Antriebe Volle Kraft voraus für die Umformtechnik

Autor: Stefanie Michel

In der Umformtechnik sind für die Hauptantriebe von Pressen leistungsstarke Motoren gefragt. Lange waren Hydraulikantriebe das Maß der Dinge, doch heute geht der Trend zu Direktantrieben. Ein Überblick zeigt aktuelle Lösungen und deren Energiesparpotenzial.

(Bild: Bosch Rexroth)

Servopressen kommen in der Umformtechnik mehr und mehr zum Einsatz, denn sie gelten als energieeffizient und flexibel an den Umformprozess anpassbar. Während bei mechanischen Pressen ein Elektromotor über einen Antriebsriemen das Schwungrad antreibt, das die Kraft über ein Getriebe an den Stößel überträgt, sorgen Torquemotoren bei Servopressen für einen direkten Antrieb der Stößelpleuel. Schwungrad und Getriebe sind somit nicht erforderlich. Solche Antriebe bieten sich vor allem dann an, wenn die Umformkräfte meist unter 50 kN für den eigentlichen Prozess liegen, der Umformhub von Werkstück zu Werkstück variiert oder das Produkt nicht mit Hydrauliköl in Verbindung kommen soll.

Leistungsstarke Torquemotoren als effizienter Hauptantrieb

Die dafür nötigen Torquemotoren sind inzwischen so leistungsstark, dass sie zunehmend Hydraulikantriebe in Pressen verdrängen. Ihr Vorteil ist: Sie liefern das maximale Drehmoment bereits bei geringen Drehzahlen; allerdings wird für den Umformprozess ein hoher Spitzenstrom benötigt. Betrachtet man ihre Eigenschaften, zeigt sich ein hoher Anspruch, denn die Direktantriebe müssen einerseits besonders robust sein, um den hohen mechanischen Beanspruchungen in der Umformtechnik gewachsen zu sein. Andererseits sollen sie sich durch Dynamik und Präzision auszeichnen. Einer der Anbieter ist Oswald Elektromotoren, der solche Direktantriebe kundenspezifisch für Drehmomente bis 200.000 Nm entwickelt und fertigt – beispielsweise für die Pressen von Schuler. Alle Motoren dieser Baureihe TF sind flüssigkeitsgekühlt und dadurch geräuscharm und erreichen – je nach Modell – Drehzahlen bis 3000 min-1. Unter dem Namen Simotics T Heavy Duty bietet beispielsweise auch Siemens Torquemotoren für Prozesse an, bei denen hohe Kräfte aufzubringen sind. Sie erreichen Nenndrehzahlen bis 1200 min-1 und Nenndrehmomente bis 15.000 Nm. Besonders die Variante mit Achshöhe 400 mm soll sich durch präzisen Rundlauf sowie hohe Dynamik auszeichnen und sich ganz besonders für große Maschinen eignen.

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Vorteile unterschiedlicher Antriebskonzepte vereinen

Solche leistungsstarken Direktantriebe kommen als Hauptantriebe in Servopressen zum Einsatz. Hier spielt der Wirkungsgrad eine große Rolle, denn dieser Antrieb muss die größte Leistung in einer Presse erbringen, ist also auch der größte Verbraucher. Somit sorgt ein hoher Wirkungsgrad für eine geringere Verlustleitung und senkt die Betriebskosten sowie den Wärmeeintrag.

Der klassische Pressenantrieb hingegen läuft über ein Schwungrad. Das ist deutlich günstiger und kann Energie speichern, ist aber recht träge. Die Servopresse ist dagegen teuer und hat eine hohe Leistungsaufnahme. Da die Energie für die Bewegung und den Umformprozess bei Servopressen ausschließlich von den Servoantrieben zur Verfügung gestellt wird, kommt es wegen starker Beschleunigung und anschließendem starken Bremsen zu einem Pendeln von Energie. Diesen Effekt nutzt Siemens bei seiner Lösung mit Energiespeichermodulen aus, sodass die Beschleunigungs- und Bremsenergiespitzen in der Maschine gehalten werden und nicht mehr vom speisenden Netz der Fabrik geliefert werden müssen. Damit liege die Anschlussleistung für eine Servopresse auf dem Niveau einer vergleichbaren konventionellen Presse.

Das Produktionstechnische Zentrum Hannover (PZH) der Leibniz-Universität Hannover arbeitet hingegen an einer neuen Presse, die die Vorteile von Servopressen und Exzenterpressen mit Schwungradantrieb vereint. Im Mittelpunkt steht hierbei ein Überlagerungsgetriebe, das die mechanische Leistung zweier Antriebe summiert und sie auf die Exzenterwelle der Presse leitet. Dabei gibt es eine mechanische Kopplung zwischen Schwungrad und Hauptantriebsmotor, der mit konstanter Drehzahl rotiert. Der Nebenantriebsmotor sorgt dafür, dass die Drehzahl der Exzenterwelle präzise variieren kann. So lassen sich kurzzeitig erforderliche Spitzenleistungen mithilfe des Hauptantriebsmotors dem Schwungrad quasi entnehmen. Die Kosten und der Energieverbrauch sinken und das Stromnetz wird weniger belastet.

Auch Hydraulik kann Energiesparpotenziale bieten

Auch wenn direkt angetriebene Servopressen im Trend liegen: als Pressenantrieb ist die Hydraulik nicht wegzudenken. Neuere Entwicklungen beweisen, dass hier durchaus ebenfalls Energiesparpotenzial vorhanden ist. Bosch Rexroth bietet beispielsweise für den Hauptantrieb von Servopressen ein System aus Asynchronmotor mit Schwungscheibe und der Axialkolbenpumpe A4 an, das einen hydraulischen Radialkolbenmotor antreibt. Der Elektromotor wird dabei erst auf Nenndrehzahl gebracht und dann die Rotationsenergie der Schwungmasse über die Pumpe auf den Hydromotor übertragen. Das Abtriebsdrehmoment des Radialkolbenmotors steht dabei über den kompletten Drehzahlbereich zur Verfügung. Beim Bremsen kann die frei werdende Energie in der Schwungscheibe gespeichert und beim Beschleunigen wieder entnommen werden. Werden zusätzlich rückspeisefähige Regelgeräte installiert, ist ein Energieaustausch mit weiteren Verbrauchern möglich.

Einen etwas anderen Weg hin zur Servopresse hat Voith Turbo eingeschlagen: Beim hydraulischen Pressenantrieb PSH ersetzen zwei Servopumpen die klassische Ventil- und Steuertechnik. Deren Aufgaben werden von den Versorgungsaggregaten übernommen. Die Servopumpe liefert einen variablen Volumenstrom, hat eine hohe Dynamik und geringe Geräuschemission. Das Konzept ermögliche eine optimale Kraft- und Geschwindigkeitsanpassung an den Pressvorgang. Das bewährte Konzept Hydraulikzylinder mit Nachsaugventil und Nachsaugbehälter bleibt zwar bestehen, doch so können ältere, bestehende Maschinen mit ähnlichem Grundkonzept durch den Einsatz dieser Antriebstechnik kostengünstig und mit geringem Logistikaufwand auf Servopressentechnologie gebracht werden.

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 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt