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Antriebssysteme Der wirtschaftlichste Antrieb überzeugt

| Autor: Stefanie Michel

Es tropft kein Öl mehr bei der Industriehydraulik. Das war früher, heute ist man gerüstet, um der „sauberen“ Elektromechanik entgegenzutreten. Ein Vergleich zwischen den Antriebssystemen zeigt: Effizienz ist nicht alles, aber der Endkunde erwartet hohe Produktivität und Wirtschaftlichkeit.

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Spritzgussmaschinen sind ein typisches Anwendungsfeld von Industriehydraulik. Doch der Trend zur Elektrifizierung macht auch hier nicht halt.
Spritzgussmaschinen sind ein typisches Anwendungsfeld von Industriehydraulik. Doch der Trend zur Elektrifizierung macht auch hier nicht halt.
(Bild: Stefanie Michel)
  • Von Hydraulik auf Elektromechanik wechseln: Damit treiben Hersteller von elektromechanischen Aktuatoren die Hydrauliker vor sich her und werben mit höherer Energieeffizienz.
  • Beim Endanwender steht jedoch nicht die Effizienz einer Maschine, sondern deren Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt. Er wählt meist nach dem Motto: „höher, schneller, weiter“.
  • Stellt man hydraulische und elektromechanische Systeme für Produktionsmaschinen gegenüber, wird klar: Die Vorurteile lassen sich ausräumen und die Vorteile beider Systeme bestens nutzen.

Nein, es gibt nicht „den“ besten Antrieb – schon gar nicht, wenn es um die Frage geht, ob man elektromechanische oder hydraulische Antriebe in Produktionsmaschinen einsetzen soll. Auch wenn gerade die Hersteller rein elektromechanischer Lösungen diese seit Langem geführte Diskussion immer wieder anfachen, ist die Entscheidung deutlich schwieriger. Was ist energieeffizienter? Was ist präziser? Und was ist vielleicht einfacher zu installieren oder zu warten? Pauschale Antworten sind nicht möglich, da sowohl die Anwendung als auch die Auslegung der Maschine betrachtet werden müssen. Ja, diese Aussage konnte man schon häufig lesen; deshalb wollen wir hier die Argumente der Hersteller für oder gegen ein System überprüfen und auch Maschinenbauer zu Wort kommen lassen.

Gerne argumentieren Hersteller elektromechanischer Aktuatoren mit der höheren Energieeffizienz ihrer Systeme, weil die Verluste im Motor und die Reibung im Gewindetrieb überschaubar und berechenbar sind. Der Hersteller Ewellix nutzt in diesem Zusammenhang häufig die Ergebnisse einer Studie vom Schweizerschen Bundesamt für Energie, die besagt, dass ein Hydrauliksystem nur 44 %, ein elektromechanischer Aktuator aber 80 % seiner Eingangsleistung überträgt. Die Studie ist zwar über 10 Jahre alt, aber sie handle gerade von den alten Maschinen, die Ewellix heute ersetzen möchte, so Produktmanager Marcus Hertlein-Gaedicke.

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Energieeffizienz der Systeme ist nicht einfach vergleichbar

Die genannten Zahlen sind plakativ, lassen sich aber, bezogen auf eine konkrete Anwendung, wissenschaftlich nur schwer belegen. Tobias Radermacher, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für mechatronischen Maschinenbau der TU Dresden, beschäftigt sich seit einigen Jahren mit der Energieeffizienz elektrischer, hydraulischer und pneumatischer Systeme. Er stimmt zu, dass im elektromechanischen Antrieb weniger Verlust vorhanden ist. Allerdings gibt er zu bedenken, dass weitere Verluste wie die des Umrichters hinzukommen, weil man den kompletten Antriebsstrang betrachten muss. Bei hydraulischen Antrieben sei es nochmals komplizierter, da es unterschiedliche Systeme gebe: So würde bei einem Konstantdrucksystem beispielsweise für Druckgussmaschinen eine maximale Dynamik einem hohen Energieverbrauch gegenüberstehen, während die Servohydraulik auf effiziente Weise langsam und präzise positionieren kann. Hinzu kommt ein Vorteil, auf den Axel Binner, Geschäftsführer des Hydraulikexperten Hydropa, hinweist: „Sie können mit einem Aggregat, einem Elektromotor und einer Pumpe fünf bis sechs Verbraucher in einer Maschine antreiben. Damit habe ich also einen Elektromotor und in der Maschine fünf bis sechs Zylinder. Würde ich diese Zylinder jeweils durch einen elektromechanischen Antrieb ersetzen, bräuchte ich wesentlich mehr Bauraum.“ Ob das dann effizienter ist, sei dahingestellt; teurer in der Anschaffung wäre es.

Die Argumentation hinsichtlich der höheren Energieeffizienz scheint ohnehin nicht auf die hauptsächlichen Bedarfe der Kunden zu zielen. Aus seiner Erfahrung weiß Binner, dass beim Retrofit bestehender Anlagen fast ausschließlich die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund steht. Bei Neuanlagen ist das zwar etwas anders, aber auch hier entscheidet sich der Endkunde aus wirtschaftlichen Gründen für die Maschine.

Was zählt, sind Stückkosten und Amortisationszeiten

Wichtige Kriterien für eine Maschine sind: Welche Produkte sollen aus welchem Material in welcher Menge produziert werden? Natürlich ist die Effizienz auch Teil der Wirtschaftlichkeit, doch am Ende zählt, ob sich die Maschine in zwei oder drei Jahren amortisiert. Guido Frohnhaus, Geschäftsführer Technik bei Arburg, bestätigt: „Letztendlich sind die Stückkosten und die Amortisationszeiten die entscheidenden Größen bei der Auswahl der Maschinentechnik und der Auslegung der Maschine.“ Einen konkreten Wunsch nach Elektromechanik oder Hydraulik hätten einige Kunden, andere aber nicht. Die Bandbreite reicht von der reinen Kenntnis des zu fertigenden Bauteils bis hin zu genauen Vorstellungen hinsichtlich Technik, Verfahren und Automatisierungsgrad der Maschine. Um schließlich die wirtschaftlichste Maschinentechnik für die jeweilige Anwendung zu finden, bietet Arburg beispielsweise neben der persönlichen Beratung einen Wirtschaftlichkeitsrechner und die App „MachineFinder“ auf dem Kundenportal „arburgXworld“ an, die alle wichtigen Produktionsparameter berücksichtigen.

Welcher Antrieb ist der beste?

Hydraulisch oder elektromechanisch? Welcher Antrieb der „beste“ oder der effizienteste ist, lässt sich nicht so einfach klären. Der MM Maschinenmarkt hat gemeinsam mit dem Fachmagazin Konstruktionspraxis je einen Hersteller sowie einen objektiven Forscher zu einem hitzigen Gespräch zusammengebracht, um Fakten zu klären und die Argumente jeder Seite zu hören.

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Einfacheres System mit einfacherer Wartung?

Die Hydraulik hat jedoch noch mit weiteren Vorurteilen zu kämpfen. Um zukunftsfähig zu sein, muss sie sich in die Fabrikautomation integrieren und kommunikationsfähig sein. Die Elektromechanik proklamiert für sich, das einfachere System hierfür liefern zu können. Da keine zusätzlichen Steuerventile oder weiteres Zubehör benötigt werden, lassen sich elektromechanische Aktuatoren ganz einfach in die elektronische Steuerung einer Maschine integrieren. Auch für das Handling von Zustandsdaten ist laut Hertlein-Gaedicke kein Mehraufwand nötig, denn der Elektromotor kann bereits Daten wie Motorstrom, Temperatur oder Position liefern. Daraus lassen sich für die Elektromechanik schnell Rückschlüsse ziehen. „Bei gleichbleibender Arbeit und steigendem Motorstrom kann man davon ausgehen, dass an der Mechanik ein Problem vorliegt“, so Hertlein-Gaedicke.

Was das Gewinnen der Daten angeht, unterscheidet sich die Hydraulik jedoch nicht wesentlich von der Elektromechanik. Allerdings ist ein direkter Rückschluss auf ein mögliches Problem schwieriger, weil bei der Hydraulik nicht dort bewegt wird, wo auch der Motor sitzt. Dennoch lassen sich auch hier über intelligente Ventile oder Pumpen genügend Daten erzeugen, um Aussagen über den Anlagenzustand zu treffen – laut Binner mehr, als überhaupt nachgefragt wird. Was den Endanwender jedoch am Ende interessiert, ist die Frage nach der Wartung. Da sieht Binner die Hydraulik im Vorteil, denn meist beschränkte sich das auf das Austauschen einer Dichtung. Elektrische Maschinen hätten zwar weniger Verschleißteile, aber wenn beispielsweise die Spindel getauscht werden muss, wird es aufwendig.

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Jede Antriebsvariante hat ihre Vorteile

Guido Frohnhaus: „Letztendlich sind die Stückkosten und die Amortisationszeiten die entscheidenden Größen bei der Auswahl der Maschinentechnik und der Auslegung der Maschine.“
Guido Frohnhaus: „Letztendlich sind die Stückkosten und die Amortisationszeiten die entscheidenden Größen bei der Auswahl der Maschinentechnik und der Auslegung der Maschine.“
( Bild: Arburg )

Der Maschinenbauer Arburg stellt Spritzgussmaschinen her und nutzt dafür sowohl hydraulische und hybride als auch elektrische Antriebe. Wir haben mit dem technischen Geschäftsführer Guido Frohnhaus über die Gründe dafür gesprochen.

Warum bietet Arburg komplett hydraulische und elektrische als auch hybride Maschinen an?

Einsatzfelder, Branchen und Verfahren sind von ausschlaggebender Bedeutung für die jeweilige Verwendung von hydraulischen, hybriden oder elektrischen Spritzgießmaschinen. Jede dieser Antriebsvarianten hat je nach Produkt und Anwendung ihre Vorteile.

Wann setzen Sie welche der Antriebe ein?

Hydraulische Spritzgießmaschinen sind sehr vielfältig und für alle Spritzgießverfahren einsetzbar. Unser Angebot an hydraulischen Maschinen hat nicht nur eine große Bandbreite an Baugrößen. Neben horizontalen Maschinen bieten wir auch ein sehr großes Spektrum an Vertikalmaschinen. Unsere hybride Hidrive-Spritzgießmaschinen sind für Höchstleistungen in der Thermoplastverarbeitung ausgelegt. Sie verbinden elektrische Schnelligkeit und Präzision auf der Schließseite mit hydraulischer Kraft und Dynamik auf der Einspritzseite. Die Konzepte unserer elektrischen Spritzgießmaschinen sind leistungsorientiert und kosteneffizient zugleich. Das Angebot reicht hier vom standardisierten Einstiegsmodell bis zur hochpräzisen, individuell anpassbaren Maschinenreihe.

Was sind aus Ihrer Sicht die Vorteile der unterschiedlichen Systeme?

Wer Präzision und hohe Leistungsfähigkeit verbinden will, braucht eine hybride Maschine. Wer variable Einsatzmöglichkeiten und ein breites Leistungs- und Ausstattungsspektrum benötigt, wird im hydraulischen Maschinensegment fündig. Und wer schließlich höchste Präzision mit geringen Emissionen und energieeffizienten Antrieben kombinieren möchte, arbeitet mit unseren elektrischen Maschinen.

Elektrische Antriebe liegen im Trend

Der Trend geht in Richtung elektrischer Antriebe - das bestätigen sowohl Hersteller als auch Maschinenbauer. Der Werkzeugmaschinenhersteller Grob hatte auf der AMB 2010 erstmals ein hydraulikfreies Bearbeitungszentrum vorgestellt und dieses Angebot seitdem stetig ausgebaut: vom Palettenwechsler über Spannsysteme bis hin zu Rundtischen. Auch Hersteller von Spritzgussmaschinen nutzen inzwischen zunehmend elektromechanische Systeme – entweder für rein elektrische Maschinen oder Hybridmaschinen. „Bei unseren elektrischen Maschinen liegt der wertmäßige Anteil am Auftragseingang (auf Euro-Basis) bei über 30 %“, berichtet Frohnhaus für die Situation bei Arburg. Hinzu kommen die hybriden Maschinen, sodass bei Arburg der Anteil von Maschinen mit elektrischem Antrieb bereits bei rund 50 % liegt. Auf diesen Trend muss die Hydraulik reagieren und ähnlich einfach zu installieren und nutzbar sein oder ähnlich kommunikationsfähig sein.

Dr. Steffen Haack, Geschäftsleiter der Business Unit Industrial Hydraulics bei Bosch Rexroth, ist sich dieser Aufgabe bewusst. „Wenn es um Hydraulik geht, reden viele über die ‚schweren Dinge‘ wie Öl oder Guss. Wir müssen hier auf die nächste Stufe kommen. Für uns heißt das, Elektronik dazunehmen und Verbindungen schaffen.“ Daraus ist bei Bosch Rexroth „Connected Hydraulics“ geworden, um auf die technologischen Treiber wie Konnektivität, Datenhandling, Energieeffizienz und Elektromechanik zu reagieren.

Voneinander lernen treibt Systeme voran

Die Hersteller von Industriehydraulik, die eher die „stillen Maschinenbauer“ aus dem Sondermaschinenbau sind, lernen also von der Elektromechanik – beispielsweise die einfache Inbetriebnahme. Wie Radermacher erklärt, wäre man bei den Plug-and-run-Fähigkeiten nicht so weit, wenn die Elektromechanik nicht vorgelegt hätte. Für Haack spielen in diesem Zusammenhang einbaufertige Module wie servohydraulische Achsen mit eigenem Fluidkreislauf und drehzahlgeregeltem Pumpenantrieb eine große Rolle: Nur wenige Konstrukteure und Ingenieure haben sich in ihrer Ausbildung viel mit Hydraulik beschäftigt. Sie kennen elektrische Systeme und daran orientiert sich Bosch Rexroth mit den Plug-and-produce-Modulen, die lediglich mit Strom versorgt und an die Führungskommunikation angeschlossen werden müssen. Auch bei Hydropa sind solche Lösungen möglich.

Die Maschinenbauer haben bereits verstanden: Jedes System hat seine Vorteile, die sie in ihren Anlagen nutzen – auch kombiniert in Hybridmaschinen. Deshalb haben Hydraulik und Elektromechanik auch in Zukunft ihre Daseinsberechtigung, um am Ende dem Kunden das energetisch und wirtschaftlich optimale System liefern zu können.

Live-Webinar: Wann lohnt sich ein Wechsel auf elektromechanische Antriebe?

Im Webinar am 08.10.2020 um 10:00 Uhr erfahren Sie unter anderem welche Parameter für einen Wechsel zu Elektromechanik entscheidend sind, warum Sie bei einem Wechsel Kosten einsparen können und für welche Anwendungen der elektromechanische Antrieb geeignet ist.

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt