Lineartechnik Der Systemgedanke bewegt die Lineartechnik

Autor: Stefanie Michel

Industrie 4.0 oder Werkzeugmaschinen ohne Lineartechnik sind unvorstellbar. Lineare Bewegungen sind in der Produktion essenziell. Zusammengefasste Trends und Ausblicke zeigen, was Hersteller bewegt und was sie auf der Motek 2015 anbieten.

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Keine automatisierte Produktion ohne Lineartechnik: Schon heute benötigen viele Prozesse Linearsysteme mit Zubehör wie Messsystemen oder integrierten Sensoren.
Keine automatisierte Produktion ohne Lineartechnik: Schon heute benötigen viele Prozesse Linearsysteme mit Zubehör wie Messsystemen oder integrierten Sensoren.
(Bild: Stefanie Michel)

Die Bedeutung der Lineartechnik lässt sich leicht fassen: Ohne sie läuft kaum eine Produktion. Man findet Linearsysteme bei der Materialzuführung, in Werkzeug-, Mess- und Spritzgussmaschinen, in Pressen, in 3D-Druckern und am Ende auch in den Verpackungsmaschinen. Die Hauptabnehmer finden sich bei Werkzeugmaschinen, in der Robotik, aber auch in der Automatisierung, der Automobilindustrie und der Medizintechnik. Doch so unterschiedlich wie die Einsatzgebiete, so verschieden sind auch die Anforderungen an die Systeme und Komponenten. Unbestritten ist die Lineartechnik allerdings eine der großen Säulen der Fabrikautomation und somit auch aus einer Industrie 4.0 nicht wegzudenken.

Im Hinblick auf die Motek 2015 lohnt es sich, die Lineartechnik in den Mittelpunkt zu rücken und einen Überblick zu schaffen über Trends und neue Entwicklungen.

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Die Komponente als Basis für einbaufertige Achsen

Gerade in Deutschland kommen einige der großen Lineartechnik-Hersteller wie Bosch Rexroth, Schaeffler und SKF von der Komponente – in der Regel vom Wälzlager beziehungsweise vom Wälzkörper. Um wettbewerbsfähig zu sein und dennoch Komplettlösungen aus einer Hand liefern zu können, bieten sie Baukästen mit Subsystemen oder kompletten einbaufertigen Achsen an – ohne ihre Basis zu vernachlässigen. Henning Dombek, Leiter des Fachbereichs Systemlösungen in der Lineartechnik bei Schaeffler Technologies, stellt klar: „Wir kommen von der Komponente und würden diese auch nie aufgeben. Das ist für uns die Basis unserer Produktpyramide.“ Vorkonfigurierte Linearachsen bieten sich je nach Anwendung an, weil sie den Engineeringaufwand auf wenige Schritte verkürzen.

Neben Komponenten und Systemlösungen haben die Anbieter oft selbst entwickeltes Zubehör im Programm. Darunter sind eigene Schmiersysteme, Spezialdichtungen oder verschiedene Antriebe. Bei Bosch Rexroth sind beispielsweise auch Steuerungen und Elektromotoren aus dem eigenen Haus erhältlich, während andere Anbieter Motoren gängiger Hersteller nach Kundenwunsch einbauen.

Leichtbau nicht nur mit Aluminiumführungen umsetzen

Je nach Anforderung werden die Linearsysteme aus Stahl, Aluminium oder Grauguss aufgebaut, in Spezialfällen auch mit Teilen aus Carbon, wie die Föhrenbach GmbH angibt. Dennoch werden Leichtbauanforderungen im Detail unterschiedlich realisiert. Natürlich kommen in diesen Fällen häufig Aluminiumgrundkörper zum Einsatz, aber es gibt auch andere Ansätze. „Anwender können aufgrund der gesteigerten Leistungsdaten von Rexroth-Linearprodukten oft kleinere und kompaktere Komponenten einsetzen und somit beim Gewicht und Energieverbrauch sparen“, erklärt Stefan Schmitz, technischer Leiter Lineartechnik bei Bosch Rexroth. Denn Leichtbau wirkt sich nicht nur auf Dynamik und Geschwindigkeit aus, sondern auch ganz entscheidend auf die Energieeffizienz eines Systems.

Schaeffler versucht bereits die Profile selbst zu optimieren. Dietmar Rudy, Leiter Produktentwicklung Lineartechnik bei Schaeffler: „Wir können mithilfe unserer Berechnungstools Gewicht sparen, indem wir gezielt Gewicht dort wegnehmen, wo kein Kraft- beziehungsweise Spannungsverlauf im Material stattfindet. Dort wo er stattfindet, kann man auch mit optimiertem Stahl noch einen Schritt weiterkommen.“ Den Einsatz von Carbon versucht man aus Kostengründen zu umgehen.

Schmier- und wartungsfreie Linearführungen

Einen anderen Weg geht Igus mit seinen unter dem Namen „Drylin“ erhältlichen schmier- und wartungsfreien Linearführungen, die auf Gleitelementen basieren. Besonders die W-Serie steht als großes Baukastensystem zur Verfügung, aus dem sich Konstrukteure ihre Führungen selbst zusammenstellen können. Dieses kostengünstige, vorkonfektionierte System umfasst unterschiedliche Schienenprofile und Schlittenvarianten. Auch hier ist Aluminium das Standardmaterial für die Schienen – allerdings nicht allein wegen des Gewichts, sondern weil es die besten Reibwerte in Kombination mit den Kunststoffen als Gegenlaufpartnern hat. Muss es besonders leicht und dennoch sehr steif sein, dann bietet der Kunststoffspezialist jetzt auch eine Carbon-Führung bis zu
2000 mm Hub an. Stefan Niermann, Leiter des Geschäftsbereichs Drylin Linear- und Antriebstechnik bei Igus: „Hierbei ist nicht nur das Trägermaterial aus CFK, sondern die komplette Schiene, wodurch das System aus Schiene und Schlitten im Vergleich zu einer Aluminiumschiene bis zu 40 % leichter ist.“

Viele Anwendungen erfordern jedoch nicht nur leichte, sondern auch dynamische, leistungsfähige Systeme. Bei Igus steht in diesem Zusammenhang natürlich die Weiterentwicklung der Hochleistungskunststoffe im Mittelpunkt. So konnte beispielsweise mit dem Werkstoff Iglidur E7 die Lebensdauer der Linearführung beim Gegenlaufpartner Stahl um den Faktor 3 bis 8 erhöht werden.

Höhere Leistungen und Dynamik ins Linearsystem bringen

Um höhere Geschwindigkeiten kostengünstig zu realisieren, hat Schaeffler die High-Speed-Kugelumlaufeinheit Kuve-B-HS entwickelt, die ohne Keramikkugeln eine Geschwindigkeit von 10 m/s fahren kann. Solche Systeme setzt das Unternehmen unter anderem in Hochgeschwindigkeitsachsen aus dem eigenen Haus ein. In Richtung höherer Leistungsdichte auf kleinem Bauraum geht die Entwicklung des Planetenwälzgewinde-Triebes (PWG). Damit einem solchen smarten Aktor kann man Aufgaben umsetzen, für die sonst drei oder vier Aktoren nötig waren. Eine höhere Leistung erreicht Bosch Rexroth mit der High-Precision-Technologie für Kugel- und Rollenschienenführungen. Sie steigert die dynamischen Tragzahlen der Kugelschienen-Führungswagen BSHP um etwa 26 %, die statischen Tragzahlen um bis zu 50 %. Damit kann die Lebensdauer der Kugelschienenführungen im Vergleich zur bisherigen Technik zum Teil verdoppelt werden, so Stefan Schmitz, technischer Leiter Lineartechnik bei Bosch Rexroth.

Linearachsen als Teil einer Industrie-4.0-Umgebung

Leichtbau ist jedoch nicht der einzige Trend, auf den die Anbieter reagieren (müssen). Vor allem für Schaeffl­er und Bosch Rexroth spielt das Thema Industrie 4.0 eine große Rolle – sowohl in der Umsetzung beim Kunden als auch in der eigenen Produktentwicklung. „In Verbindung mit unserer Antriebs- und Steuerungstechnik können wir die Linearachsen schon heute im Industrie-4.0-Umfeld einbetten“, erklärt Schmitz. Das reicht von Inbetriebnahme- und Wartungs-Apps bis hin zur Möglichkeit, Linearachsen in Echtzeit über Smart Devices zu programmieren oder zu bedienen. Auf der Motek zeigt Bosch Rexroth außerdem konkrete Lösungen, mit denen Hersteller und Betreiber von Maschinen von einer vernetzten Produktion profitieren können: ob ein digitales Großformat-Board für die Visualisierung von Prozessdaten in Echtzeit, adaptive und ergonomisch ausgerichtete manuelle Produktionssysteme oder die Vernetzung von Automatisierungskomponenten mit IT-Technik.

Schaeffler hingegen stellt zum einen über Schwingungsmesssysteme den Zustand einer Maschine dar. Zum anderen arbeitet das Unternehmen an einer adaptiven Schmierung; eine Rollenumlaufeinheit beispielsweise holt sich also die Schmierstoffmenge, die sie braucht. Das funktioniert über einen Sensor im Führungswagen, der Mikroschwingungen aufnehmen kann, über die sich Rückschlüsse auf den Schmierzustand ziehen lassen. Was wie ein erweitertes Schmiersystem klingt, kann mehr: Über die Auswertung der Schmierintervalle kann auf die Gebrauchsdauer der Führung geschlossen werden. Je kürzer die Intervalle, desto kürzer ist noch die Lebensdauer. Dombek: „Das Interessante daran ist, dass wir von geplanten Lastzyklen nun zu Ist-Lastzyklen kommen.“

Messsystem in Linearführung erkennt nach Einschalten die Position

Für beide Unternehmen ist Industrie 4.0 ein wichtiger, aber nicht der einzige Trend. Beispielsweise werden Komponenten immer intelligenter, wie es bereits heute Linearführungen mit intelligenten Messsystemen zeigen. Bosch Rexroth stellt nächstes Jahr eine Absolut-Variante zur Verfügung, die gleich nach dem Einschalten die exakte Position erkennt. Nach einem Stromausfall oder einer Störung entfällt somit die Referenzfahrt und die Maschine kann direkt weiterproduzieren. Dieses Messsystem für Kugel- und Rollenschienenführungen ist ebenfalls ein Highlight auf der Motek. Dass nicht nur die Themen Vernetzung und Digitalisierung im Vordergrund stehen, zeigt auch Schaeffler bei seinem Messeauftritt. Unter dem Motto „Von der Komponente zum System“ stellt man hier anhand von Beispielen vor, was Schaeffler in der Lineartechnik antreibt: hohe Leistung, wartungsarme und robuste Systeme sowie einfache Installation und Nutzung, auch bei digitalen Systemen.

Ähnlich sieht das auch Föhrenbach. Das Unternehmen stellt auf der Motek ebenfalls Systeme vor, die einfach und schneller in Betrieb zu nehmen sind. So hat man beispielsweise die bereits seit Jahren erhältlichen Rundtische der Baureihe RT2A als Plug-and-play-Lösung konzipiert, sodass sie ab sofort inklusive Servomotor und vorkonfigurierter Steuerung verfügbar sind. Zudem setzt der Hersteller von Positioniersystemen auf noch genauere und schnellere Systeme. Je nach Kundenanforderung kann er mit neuen Profilführungsschlitten mit entsprechenden Messsystemen im Bereich bis 0,5 µm positionieren. Die selbst entwickelten Linearmotoren sind an die Anwendungen angepasst und erlauben standardmäßig Geschwindigkeiten bis zu 3 m/s, mit Keramikwälzkörpern sind auch bis 10 m/s möglich. Zudem unterstützen sie gleichzeitig die hohe Positioniergenauigkeit, da keine Einflüsse durch Getriebespiel, Zahnriemendehnung, Wellentorsion oder Resonanz auftreten können.

Kosten sparen: beim System oder ​bei den Lebenszykluskosten?

Andererseits benötigen nicht alle Anwendungen höchste Genauigkeit, Geschwindigkeit oder Leistung. Wird gezielt nach günstigen Lösungen gesucht oder werden Systeme nach Kostengesichtspunkten analysiert, bieten die Hersteller unterschiedliche Unterstützung an. Igus hat sich grundsätzlich das Ziel gesetzt, mit seinen Entwicklungen beim Kunden die Kosten zu senken: schmierfreie Führungen, einbaufertige Antriebe oder einfache Motorsteuerungen unterstreichen dies. Föhrenbach bietet beispielsweise Linearsysteme an, die speziell nach diesen Gesichtspunkten für den Kunden entwickelt werden.

Bosch Rexroth und Schaeffler hingegen legen Wert darauf, dass sie die Gesamtkosten und den Gesamtnutzen betrachten. Stefan Schmitz stellt klar: „Ziel ist es, Kosten sowohl für den Maschinenhersteller im Engineering-Prozess als auch für den Maschinenbetreiber im anschießenden Betrieb zu reduzieren.“ Wichtige Faktoren sind hierbei eine hohe Energieeffizienz und wartungsarme beziehungsweise wartungsfreie Systeme. Als Beispiel nennt Schmitz die Rollenschienenführungen RSHP mit einem neuen Universalschmierkonzept, das die Schmierintervalle um rund 20 % verlängert. Auch Dombek weist darauf hin: „Wir sind zwar technologiegetrieben, aber alle unsere Entwicklungen werden wertanalytisch betrachtet. Uns geht es immer darum, das Optimum an Preis-Leistung zu erreichen, aber nie darum, der billigste zu sein.“

Lineartechnik-Baukasten bietet Freiheit beim Konstruieren

Angesichts seiner völlig anderen Ausrichtung setzt Igus in der Weiterentwicklung seiner Lineartechnik auch andere Schwerpunkte. Im Vordergrund steht die Freiheit in der Konstruktion – aber möglichst aus dem Baukasten heraus und vor allem online. Niermann: „Gerade in der Vielzahl der Anwendungen, in denen Lineartechnik eingesetzt wird – vom Maschinenbau über den Rollstuhl bis hin zum Kaffeeautomaten – ist das entscheidend.“ Das treibt auch die Entwicklungen bei Igus an, um am Ende nicht nur standardisierte Produkte anzubieten, sondern dem Konstrukteur auch die Wahl zu lassen, welche Komponenten er für seine Anwendung nutzen will. „Daher arbeiten wir daran, das Baukastenprinzip weiter auszubauen und die einzelnen „Schubladen“ weiter zu entwickeln“, so Niermann. Das spiegelt sich auch bei den Ausstellungshighlights auf der Motek wider. Für raue Einsatzbedingungen stellt Igus einen Heavy-Duty-Schlitten der T-Serie mit individueller Spieleinstellung vor. Er ist hoch belastbar und benötigt keine externen Schmiermittel. Neben der bereits erwähnten Carbonführung sind darüber hinaus die gebogenen Drylin-Schienen für gebogene Verfahrwege zu sehen. Hierfür sind angepasste Schlitten erhältlich, die ohne Verkanten und Verklemmen um die Kurve fahren.

Was Linearsysteme in der Zukunft können sollen? Kompakt, genau, smart und auch flexibel integrierbar in die Kommunikationsebenen der Fertigung, sagen die einen, Nutzung direkt aus dem Baukasten für den schnellen Einbau, sagen die anderen. Doch in einem Punkt sind sich viele Anbieter einig: Die Linearsysteme müssen einfach zu konfigurieren und einfach zu installieren sein – kundenfreundlich eben. Föhrenbach und Schaeffler sprechen von Plug-and-play-Lösungen, Igus und Bosch Rexroth setzen auf Online-Tools zur Auswahl und Konfiguration. Intelligenz in den Systemen und höhere Leistungen bleiben aus technischer Hinsicht weiterhin wichtige Themen. Einen breiteren Einblick in die unterschiedlichen Systeme und Komponenten können sich Interessenten hierbei auf der Motek verschaffen. MM

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt