Modellazione e analisi del consumo energetico di una macchina utensile e ottimizzazione delle condizioni di taglio

Strategies to reduce energy demand in manufacturing processes are becoming necessary due to the growing concern of carbon emissions and the expected rise of electricity prices. A reliable prediction of unit processes energy consumption will enable industry to develop potential energy saving strategies. Improving energy efficiency of manufacturing processes requires knowledge about the energy consumption as a function of machine tool components and cutting process itself. This work would provide tools for the prediction of the energy consumption from the machine tool’s point of view. First of all, a new methodology to describe the energy states consumption of the machine using automata is presented. Secondly, a model to describe analytically the energy consumption for a face milling operation is proposed. The original contribution of this work is suggesting a minimum energy criterion developing a methodology for selection of optimum cutting conditions, considering tool wear and Joule losses. The work discusses the conflict and synergy between time and environmental consideration as well as the effect of system boundaries in determining the optimum. This timely research illustrates how the energy intensity and energy cost of a machined component can be minimized and hence reducing carbon dioxide emissions.

L’incremento delle emissioni di anidride carbonica e del prezzo atteso dell’elettricità richiede lo sviluppo di strategie per ridurre il consumo energetico nei processi produttivi. Una previsione affidabile del consumo energetico consentirà all’industria di sviluppare potenziali piani di risparmio energetico. Migliorare l’efficienza energetica richiede un processo di conoscenza dei consumi in funzione dei componenti delle macchine utensili e del processo di taglio stesso. Il lavoro di tesi si inserisce in questo contesto con l’obiettivo di fornire strumenti per la predizione del consumo di energia dal punto di vista della macchina utensile. Prima di tutto si presenta un nuovo approccio per la modellazione degli stati di una macchina dal punto di vista energetico utilizzando gli automi. Secondariamente, si propone un modello per descrivere analiticamente il consumo durante un’operazione di spianatura. Infine si propone il criterio di minima energia in un modello per la selezione delle condizioni di taglio ottime, tenendo conto dell’usura degli utensili e delle perdite. Vengono discussi i conflitti e le sinergie del criterio proposto con quelli presenti in letteratura, nonché l’effetto dei confini del sistema nel determinare l’ottimo. Questa ricerca ha permesso di minimizzare sia il consumo e il costo energetico durante le fasi di lavorazione, sia le emissioni di anidride carbonica.