hierdurch kann die Kühlfluid-Temperatur im Vorlauf des Kühlkreislaufes um mehrere Grad Celsius schwanken, wodurch die anfallende Wärme nur unzureichend abgeführt werden kann. Bis die Kühlvorrichtung auf die geänderten Prozessbedingungen eingestellt ist, kann die Temperatur einer Maschinenkomponente mithin bereits unerwünscht stark angestiegen sein. Hierdurch kann zunächst die Fertigungsqualität der Bearbeitungsmaschine beeinträchtigt sein. In schwereren Fällen führt der Temperaturanstieg zu einer Überhitzung der Maschinenkomponente und kann einen Fertigungsstillstand und/oder eine Beschädigung der Bearbeitungsvorrichtung bedingen. Im umgekehrten Fall kann durch sich ändernde Prozessbedingungen eine eingestellte Kühlleistung der Kühlvorrichtung zu groß sein. Hierdurch wird der Bearbeitungsmaschine zu viel Wärme entzogen, wodurch die Fertigungsqualität ebenfalls beeinträchtigt werden kann. In jedem Fall führt eine zu starke Kühlung der Laserbearbeitungsvorrichtung zu erhöhten Betriebskosten.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dynamischen und energieeffizienten Kühlung einer Bearbeitungsmaschine während eines Materialbearbeitungsprozesses bereitzustellen.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kühlverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Fertigungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.

Erfindungsgemäß ist ein, insbesondere computergestütztes, Kühlverfahren vorgesehen. Mit anderen Worten kann das Kühlverfahren zumindest teilweise unter Verwendung von Computern durchgeführt werden.

Das Kühlverfahren ist zur, insbesondere unidirektionalen, Temperatursteuerung einer Kühlvorrichtung geeignet, insbesondere ausgebildet. Die Temperatursteuerung erfolgt unter Berücksichtigung einer Erwärmung von zumindest einer Maschinenkomponente einer Prozessmaschine im Betrieb der Prozessmaschine. Die Prozessmaschine kann mehrere, insbesondere eine Vielzahl an, Maschinenkomponenten aufweisen. Das Kühlverfahren kann unter Berücksichtigung einer Erwärmung mehrerer Maschinenkomponenten durchgeführt werden. Vorzugsweise kann die Temperatursteuerung die Erwärmung von temperaturkritischen Maschinenkomponenten vorrangig berücksichtigen. Das Kühlverfahren ist bevorzugt in Verbindung mit dynamischen Materialbearbeitungsprozessen unter Einsatz hochenergetischer Bearbeitungswerkzeuge anwendbar. Das Kühlverfahren ist besonders bevorzugt für den Einsatz an einer Laserbearbeitungsmaschine ausgebildet.

Das Kühlverfahren wird unter Verwendung einer Kühlvorrichtung durchgeführt. Die Kühlvorrichtung ist zur Aufnahme von Wärmeenergie der Prozessmaschine eingerichtet. Typischerweise ist die Kühlvorrichtung über zumindest einen Kühlkreislauf mit der Prozessmaschine fluidisch gekoppelt. Typischerweise wird die Prozessmaschine während der Materialbearbeitung gekühlt.

Der Betrieb der Prozessmaschine ist typischerweise durch ein Steuerungsprogramm gesteuert, bzw. vorbestimmt. Beispielsweise kann das Steuerungsprogramm das Fertigen eines Werkstücks durch Lasterstrahlschneiden eines Werkstückrohlings vorsehen. Während der Materialbearbeitung können sich die in dem Steuerungsprogramm vorgegebenen Prozessparameter, insbesondere mehrmals, zeitabhängig ändern. Beispielsweise kann sich eine Laserleistung, eine Vorschubgeschwindigkeit, eine thermische Leistung, eine Leistung von Stellantrieben usw. während der Materialbearbeitung ändern. Die Änderung der Prozessparameter während der Materialbearbeitung kann als dynamische Materialbearbeitung verstanden werden.

Die Änderung der Prozessparameter ist im Steuerungsprogramm vorbestimmt. Üblicherweise führt die Prozessmaschine die Materialbearbeitung gemäß dem Steuerungsprogramm durch. Mit anderen Worten ist der Ablauf der Materialbearbeitung bzw. die zeitliche Änderung der Prozessparameter vor der durchzuführenden Materialbearbeitung bekannt.

Das Kühlverfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf.

Ein Verfahrensschritt sieht das Ermitteln einer auf die Maschinenkomponente einwirkenden, zu erwartenden Wärmeenergie, bzw. Wärmemenge innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts des Steuerungsprogramms vor. Ein Bearbeitungsabschnitt ist als ein Teilabschnitt des Steuerungsprogramms zu verstehen. Das Steuerungsprogramm kann mehrere Bearbeitungsabschnitte aufweisen. Ein Bearbeitungsabschnitt weist typischerweise eine Materialbearbeitung mit konstant gehaltenen Prozessparametern auf. Verschiedene Bearbeitungsabschnitte können zeitlich unterschiedlich lang andauern.

Erfindungsgemäß wird die Wärmeenergie auf Grundlage einer innerhalb des Bearbeitungszeitraums vorgesehenen Bearbeitungsleistung der Prozessmaschine ermittelt. Die Bearbeitungsleistung stellt üblicherweise den größten Anteil der eingebrachten Energie dar. Die Bearbeitungsleistung kann mithin den wesentlichen Teil des Wärmeeintrags in die Prozessmaschine bzw. eine einzelne Maschinenkomponente darstellen. Zudem kann vorgesehen sein, dass weitere Energieeinträge von unterschiedlichen Maschinenkomponenten, beispielsweise Antriebsleistungen von Stellantrieben, bei der Ermittlung der zu erwartenden Wärmeenergie berücksichtigt werden. Typischerweise wird bei einer Laserbearbeitungsmaschine die Wärmeenergie auf Grundlage der Laserleistung ermittelt.

Um eine genaue Vorhersage über die zu erwartende Wärmeenergie treffen zu können, kann vorgesehen sein, dass ein Bearbeitungsdatensatz, aufweisend eine Korrelation zwischen der Bearbeitungsleistung der Prozessmaschine, insbesondere der Laserleistung der Laserbearbeitungsmaschine, und dem daraus resultierenden Wärmeeintrag in die Prozessmaschine, insbesondere der Laserbearbeitungsmaschine, hinterlegt wird. Der resultierende Wärmeeintrag kann simulativ und/oder messtechnisch ermittelt worden sein. Vorzugsweise enthält der Bearbeitungsdatensatz eine Vielzahl von resultierenden Wärmeeinträgen zu einer Vielzahl von verschiedenen Bearbeitungsleistungen, insbesondere Laserleistungen. Besonders bevorzugt basiert ein Wärmeeintrag zu einer bestimmten Bearbeitungsleistung auf einer Vielzahl von verschiedenen Simulationen und/oder Messungen. Hierdurch kann die Genauigkeit der Vorhersage erhöht werden. Darüber hinaus kann der Bearbeitungsdatensatz weitere Bearbeitungsparameter der Prozessmaschine in der Korrelation mit der resultierenden Wärmeenergie in die Maschinenkomponente berücksichtigen. Zusätzliche Bearbeitungsparameter können die zu erwartende Wärmeenergie entscheidend beeinflussen. Bei einer Laserbearbeitungsmaschine lässt sich beispielsweise die in der Lasereinheit entstehende Wärmeenergie aus der Pumpleistung der Pumpdioden abzüglich der abgegebenen Laserleistung und zuzüglich einer Konstante für die Kühlung der Schaltschrankkomponenten ermitteln. Weiter beispielsweise lässt sich bei den Antrieben für die Achsbewegung in der Laserbearbeitungsmaschine die entstehende Wärmeenergie aus der Verlustleistung der Antriebe ermitteln. Weiter beispielsweise kann die an einem Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsmaschine entstehende Wärmeenergie durch eine Absorption oder Streuung von Laserstrahlung an optischen und mechanischen Komponenten des Bearbeitungskopfes abhängig sein. Weiter beispielsweise ist beim Laserschneiden oder Schweißen die in den aktiven Bauteilen (Laserdioden, Optik, Antriebe, Leistungselektronik) erzeugte Wärmeenergie abhängig von der Länge der zu bearbeitenden Kontur und der Bearbeitungsgeschwindigkeit sowie den Technologieparametern (Laserleistung, Gasdruck, Fokuslage, usw.) für das jeweilige zu bearbeitende Material.

Ein weiterer Verfahrensschritt sieht das Bestimmen eines erforderlichen Wärmeabführvermögens der Kühlvorrichtung für den Bearbeitungsabschnitt vor. Die Kühlvorrichtung ist typischerweise mittels eines Kühlmediums zum Abführen bzw. Speichern der erwarteten Wärmeenergie innerhalb der Dauer des Bearbeitungsabschnitts ausgebildet. Unter einem Wärmeabführvermögen ist die generelle Fähigkeit zum Aufnehmen von Wärmeenergie durch die Kühlvorrichtung, bzw. das Kühlmedium zu verstehen. Mit anderen Worten wird das erforderliche thermische Gegengewicht zu dem erwarteten Wärmeeintrag bestimmt. Das Wärmeaufnahmevermögen kann zu einer schnellen Aufnahme oder zu einer andauernden Aufnahme der Wärmeenergie geeignet sein. Das Wärmeabführvermögen besteht typischerweise aus einem Wärmeaufnahmevermögen zum Aufnehmen von Wärmeenergie an der Maschinenkomponente durch das Kühlmedium, einem Wärmeleitungsvermögen innerhalb der Kühlvorrichtung, einem Wärmespeicherungsvermögen der Kühlvorrichtung sowie einem Wärmeabgabevermögen der Kühlvorrichtung zum Abgeben der Wärmeenergie an eine Umgebung der Kühlvorrichtung. Unter dem Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens kann das Bestimmen des Wärmeaufnahmevermögens, des Wärmeleitungsvermögens, des Wärmespeicherungsvermögens und/oder des Wärmeabgabevermögens verstanden werden.

Beispielsweise kann das Kühlmedium eine in dem Kühlkreislauf zwischen der Kühlvorrichtung und der Prozessmaschine zirkulierende Kühlflüssigkeit und einen an der Kühlvorrichtung angeordneten oder ausgebildeten Kühlkörper aufweisen. In diesem Fall kann das Wärmeaufnahmevermögen durch die Temperatur und/oder die Zirkulationsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit bestimmt sein. Ferner kann das Wärmeleitungsvermögen des Kühlmediums in der Temperaturdifferenz zwischen Kühlflüssigkeit und Kühlkörper sowie der Zirkulationsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit bestimmt sein. Die thermische Masse des Kühlkörpers kann weiter beispielsweise das Wärmespeicherungsvermögen bestimmen. Die Umgebungstemperatur und/oder zuschaltbare Kühlkörper können weiter beispielsweise das Wärmeabgabevermögen bestimmen.

Das erforderliche Wärmeabführvermögen des Kühlmediums kann daraus abgeleitet werden, dass eine Temperatur der Maschinenkomponente ungeachtet eines Wärmeeintrags nicht erhöht, insbesondere eine Höchsttemperatur nicht überschritten, wird.

Ein weiterer Verfahrensschritt sieht das Vorkonditionieren der Kühlvorrichtung mit zeitlichem Vorlauf vor, um das erforderliche Wärmeabführvermögen bis zum Einwirken der erwarteten Wärmeenergie auf die Maschinenkomponente bereitzustellen. Mit anderen Worten wird die Kühlvorrichtung bzw. das Kühlmedium auf den zu erwartenden Wärmeeintrag vorbereitet. Der zeitliche Vorlauf ist vorzugsweise lang gehalten um einen energieeffizienten Betrieb der Kühlungsvorrichtung zu unterstützten. Der zeitliche Vorlauf kann in diesem Fall beispielsweise mehrere Minuten betragen, um eine langsame Abkühlung des Kühlmediums zu ermöglichen. In anderen Fällen kann es aufgrund des Steuerungsprogramms erforderlich sein, eine schnellstmögliche Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung zu bewirken. Der zeitliche Vorlauf kann in diesem Fall weniger als eine Minute betragen.

Um eine genaue Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung in Abhängigkeit der erwarteten Wärmeenergie zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass ein Steuerungsdatensatz mit einer Korrelation zwischen einem Wärmeabführvermögen der Kühlvorrichtung und möglichen Steuerungsparametern der Kühlungsvorrichtung hinterlegt wird. Die ein bestimmtes Wärmeabführvermögen der Kühlvorrichtung bewirkenden Steuerungsparameter der Kühlungsvorrichtung sind vorzugsweise simulativ und/oder versuchstechnisch ermittelt worden. Vorzugsweise enthält der Steuerungsdatensatz mehrere Kombinationen von Steuerungsparametern, die ein bestimmtes Wärmeabführvermögen der Kühlvorrichtung bewirken. Vorzugsweise können die verschiedenen Kombinationen von Steuerungsparametern zu einem bestimmten Wärmeabführvermögen der Kühlvorrichtung hinsichtlich einer Energieeffizienz und/oder einer Bereitstellungsgeschwindigkeit bewertet werden. Der Steuerungsdatensatz umfasst vorzugsweise eine Vielzahl an resultierenden Wärmeabführvermögen zu einer Vielzahl von verschiedenen Kombinationen von Steuerungsparametern. Besonders bevorzugt basiert ein resultierendes Wärmeabführvermögen zu einer bestimmten Kombination von Steuerungsparametern auf einer Vielzahl von verschiedenen Simulationen und/oder Versuchen. Hierdurch kann die Genauigkeit der Vorhersage erhöht werden.

Typische Steuerungsparameter der Kühlvorrichtung sind beispielsweise eine Kühlleistung, eine Anzahl von aktiven Verdichterstufen, eine Temperatur des Kühlmediums, eine Zirkulationsgeschwindigkeit des Kühlmediums, eine Umgebungstemperatur der Kühlvorrichtung und/oder der Prozessmaschine, usw. Die Aufzählung ist nicht abschließend zu verstehen. Die Steuerungsparameter können sich auf ein oder mehrere Teilvermögen des Wärmeabführvermögens der Kühlvorrichtung auswirken. In Abhängigkeit der ermittelten Wärmeenergie kann so eine optimale Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung, bzw. des Kühlmediums bewirkt werden.

Vorzugsweise wird die Steuerung der Kühlvorrichtung derart vorgenommen, dass die Kältevorrichtung stets in einem energetisch niedrigsten Betriebsmodus hinsichtlich der elektrischen Leistungsaufnahme erfolgt. Dies bewirkt eine Steigerung der Energieeffizienz der Kühlvorrichtung.

Zusammenfassend sieht das erfindungsgemäße Kühlverfahren eine vorausschauende Steuerung der Kühlvorrichtung vor. Die Steuerung der Kühlvorrichtung kann unter Verwendung des Steuerungsprogramms der Prozessmaschine bestimmt werden, aus dem notwendige Änderungen im Kühlverhalten aus vorbestimmten Änderungen der Bearbeitungsparameter abgeleitet werden können. Durch den vorgegebenen Ablauf der Materialbearbeitung im Steuerungsprogramm kann eine Anpassung des Kühlverhaltens der Kühlvorrichtung mit einem zeitlichen Vorlauf vor der Änderung der entsprechenden Bearbeitungsparameter vorgenommen werden. Die notwendige Änderung des Kühlverhaltens ist somit bei Änderung der Bearbeitungsparameter abgeschlossen, wodurch eine entstehende Wärmeenergie durch die Kühlvorrichtung, bzw. das Kühlmedium abgeführt werden kann. Temperaturschwankungen im Kühlkreislauf, die ein Überhitzen der Maschinenkomponenten bewirken können, können in der Folge effektiv verhindert werden.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der die Prozessmaschine als eine Laserbearbeitungsmaschine oder eine Bearbeitungsmaschine zur Umformung eines Materials oder eine Prozessmaschine zum Temperieren eines Mediums oder eine Prozessmaschine zur Elektronenstrahlbearbeitung oder eine Prozessmaschine für einen Prozess ist, dessen einwirkende zu erwartende Wärmeenergie innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts des Steuerungsprogramms vorhersagbar ist. Beispielsweise eignet sich das Kühlverfahren zum Kühlen einer Lötanlage. Die Lötanlage ist typischerweise zum Erzeugen von Lötstellen ausgebildet. In diesem Fall kann die Anzahl der Lötstellen, der zeitliche Abstand beim Erzeugen der Lötstellen und/oder die Menge des zu verwendenden Lotes ist aus dem Steuerungsprogramm - hier dem Lötplan - vorab bekannt. Hierdurch kann die erwartete Wärmemenge zu dem jeweiligen Zeitpunkt ermittelt und das erforderliche Wärmeabführungsvermögen bestimmt werden.

Weiter beispielsweise eignet sich das Kühlverfahren zum Kühlen einer Spritzgussanlage zur Herstellung von Kunststoffteilen. Hierbei kann aus dem Steuerungsprogramm die Menge des einzuspritzenden Kunststoffmaterials und der zeitliche Verlauf des Einspritzvorgangs entnommen werden. Anschließend kann die erwartete Wärmeenergie ermittelt sowie das erforderliche Wärmeabführungsvermögen bestimmt werden.

Weiter beispielsweise kann sich das Kühlverfahren zum Kühlen einer Walze zum Extrudieren von Folien eignen. Das Steuerungsprogramm beinhaltet typischerweise die Dicke, die Länge und das Material der Folie, woraus die erwartete Wärmeenergie ermittelt und das erforderliche Wärmeabführungsvermögen bestimmt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlverfahrens wird bei der Ermittlung der erwarteten Wärmeenergie eine Alterung der zumindest einen Maschinenkomponente berücksichtigt. Alternde Maschinenkomponenten können beispielsweise zu einem gesteigerten Wärmeeintrag führen, der ein erhöhtes Wärmeabführvermögen des Kühlmediums bedingt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Maschinenkomponente mit Sensoren überwacht wird, um eine, insbesondere langsame, Änderung der alterungsbedingten Wärmeenergie zu detektieren.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kühl verfahrens, bei der beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens eine erwartete Temperatur der Maschinenkomponente berücksichtigt wird. Mit anderen Worten wird die Ausgangstemperatur der Maschinenkomponente vor einer Erwärmung durch die erwartete Wärmeenergie berücksichtigt. Dies kann durch Vergleichen einer Soll- Temperatur der Maschinenkomponente mit einer Ist-Temperatur der Maschinenkomponente erfolgen. Beispielsweise kann ein mögliches Aufwärmen der Maschinenkomponente auf eine Betriebstemperatur vorgesehen sein. In diesem Fall kann beispielsweise das bestehende Kühlverhalten durch die Kühlungsvorrichtung beibehalten oder verringert werden.

Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kühlverfahrens, bei der beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens eine Höchsttemperatur der Maschinenkomponente berücksichtigt wird. Mit anderen Worten kann die Ist- Temperatur der Maschinenkomponente mit einer Höchsttemperatur verglichen werden. Hieraus kann eine Temperaturtoleranz abgeleitet werden. Eine geringe Temperaturtoleranz kann beispielsweise eine Priorisierung des Wärmeaufnahmevermögens bewirken, während eine große Temperaturtoleranz eine Priorisierung des energieeffizienten Betriebs der Kühlvorrichtung bewirken kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlverfahrens wird beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens die Umgebungstemperatur der Laserbearbeitungsmaschine und/oder der Kühlvorrichtung berücksichtigt. Beispielsweise kann die Umgebungstemperatur in Abhängigkeit von einem Aufstellort der Prozessmaschine und/oder der Kühlvorrichtung und/oder einer Tages- oder Jahreszeit beeinflusst sein und sich unterschiedlich auf den Betriebsmodus der Kühlvorrichtung auswirken. Beispielsweise kann das Wärmeabgabevermögen des Kühlmediums bei niedrigen Umgebungstemperaturen erhöht sein, wodurch das Wärmespeicherungsvermögen verringert werden kann. Durch Berücksichtigen der Umgebungstemperatur kann somit das Bestimmen des Wärmeabführvermögens unter einer energetisch optimalen Betriebsweise der Kühlvorrichtung verbessert werden. Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kühlverfahrens, bei der beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens und/oder dem Vorkonditionieren ein Bearbeitungszeitraum des Bearbeitungsabschnitts berücksichtigt wird. Mit anderen Worten wird die zeitliche Dauer des Bearbeitungsabschnitts berücksichtigt. Beispielsweise kann eine erwartete Wärmeenergie innerhalb eines kurzen Bearbeitungszeitraums zu einer hohen Wärmeintensität führen, wobei die Wärmeenergie in diesem Fall über einen kurzen Zeitraum abgeführt werden muss. In diesem Fall kann das Wärmeabführvermögen hinsichtlich des Wärmeaufnahmevermögens vorkonditioniert werden. Weiter beispielsweise kann eine erwartete Wärmeenergie innerhalb eines langen Bearbeitungszeitraums zu einer andauernden Wärmebelastung führen, wobei die Wärmeenergie über einen längeren Zeitraum abgeführt werden muss. In diesem Fall kann das Wärmeabführvermögen hinsichtlich des Wärmeleitungsvermögens vorkonditioniert werden. Durch Kenntnis des Bearbeitungszeitraum kann mithin die Vorkonditionierung an die erwartete Wärmeenergie angepasst werden, bzw. die Steuerung der Kühlvorrichtung entsprechend vorgenommen werden. Beispielhaft kann eine Einstellung der Steuerungsparameter vorsehen, dass eine hohe Wärmeintensität durch kurzzeitiges Zuschalten einer zusätzlichen Verdichterstufe sowie Erhöhen der Zirkulationsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit abgeführt wird, wobei die sonstigen Steuerungsparameter der Kühlvorrichtung konstant gehalten werden. Weiter beispielsweise kann bei einer andauernden Wärmebelastung die Kühlleistung der Kühlvorrichtung dauerhaft erhöht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlverfahrens wird beim Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens und/oder dem Vorkonditionieren die erwartete Wärmeenergie und/oder das Wärmeabführvermögen zumindest eines dem Bearbeitungsabschnitt, insbesondere unmittelbar, vorhergehenden Bearbeitungsabschnitts und/oder dem Bearbeitungsabschnitt, insbesondere unmittelbar, nachfolgenden Bearbeitungsabschnitt berücksichtigt. Hierdurch kann eine Steuerung der Kühlvorrichtung in Abhängigkeit des vorhergehenden und/oder nachfolgenden Bearbeitungsabschnitts vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung für einen Bearbeitungsabschnitt geringer ausfallen, wenn in dem anschließenden nachfolgenden Bearbeitungsabschnitt eine erwartete Wärmeenergie geringer ausfällt und ein Senken des Wärmeabführvermögens bedingt.

Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kühlverfahrens, bei der das Ermitteln der zu erwartenden Wärmeenergie für mehrere zeitliche Bearbeitungsabschnitte des Steuerungsprogramms erfolgt. Die Bearbeitungsabschnitte folgen insbesondere unmittelbar aufeinander. Hierdurch kann eine energieeffiziente und vorausschauende Betriebsweise über einen Großteil des Steuerungsprogramms, insbesondere das gesamte Steuerungsprogramm, erfolgen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Kühlverfahrens sieht vor, dass zum Vorkonditionieren der Kühlvorrichtung zumindest ein Kühlkreislauf und/oder eine Verdichterstufe der Kühlvorrichtung zu- oder abgeschaltet wird. Hierdurch kann insbesondere das Wärmeleitungsvermögen sowie das Wärmespeicherungsvermögen erhöht werden, wodurch die durch das Kühlmedium abführbare Wärmeenergie erheblich erhöht werden kann.

Die zugrundeliegende Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Fertigungssystem. Das Fertigungssystem weist eine Prozessmaschine, vorzugsweise eine Laserbearbeitungsmaschine, und eine temperatursteuerbare Kühlvorrichtung auf. Die Prozessmaschine umfasst zumindest eine vorhergehend und im Folgenden beschriebene Maschinenkom ponente.

Das Fertigungssystem ist zum Durchführen des vorhergehend und im Folgenden beschriebenen Kühlverfahrens eingerichtet.

Hierfür weist das Fertigungssystem eine Maschinensteuerung auf. Die Maschinensteuerung ist zum Ansteuern und/oder Regeln von einzelnen Maschinenkomponenten der Prozessmaschine und/oder der Kühlvorrichtung ausgebildet. Die Maschinensteuerung kann an der Prozessmaschine angeordnet, insbesondere ausgebildet, sein. Die Maschinensteuerung ist darüber hinaus zum Durchführen, d.h. zum Lesen und Ausführen, des Steuerungsprogramms eingerichtet.

Die Maschinensteuerung ist vorzugsweise zum Ermitteln der auf die Maschinenkomponente einwirkenden Wärmeenergie eingerichtet. Hierdurch kann auf ein Übertragen des Steuerungsprogramms auf eine weitere Recheneinheit verzichtet werden. Zum Ermitteln der Wärmeenergie kann die Maschinensteuerung zum Auslesen eines Speichermediums und einem darauf gespeicherten Bearbeitungsdatensatz ausgebildet sein. Insbesondere kann die Maschinensteuerung zum Ermitteln der Wärmeenergie zur Interpolation zwischen den Daten des Bearbeitungsdatensatzes ausgebildet sein.

Die Maschinensteuerung weist vorzugsweise eine Datenschnittstelle zu der Kühlvorrichtung auf. Mittels der Datenschnittstelle können Anweisungen und/oder Daten zwischen der Maschinensteuerung und der Kühlvorrichtung ausgetauscht werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Maschinensteuerung eine ermittelte zu erwartende Wärmeenergie an die Kühlvorrichtung übermittelt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Fertigungssystems ist die Maschinensteuerung zum Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführungsvermögens des Kühlmediums eingerichtet. Hierdurch können wesentliche Verfahrensschritte durch die Maschinensteuerung durchgeführt werden, wodurch das Kühlverfahren schneller durchgeführt werden kann.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform des Fertigungssystems, bei der die Maschinensteuerung zum Steuern bzw. Vorkonditionieren der Kühlvorrichtung eingerichtet und/oder ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann die Maschinensteuerung zur Umsetzung von Steuerungsparametern an der Kühlvorrichtung ausgebildet sein. Hierdurch kann das Kühlverfahren besonders einfach auf verschiedene Kühlvorrichtungen angewendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Fertigungssystems ist die Kühlvorrichtung zur stufenlosen Steuerung einer Kälteleistung zwischen null und hundert Prozent ausgebildet. Hierdurch kann die Kühlvorrichtung besonders genau auf das erforderliche Wärmeabführvermögen vorkonditioniert werden.

Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform, bei der das Fertigungssystem zumindest ein steuerbares Proportionalventil zum fluidischen Trennen und/oder Zusammenführen von zumindest zwei Kältekreisläufen aufweist. Mit anderen Worten kann die Kühlvorrichtung neben der Steuerung einer internen Kältemaschine der Kühlvorrichtung ebenso steuerbare Komponenten im Kühlkreislauf aufweisen. Durch das Trennen und/oder Zusammenführen von Kältekreisläufen kann beispielsweise eine Vorlauftemperatur des Kühlkreislaufes vorkonditioniert werden. Mit anderen Worten kann eine Vermischung von Kältekreisen erfolgen, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen.

Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Fertigungssystems, bei der die Kühlvorrichtung zumindest zwei steuerbare Kältestufen, zumindest zwei Betriebsmodi, zumindest zwei Verdichter und/oder zumindest einen Freikühler aufweist. Die Verwendung von einer oder mehrerer zusätzlicher Komponenten der Kühlvorrichtung erhöht die Möglichkeiten zur Vorkonditionierung der Kühlvorrichtung in Abhängigkeit der erwarteten Wärmeenergie. Hierdurch kann energieeffiziente Betriebsweise sichergestellt werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung des Fertigungssystems ist die Kühlvorrichtung zum mehrstufigen Verdichten, Verdampfen und Verflüssigen des Kältemittels ausgebildet ist. Hierdurch kann das Wärmeabführvermögen des Kühlmediums erheblich gesteigert werden. Vorzugsweise weist das Fertigungssystem dabei Wasser als Kältemittel auf. Die Erfinder haben festgestellt, dass das Kühlverfahren bei Verwendung von Wasser besonders energieeffizient durchgeführt werden kann. Weiter bevorzugt ist die Kühlvorrichtung zum Durchführen eines Kältekreisprozesses im Grobvakuum ausgebildet. Hierdurch können verschiedene Betriebsmodi an der Kühlvorrichtung durchgeführt werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch dargestellt ein erfindungsgemäßes Kühlverfahren.

Fig. 2 zeigt ein Steuerungsprogramm bzw. einen Steuerplan zum Bearbeiten eines Werkstücks in Verbindung mit einem Wärmeabführungsplan.

Fig. 3 zeigt schematisch dargestellt ein Fertigungssystem mit einer Prozessmaschine, einer Kühlvorrichtung und einer Maschinensteuerung.

Fig. 1 zeigt schematisch dargestellt ein erfindungsgemäßes Kühlverfahren 10. Das Kühlverfahren 10 wird mit Verweis auf die Fign. 2 und 3 nachfolgend erläutert.

Das Kühlverfahren 10 ist zur Temperatursteuerung einer Kühlvorrichtung 16 (siehe Fig. 3) ausgebildet. Die Temperatursteuerung erfolgt unter Berücksichtigung einer Erwärmung von zumindest einer Maschinenkomponente 12 (siehe Fig. 3) einer Prozessmaschine 14 (siehe Fig. 3) - hier in Form einer Laserbearbeitungsmaschine.

Die Kühlung bzw. Wärmeabführung erfolgt während des Betriebs der Prozessmaschine 14, typischerweise während des Bearbeitens von zumindest einem Material (nicht gezeigt) durch die Prozessmaschine 14. Der Betrieb der Prozessmaschine 14, insbesondere der Bearbeitungsvorgang der Prozessmaschine 14 zum Bearbeiten des Materials ist in einem Steuerungsprogramm 18 (siehe Fig. 2) vorbestimmt. Das Steuerungsprogramm 18 wird beispielsweise vor einer Materialbearbeitung in einer Maschinensteuerung 20 (siehe Fig. 3) bereitgestellt. Das Steuerungsprogramm 18 kann, wie dargestellt, mehrere Bearbeitungsabschnitte 22a-h (siehe Fig. 2) aufweisen.

Das Kühlverfahren 10 weist zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.

In einem ersten Verfahrensschritt 24 ist ein Ermitteln einer auf die Maschinenkomponente 12 einwirkenden zu erwartenden Wärmeenergie bzw. Wärmemenge innerhalb eines zeitlichen Bearbeitungsabschnitts 22a-h des Steuerungsprogramms 18 vorgesehen. Die zu erwartende Wärmeenergie wird auf Grundlage einer innerhalb des entsprechenden Bearbeitungszeitraums 22a-h vorgesehenen Bearbeitungsleistung 26a-d (siehe Fig. 2) - hier einer Laserleistung - ermittelt. Mit anderen Worten kann das Steuerungsprogramm 18 in jedem Bearbeitungsabschnitt 22a-h die Materialbearbeitung mit einer unterschiedlichen Bearbeitungsleistung 26a-d vorsehen. In Abhängigkeit des jeweiligen Bearbeitungsabschnitts 22a-h kann sich die aus der Bearbeitungsleistung 26a-d resultierende Wärmeenergie, die auf die Maschinenkomponente 12 einwirkt, dynamisch ändern.

In einem weiteren Verfahrensschritt 28 ist ein Bestimmen eines erforderlichen Wärmeabführungsvermögens 30 (siehe Fig. 2) eines Kühlmediums (nicht gezeigt) zum Abführen der erwarteten Wärmeenergie vorgesehen. Typischerweise ist das Wärmeabführungsvermögen 30 an eine abzuführende Wärmeenergie anzupassen. Ist das Wärmeabführungsvermögen 30 des Kühlmediums zu groß, kann die Maschinenkomponente 12 zu stark gekühlt werden und/oder die Betriebsweise der Kühlvorrichtung 16 unwirtschaftlich werden. Ist das Wärmeabführungsvermögen 30 demgegenüber zu gering, kann es zum Überhitzen der Maschinenkomponente 12 und zu Fertigungsausfällen kommen. Ein weiterer Verfahrensschritt 32 sieht ein Vorkonditionieren der Kühlvorrichtung 16 mit zeitlichem Vorlauf vor, um das erforderliche Wärmeabführungsvermögen bis zum Einwirken der erwarteten Wärmeenergie auf die Maschinenkomponente 12 bereitzustellen. Mit anderen Worten wird das Wärmeabführungsvermögen 30 vorausschauend an einen zu erwartenden Wämeeintrag angepasst. Beispielsweise wird das Wärmeabführungsvermögen 30 erhöht oder gesenkt. Hierdurch kann eine Anpassung des Wärmeabführungsvermögens 30 als Reaktion auf eine eintretende Wärmeenergie verhindert werden, wodurch Temperaturschwankungen vermieden werden können.

Fig. 2 zeigt das Steuerungsprogramm 18 zum Bearbeiten eines Materials in Verbindung mit einem Wärmeabführungsplan 34.

Das Steuerungsprogramm 18 weist die Bearbeitungsabschnitte 22a-h auf. Die Bearbeitungsabschnitte 22a-h können zeitlich aufeinanderfolgend in dem Steuerungsprogramm 18 ausgebildet sein. Die Bearbeitungsabschnitte 22a-h können eine unterschiedliche zeitliche Dauer aufweisen. Benachbarte Bearbeitungsabschnitte 22a-h weisen typischerweise eine unterschiedliche Bearbeitungsleistung 26a-d auf, wobei die Bearbeitungsleistung 26a eine minimale Bearbeitungsleistung 26a und die Bearbeitungsleistung 26d eine maximale Bearbeitungsleistung 26d darstellt. Die minimale Bearbeitungsleistung 26a kann null Watt betragen.

Gemäß dem Steuerungsprogramm 18 kann vorgesehen sein, dass im zeitlichen Verlauf des Steuerungsprogramms 18 die Bearbeitungsleistung 26a im Bearbeitungsabschnitt 22a über die Bearbeitungsabschnitte 22b, 22c und 22d stufenweise auf die Bearbeitungsleistung 26b, 26c und 26d erhöht wird. Die Erhöhung der Bearbeitungsleistung 26a-d kann beispielsweise in Verbindung mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Lasers bei der Materialbearbeitung nötig sein. Des Weiteren kann anschließend vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsleistung 26a-d in dem Bearbeitungsabschnitt 22e auf die minimale Bearbeitungsleistung 26a gesenkt wird. Dies kann beispielsweise bei einem Positionswechsel des ausgeschalteten Lasers eintreten. Anschließend kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsleistung 26a-d in dem Bearbeitungsabschnitt 22f sprunghaft auf die maximale Bearbeitungsleistung 26d angehoben wird und in den nachfolgenden Bearbeitungsabschnitten 22g und 22h wieder stufenweise reduziert wird. Mit anderen Worten kann das Steuerungsprogramm 18 eine dynamische Änderung der Bearbeitungsleistung 26a-d bei der Materialbearbeitung vorsehen.

Das erfindungsgemäße Kühlverfahren 10 (siehe Fig. 1) ist zur Ermittlung des von der Änderung der Bearbeitungsleistung 26a-d abhängigen Wärmeeintrags, bzw. die auf die Maschinenkomponente 12 einwirkenden Wärmeenergie ausgebildet. Ferner kann das Kühlverfahren 10 zum Bestimmen des erforderlichen Wärmeabführvermögens 30 in dem jeweiligen Bearbeitungsabschnitt 22a-h ausgebildet sein.

Das für jeden Bearbeitungsabschnitt 22a-h bestimmte Wärmeabführvermögen 30 kann in dem gezeigten Wärmeabführungsplan 34 beispielhaft dargestellt werden.

Der Wärmeabführungsplan 34 kann einen Verlauf des Wärmeabführungsvermögens 30 bezogen auf einen, insbesondere alle, Bearbeitungsabschnitte 22a-h des Steuerungsprogramms 18 aufweisen. Der Wärmeabführungsplan 34 kann beispielsweise vor dem Beginn einer Materialbearbeitung erstellt werden. Der Wärmeabführungsplan 34 kann der Prozessmaschine 14 und/oder der Kühlvorrichtung 16, vorzugsweise durch die Maschinensteuerung 20, bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt wird der Wärmeabführungsplan 34 von der Maschinensteuerung 20 erstellt.

Das Wärmeabführungsvermögen 30 kann verschiedene Wärmeabführungsniveaus 36a-d aufweisen. Die Wärmeabführungsniveaus 36a-d sind abhängig von der Bearbeitungsleistung 26a-d. Die Wärmeabführungsniveaus 36a-d können einen Offset in Bezug auf die Bearbeitungsleistung 26a-d aufweisen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Wärmeabführungsniveaus 36a das Abführen von Wärmeenergie ermöglicht, obwohl eine korrelierende Bearbeitungsleistung 26a den Wert null Watt aufweist. Dies kann durch Maschinenkomponenten 12 bedingt sein, die trotz abgeschaltetem Laser gekühlt werden müssen. Beispielsweise im Fall einer Leistungselektronik der Prozessmaschine 14.

Aus der Änderung des Wärmeabführungsvermögens 30 gemäß dem Wärmeabführungsplan 34 ist ersichtlich, dass eine Anpassung des Wärmeabführungsvermögens 30 derart mit zeitlichem Vorlauf eingeleitet werden kann, dass das erforderliche Wärmeabführungsvermögen 30 bei Eintreten der durch die jeweilige Bearbeitungsleistung 26a-d bedingten Wärmeenergie bereitgestellt ist.

Beispielsweise kann das Wärmeabführungsvermögen 30 in dem Bearbeitungsabschnitt 22a angehoben werden, um das erforderliche Wärmeabführungsniveau 36b bei Änderung der Laserleitung 26a auf die Bearbeitungsleistung 26b bereitzustellen. Hierdurch kann ein Überhitzen der Maschinenkomponente 12 verhindert werden, bzw. eine Temperatur der Maschinenkomponente 12 trotz zusätzlichem Wärmeeintrag konstant gehalten werden.

Weiter beispielsweise kann das Wärmeabführungsvermögen 30 in dem Bearbeitungsabschnitt 22d vor einer Änderung der Bearbeitungsleistung 26d auf die Bearbeitungsleistung 26a verringert werden, insofern eine Überhitzung der Maschinenkomponente 12 in diesem Fall ausgeschlossen werden kann. Hierdurch kann eine energieeffiziente Betriebsweise ermöglicht werden.

Fig. 3 zeigt schematisch dargestellt ein Fertigungssystem 38 mit einer Prozessmaschine 14, einer Kühlvorrichtung 16 sowie einer Maschinensteuerung 20.

Die Prozessmaschine 14 kann mittels zumindest einem ersten Kühlkreislauf 40 fluidisch mit der Kühlvorrichtung 16 verbunden sein. Vorzugsweise weist das Fertigungssystem 38 einen weiteren Kühlkreislauf 42 auf, der zur weiteren Kühlung der Maschinenkomponente 12 ausgebildet ist. Die Prozessmaschine 14 kann eine Datenschnittstelle 44 zur Kommunikation mit der Kühlvorrichtung 16 aufweisen. Ferner weist die Maschinensteuerung 20 zumindest eine Datenschnittstelle 46 zu der Prozessmaschine 14 und eine Datenschnittstelle 48 zu der Kühlvorrichtung 16 auf.

Bezuqszeichenliste

Kühlverfahren 10;

Maschinenkomponente 12;

Prozessmaschine 14;

Kühlvorrichtung 16;

Steuerungsprogramm 18;

Maschinensteuerung 20;

Bearbeitungsabschnitt 22a-h;

Verfahrensschritt 24;

Bearbeitungsleistung 26a-d;

Verfahrensschritt 28;

Wärmeabführungsvermögens 30;

Verfahrensschritt 32;

Wärmeabführungsplan 34;

Wärmeabführungsniveau 36a-d;

Fertigungssystem 38;

Kühlkreislauf 40;

Kühlkreislauf 42;

Datenschnittstelle 44;

Datenschnittstelle 46;

Datenschnittstelle 48.