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Kleine Hübe, große Kraft und hohe Frequenz – so lässt sich eine Aufgabe in Prüf- und Fertigungsmaschinen minimal umreißen.

In der etwas detaillierteren Betrachtung geht es bei den Prüfmaschinen häufig um Dauerfestigkeits- oder auch Schwingungsfestigkeitsprüfungen von Materialien, bei denen der Prüfling zyklisch auf Zug und Druck be- und entlastet wird.
Gleich ob mit oder ohne sichtbare Materialverformung, der Prüfling soll hohe, wohldefinierte Kräfte aufnehmen, während die Häufigkeit der Prüfvorgänge als „Takt“ die Nutzungsdauer simuliert. So werden empirische Werte zum Alterungs- und Bruchverhalten gewonnen.

Bei Fertigungsmaschinen, in denen Teile verpresst oder gefügt werden, ist der hohe Takt natürlich der Produktivität geschuldet, wohldefinierte Kräfte sichern die Qualität des Vorgangs.
Und die geringen Hübe ergeben sich einfach daraus, dass hier keine langen Wege für die Aufgabe zurückzulegen sind. Gleiches gilt bei Material oder Werkstückzuführung mit hohen Massen und Taktraten oder auch für Siegelvorgänge in schnellen Verpackungsmaschinen wie z.B. Schlauchbeutelmaschinen.

Bislang wurden solche Kombinationen von Kraft und Geschwindigkeit nur mit Servohydraulik erreicht, wobei immer das Risiko von Leckagen besteht. Bedingt durch die hohen Betriebsdrücke kann es im Störungsfall nicht nur zur Produktkontamination, sondern auch zum Personenschaden kommen. Daher unterliegen hydraulische Anlagen einer zyklischen Prüfpflicht, Öl, Filter und Schläuche müssen regelmäßig getauscht werden. Eine elektrische Anlage würde hingegen einen wesentlich geringeren Wartungs- und Unterhaltungsaufwand erfordern.

Und letztlich weist die hydraulische Lösung durch die zweifache Energieumwandlung von elektrischer zu hydraulischer zu mechanischer Leistung notwendigerweise höhere Energieverluste aus.

Insofern wäre eine rein elektrische Lösung das ideale Mittel zum Zweck: Vom Energieverbrauch und Wartungsaufwand über die Parametrierbarkeit bis zur geringeren Gefährdung durch die Anlage.

Allerdings gab es bis vor kurzem kaum eine Möglichkeit, die geforderten hydraulischen Leistungen elektrisch nachzubilden.

Der klassische Servoaktuator mit Kugelgewindetrieb kann wegen der geringen Hübe und hohen Frequenzen nicht punkten, denn sein Trägheitsmoment im linear-rotativen System und Probleme mit der Schmierung bei Bewegungen unter einer Umdrehung hätten verhindert, bei solchen Betriebsbedingungen ausreichend Leistung und eine befriedigende Lebensdauer zu liefern. Eisenlose Linearmotoren oder verfügbare zylindrische Linearantriebe schieden aufgrund ihrer zu geringen Leistung ebenfalls aus.

Was also tun, wenn man bei ibd als Ingenieurbüro für Steuerungs- und Antriebstechnik und Partner von Kunden im High-Tech-Umfeld vor genau dieser Aufgabe steht und einen Antrieb „erfinden“ muss, der 3 kN bei 100 Doppelhüben pro Sekunde leisten und außerdem noch skalierbar sein soll?

Durch den Kontakt zu VSM aus Griesheim konnten die beiden Unternehmen gemeinsam dem Anwender eine zukunftsweisende Lösung präsentieren.

Die geforderte Leistung wird hierbei durch die Kombination hochwertiger VUES-Linearmotorkomponenten, einem hochauflösenden Lineargeber, steifer mechanischer Komponenten in Verbindung mit extremer Reduzierung der bewegten Massen und einem leistungsfähigen Servoregler erreicht. Das Modul ist, wie gewünscht, skalierbar und so auch für größere oder kleinere Kräfte verfügbar. Die größte Ausbaustufe erreicht eine Spitzenkraft von 30 kN. Eine Wasserkühlung ist optional möglich und steigert so die verfügbare Dauerleistung. Ebenso lassen sich größere Geschwindigkeiten als die 1 m/s der konkreten Anwendung realisieren.

Bei vertikalem Einbau und schweren Lasten kann zudem eine Haltebremse eingebaut werden. Ansonsten ist die Funktion von der Einbaulage unabhängig.

Wichtig ist dabei zu beachten, dass das Maschinengestell in der Lage ist, die Kräfte beim Beschleunigen und Bremsen aufzunehmen ohne dadurch selbst in Resonanz zu geraten. Dies lässt sich zum Beispiel durch große Massen wie Granit- oder Betonfundamente in Kombination mit steifen Rahmenteilen erreichen.

Fazit und Ausblick
Durch die enge Zusammenarbeit aller Beteiligten konnte mit der Entwicklung dieser Maschine ein weiterer Schritt gegangen werden, Hydraulik im Prüf- und Fertigungsbereich zu ersetzen, um die Nachteile bei Energie und Handling inklusive der Gefahrenpotenziale zu eliminieren. Die Kostenvorteile in einer To-tal-Cost-of-Ownership-Betrachtung zeigen, dass sich die Investition in die neue Technologie schnell amortisiert.

Parallel wurden durch die rein elektrische Konstruktion des Systems Voraussetzungen geschaffen, um die Anlagen noch genauer zu parametrieren, was sich zusätzlich positiv auf die Datenströme in IIoT / Industry 4.0 auswirken wird.

Eines lässt sich definitiv konstatieren: Um solche adäquaten Lösungen zu etablieren, bedarf es einer genauen Abstimmung zwischen Anwender, Systemintegrator, Maschinenbauer und Antriebshersteller.
Von einer Antriebsauswahl aus Katalogen oder Datenblättern kann an dieser Stelle nur abgeraten werden.

Bildlegende:

VUES Linearmotoreinheit: Bild1.jpg, 300dpi, cmyk
Schemaskizze zweifache Energieumwandlung: Bild2.jpg, 300dpi, cmyk
Schemaskizze einfache Energieumwandlung: Bild3.jpg, 300dpi, cmyk
VUES Linearmodul: Bild4.jpg, 300dpi, cmyk
Herr Franz Hangl, ibd GmbH: Bild5.jpg, 300dpi, cmyk
Herr Erik Stephan, VSM Antriebstechnik GmbH: Bild6.jpg, 300dpi, cmyk

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