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Antriebsinnovationen Smarte Motorschieber mit Kraft und Umweltschon-Effekt

| Autor / Redakteur: Birgit Fuchs / Peter Königsreuther

Wumo hat mit dem E-Motorschieber der GSG-Baureihe eine ressourcen- und umweltschonende Antriebsalternative zur Hydraulik entwickelt, die nicht nur für den Werkzeug- und Formenbau interessant ist...

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E-Blockzylinder können hydraulische Varianten ersetzen. Das beweist Wumo Control Works mit diesem Produkt. Damit, betont das Unternehmen, leistet man auch einen guten Beitrag zur Dekarbonisierung.
E-Blockzylinder können hydraulische Varianten ersetzen. Das beweist Wumo Control Works mit diesem Produkt. Damit, betont das Unternehmen, leistet man auch einen guten Beitrag zur Dekarbonisierung.
(Bild: Chimerical)

Hydraulische Schieber sind eine Sonderform hydraulischer Zylinder. Sie wurden für besondere Einsatzbedingungen im Formenbau und der Verpackungsmaschinenindustrie, entwickelt. Sie sind oft dort zu finden, wo eine hohe Axialkraft benötigt wird, die in vielen Einsatzfällen nicht mittig zur Wirkung gebracht werden kann. Ihre Besonderheit besteht darin, dass sie im Gegensatz zu hydraulischen Zylindern auch Querkräfte, Biegemomente und sogar Drehmomente aufnehmen können. Selbst unter diesen ungewöhnlichen Belastungsarten funktionieren sie sicher. Die in den meisten Anwendungen erforderlichen Führungen sind im Schieber direkt mit dem hydraulischen Zylinder verbaut. Das macht die Systeme kompakt, weshalb sie sich im Formenbau und in der Verpackungsindustrie bewährt haben. Doch Künstliche Intelligenz (KI) in Kombination mit Industrie 4.0 und die damit verbundene Digitalisierung in den Fabrikhallen, wird auch in der Antriebstechnik für industrielle Prozesse, zukünftig Veränderungen bewirken. Und die Weiterentwicklungen in der Motoren- und Antriebstechnik erlauben heute den Betrieb elektromechanischer Aktoren in der gleichen kompakten Bauform, mit der die oben beschriebenen hydraulischen Schieber überzeugen. Je nach Bauart erreichen sie Kräfte von 1 bis 10 t.

Angeboten werden die E-Schieber als komplettes Antriebssystem, bestehend aus E-Schieber und elektronischer Reglereinheit. So sie autark betrieben, oder von einer übergeordneten SPS angesteuert werden. Gesteuert werden Hub, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Kraft. Die entsprechenden Schnittstellen (Profinet, Profibus, IO-Link, et cetera) können flexibel auf die Kundenanforderungen zugeschnitten werden. Möchte der Anwender die E-Schieber in Anlagen mit bestehenden Reglern integrieren, funktioniert das System auch nur mit dem elektromechanischen Antrieb und wird eben ohne Reglereinheit angeboten. Die benötigten Motordaten und Lastbereiche werden für die Inbetriebnahme dann auch zur Verfügung gestellt. Die direkte Auswertung von Prozessgrößen ist auch kein Problem.

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Kompakte Kraftmeier mit einigen Vorteilen

Bei der Erzeugung der Axialkraft und deren Höhe, stehen E-Motorschieber den hydraulischen Pendants in nichts nach (bezogen auf etwa 150 bar Öldruck). Häufig können wegen der besonders flexiblen Ansteuerung jedoch kurzzeitig höhere Spitzenmomente und eine höhere Axialpresskraft ausgenutzt werden, als mit vergleichbaren hydraulischen Varianten.

E-Motorschieber, auch bekannt als elektromechanische Aktuatoren, bestehen in der Regel aus einem Spindelgetriebe und einem Servoantrieb. Die Integration der Führungen durch das Antriebsgehäuse und der Servoantrieb, stellen einen ebenso kompakten wie guten Ersatz für hydraulische Schieber dar. Das aufwendige Verlegen von komplexen Ölleitungen, das Betätigen sperriger Steuerventile, Pumpen und Drucktanks et cetera entfällt dabei. Leckagen in den Hydrauliksystemen gibt es folglich nicht, und auch das mit der Zeit beginnende Verspröden der Anschlussleitungen ist passé. In den meisten Anwendungen arbeiten E-Motorschieber deutlich leiser als ihre hydraulischen Geschwister und bringen dem Anwender mit Blick auf die Nutzungsdauer deutlich wirtschaftliche Vorteile.

Wiederholgenauere und präzisere Bewegungsabläufe

Besonders zu erwähnen sind die technischen Vorteile der hier vorgestellten neuen E-Motorschieber: Außer dem großen Leistungsbereich zum Beispiel bei langsamer Bewegung mit hoher Kraft, sowie bei schneller Bewegung mit kurzer Impulskraft, können auch einfache Programmierfolgen von einem E-Motorschieber abgefahren werden. Innerhalb des Bewegungsraumes können alle Positionen mit einer Genauigkeit von 0,01 mm angefahren und kontinuierlich wiederholt werden. Besonders die Wiederholgenauigkeit zeichnet diese Systeme gegenüber den bisher verwendeten hydraulischen Systemen aus. Der Einfluss der verwendeten Öle auf die Bewegung zum Beispiel veränderlicher Viskosität bei höheren Temperaturen, sowie die Verschmutzungen im Öl, beeinflussen die Leistungsfähigkeit der Schieber nicht.

Wer E-Motorschieber nutzt, kann „Druck ablassen“

Störfaktoren, wie sie etwa die Verschmutzung des Hydrauliköls und dessen veränderliche Viskosität bei höheren Temperaturen mit sich bringen, müssen bei E-Motorschiebern auch nicht in Kauf genommen werden.

Sie arbeiten deshalb durchgängig mit präzisen Toleranzen. Der Verschleiß ihrer Antriebselemente lässt sich unter den bekannten Betriebsbedingungen berechnen und vorhersagen. Je nach Anwendungen können elektromechanische E-Motorschieber auch beliebige Bewegungsabläufe ausführen.

Die hier vorgestellten Schieber sind im Einsatz außerdem wesentlich ökologischer als hydraulische Systeme. Außer dem bereits angesprochenen Verzicht auf bedenkliche hydraulische Öle und durch ein Ende von Leckagen, zeichnen sich elektromechanische respektive elektromagnetische Systeme noch durch einen deutlich höheren Wirkungsgrad aus. Denn die direkte Umwandlung der elektrischen Energie in Bewegungsenergie ist dem hydraulischen System, welches über einen Elektroantrieb erst einen Öldruck aufbauen muss, deutlich überlegen. In den meisten Anwendungen ergibt sich ein nicht zu verachtendes Energieeinsparpotenzial zu vergleichbaren hydraulischen Systemen. Vor allem auch deshalb, weil elektromagnetische Systeme nur dann Energie bedürfen, wenn sie in Bewegung sind. Hydraulische Systeme aber müssen für eine optimale Regelbarkeit stets unter einem konstanten Öldruck stehen, der oft nur durch kontinuierlich laufende Elektropumpen aufrechterhalten werden kann. Für ihr ledigliches Bereitstehen benötigen E-Motorschieber aber fast keine Energie.

Trotz höherer Anschaffungskosten, schnell rentabel

Die Anschaffungskosten für einen elektromechanischen E-Motorschieber sind zwar vergleichsweise höher, doch relativieren sie sich schnell, wenn man zu den reinen Anschaffungskosten des hydraulischen Systems, noch die Kosten für die benötigten Hydraulikaggregate bedenkt. Zu diesen Kosten kommen vor allem teure und mechanisch aufwendig zu verlegende Hydraulikleitungen und andere Bauteile hinzu, wie Verrohrungen, Steuerventile, Filter, Dichtungen und Pumpen, die häufig nicht zu den Kosten für die Betrieb der hydraulischen Systeme gezählt werden. Unter Berücksichtigung dieses Aufwandes aber, erscheinen die höheren Kosten für einen elektromagnetischen Schieber in einem deutlich positiveren Licht. Betrachtet man die gesamten Anschaffungskosten über den Lebenszyklus einer Maschine, rechtfertigen E-Motorschieber, von den rein technischen Eigenschaften einmal abgesehen, allein schon die höheren Anschaffungskosten. Durch die Energieeinsparungen während des Betriebes, amortisiert sich der E-Motorschieber trotz höherer Anschaffungskosten bereits in den ersten beiden Jahren.

Drei Hauptfaktoren bestimmen die Einsparpotenziale:

  • 1. Während elektrische Systeme nur für die Bewegung aktiv Energie benötigen, müssen hydraulische Systeme für die Bereitstellung von Druck wesentlich mehr Energie für die gleiche Bewegung aufwenden. Bei einfachen Vergleichen benötigt die Hydraulik, etwa viermal mehr Energie als die Elektromechanik.
  • 2. Der Betrieb elektromechanischer Systeme kennt weder Druckverluste, geplatzte Leitungen, verschmutzte Ventile noch den erforderlichen Ölwechsel für die hydraulischen Systeme. Die Verteilung der elektrischen Energie auf die Aktuatoren sowie deren Steuerung benötigt im Gegensatz zur Hydraulik keinerlei Pflege und Wartung während des Betriebes, berücksichtigt man die Stillstandzeit, ein nicht unwesentlicher Vorteil.
  • 3. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Anpassungsfähigkeit der elektromechanischen Systeme. Diese begründet sich nicht nur in den unterschiedlichen Varianten der mechanischen Baugruppen, sondern besonders auch in den nahezu unlimitierten Möglichkeiten der digitalen Antriebssteuerung. Eine flexible Positionierung, veränderliche Geschwindigkeitsregelung und die Regelung der Axialkraft lassen sich mit bekannten hydraulischen Systemen nur mit hohem Aufwand erreichen. Durch diese Flexibilität können Lösungen perfekt auf den entsprechenden Anwendungsfall zugeschnitten werden. Zudem benötigen industrielle Fertigungssysteme mit den Anforderungen der Industrie 4.0, kontinuierliche Informationen über deren Prozesse, sowie über den Zustand der verwendeten Maschinen. Dies sind Eigenschaften, denen die hier vorgestellten E-Motorschieber, in besonderem Maße gerecht werden.

Antriebsalternative macht ein gutes Gewissen

Industrielle Fertigungssysteme sowie Werkzeuge, die zukünftig in der Welt der Industrie 4.0 integriert werden, benötigen auch innovative Antriebselemente, welche durch entsprechende Informationen den Zustand der jeweiligen Anlagen und Werkzeuge kontinuierlich anzeigen. Die hier vorgestellten E-Motorschieber sind dazu im Stande und sie können hohe Druckkräfte besser als hydraulische Schieber aufbauen. Dem Maschinenbetreiber bietet sich dabei die Möglichkeit Maschinen kontinuierlich zu überwachen und die Maschine noch vor einem Ausfall für den Service vorzusehen, damit die Ausfallzeit nicht zu groß wird und eingeplant werden kann.

Gleichzeitig werden nicht nur diverse Kosten eliminiert, sondern auch die Umwelt durch einen deutlich niedrigeren CO2-Ausstoß entlastet. Der E-Motorschieber kann also mit Recht auch als eine gute Unterstützung zur Dekarbonisierung der Umwelt betrachtet werden. Hier noch ein kleines Video, das die System auch im Einsatz zeigt. MM

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