Der Aktuator als Ersatz für hydraulische und pneumatische Zylinder

Betriebstechnik

Aktuatoren als Ersatz von Pneumatik- und Hydraulikzylindern

Aktuatoren sind pneumatischen und hydraulischen Antriebslösungen in vielerlei Hinsicht überlegen Foto: SKF Linearsysteme GmbH
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Neue Generationen elektromechanischer Aktuatoren ersetzen heute in einer Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen zunehmend die bisher verwendeten Pneumatik- und Hydraulikzylinder. Diese Entwicklung ist sowohl auf Kosten- als auch Leistungsvorteile zurückzuführen, welche dem Nutzer dabei entstehen.
Über Jahrzehnte hinweg waren pneumatische und hydraulische Antriebslösungen für Ingenieure die erste Wahl, wenn es darum ging, schnelle Bewegungen durchzuführen, große Kräfte zu erzeugen oder hohe Lasten zu bewegen. Mittlerweile haben sowohl Pneumatik-, als auch Hydrauliksysteme einen starken Konkurrenten aus der Welt der Lineartechnik bekommen: den elektromechanischen Aktuator.
Kompakt, leicht und platzsparend
Elektromechanische Systeme bieten in vielen Anwendungen zahlreiche Vorteile gegenüber den „klassischen“ Antriebselemente: Sie sind kompakter, leichter und kommen dank des direkt angeschlossenen Antriebsmotors ohne platzaufwendige Kompressoren, Pumpen, Öltanks, Rohrleitungen und Filter aus.
Da sie kein Medium zum Übertragen der Kräfte benötigen, bieten sie auch Vorteile in puncto Sicherheit und Umweltverträglichkeit: Ein Brandrisiko oder die Gefahr einer Kontaminierung und Beschädigung aufgrund von Öl-Leckagen bestehen nicht. Elektrisch betätigte Aktuatoren arbeiten zudem geräuschärmer als bisher gebräuchliche Lösungen.
Darüber hinaus bieten elektromechanische Systeme auch erhebliche Leistungsvorteile. Sie weisen ein breiteres Geschwindigkeits- und Leistungsspektrum auf als hydraulische Aktuatoren und ermöglichen eine höhere Positioniergenauigkeit als z.B. pneumatische Zylinder. Zudem sorgen sie für einen gleichmäßigeren Betrieb: Bei Hydrauliksystemen kann sich die Viskosität des Hydrauliköls im Laufe der Betriebsdauer sowie in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur ändern, was zu einer Beeinträchtigung der Maschinenleistung führt. Dagegen arbeiten elektromechanische Systeme stets innerhalb präziser Toleranzen. Und da die beweglichen Teile auf bewährter Wälzlagertechnik basieren, ist es auch möglich, ihre Gebrauchsdauer unter bestimmten Betriebsbedingungen vorherzusagen.
Gibt’s einen Haken?
Bei all diesen überzeugenden Vorteilen scheinen elektromechanische Aktuatoren dennoch einen Schwachpunkt zu haben: höhere Kosten. Und tatsächlich liegen die Kosten für die Erstbeschaffung der elektrischen Antriebe im Vergleich über denen ihrer pneumatischen und hydraulischen Pendants. In der Vergangenheit reichte diese Tatsache oft aus, um den Einsatz elektromechanischer Lösungen in bestimmten Anwendungen von vornherein auszuschließen.
Betrachtet man jedoch die über den gesamten Lebenszyklus anfallenden Kosten, so kann dieses Argument in den allermeisten Fällen widerlegt werden. Denn über die gesamte Nutzungsdauer gesehen bieten elektromechanische Aktuatoren große Einsparmöglichkeiten, die die höheren Anschaffungskosten weit übersteigen. Diese Kostenersparnis ergibt sich aus sechs Hauptfaktoren:
Energieeffizienz
Bei Hydraulik- und Pneumatiksystemen kommt es an mehreren Stellen zu Energieverlusten: angefangen bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegung zum Bereitstellen des Arbeitsdruckes über Verluste innerhalb der Pumpe selbst bis hin zu Flüssigkeitsreibung, Undichtheiten in den Rohrleitungen und weiteren Verlusten im Zylinder. Insgesamt weisen Pneumatiksysteme nur einen Leistungsgrad von unter 35 % auf, d.h., nur etwa ein Drittel der eingesetzten Energie wird in Hubkraft umgesetzt. Bei hydraulischen Systemen kann von einer Energieausbeute von etwas mehr als 50 % ausgegangen werden. Dagegen kommt es bei elektromechanischen Systemen nur aufgrund der Motorleistungsgrenze sowie aufgrund von Reibung in den Getriebe- und Aktuatorkomponenten zu Leistungsverlusten. Daher stehen bei elektromechanischen Aktuatoren bis zu rund 80 % der Eingangsleistung für die Hubkraft zur Verfügung.
Geringere Wärmeentwicklung
Bei der Kompression von Luft muss die dabei entstehende Wärme aufwendig rückgewonnen werden. Der Energieverlust in hydraulischen Maschinen wirkt sich ebenfalls in Form von Wärmeentwicklung aus. Bei Präzisionsanwendungen wie z.B. in Kunststoff-Spritzgießmaschinen muss diese Wärme über Kühlvorrichtungen abgeführt werden.
Kürzere Taktzeiten
Die höhere Geschwindigkeit und bessere Steuerbarkeit von elektromechanischen Aktuatoren gegenüber Hydraulikzylindern ermöglicht kürzere Maschinendurchlaufzeiten und damit höhere Produktivität. Der Arbeitshub kann dabei bei jedem Takt individuell gewählt werden, um unnötige „Leerhübe“ zu vermeiden. Dies kann zu einer Verkürzung der Taktzeit beitragen.
Bessere Werkstoffverwertung
Aufgrund ihrer höheren Genauigkeit und gleichbleibenden Betriebsleistung erzielen Elektroantriebe im Vergleich zu hydraulischen Alternativen eine doppelt so hohe Wiederholgenauigkeit.
Längere Maschinenverfügbarkeit
Elektrische Maschinen weisen weniger Verschleißteile auf, und diese befinden sich alle im Kugel- oder Rollengewindetrieb bzw. im Getriebe. Wartungsarbeiten können sich somit auf den eigentlichen Aktuator konzentrieren, Fehlersuchzeiten werden reduziert.
Einfachere Wartung
Schließlich sind die laufenden Kosten bei elektrisch betriebenen Maschinen im Vergleich zu hydraulischen und pneumatischen Antriebslösungen geringer. Die Beschaffung von Öl, Filtern oder Dichtungen entfällt für den Betreiber, und es fallen damit auch keine entsprechenden Stillstandskosten für den Austausch an. Zudem müssen keine Vorkehrungen gegen Leckagen getroffen werden. Alles in allem führen diese Punkte zu Kosteneinsparungen von mehreren zehntausend Euro jährlich für eine typische Produktionsmaschine. Knapp die Hälfte dieser Einsparung ergibt sich aus anderen Bereichen als dem Energieverbrauch.
Neue Aktuator-Generationen
Die jüngsten Generationen von elektromechanischen Aktuatoren bauen auf diesen konstruktionsbedingten Vorteilen auf und liefern eine noch höhere Leistungsfähigkeit und Lebensdauer; zudem sind sie noch einfacher in Maschinen zu integrieren.
So wurde beispielsweise die neue CASM-Baureihe des Herstellers SKF für anspruchsvolle Arbeitszyklen in der automatisierten Hochgeschwindigkeitsfertigung entwickelt. Diese Hubzylinder sind hier modular aufgebaut und stehen in einer Vielzahl von Standardgrößen zur Verfügung, so dass sie als Ersatz für Pneumatikzylinder in bestehenden Produktionsanlagen eingesetzt werden können.
Zur weiteren Vereinfachung der Maschinensteuerung und Systemintegration stehen Lineareinheiten wie CASM mit bürstenlosem Gleichstrommotor und integriertem Steuersystem, Bremse und optionaler Feldbus-Schnittstelle zur Verfügung. Da keine externe Motorsteuerung erforderlich ist, senkt eine solche bürstenlose Motorvariante die Installationskosten und reduziert gleichzeitig den Verkabelungsaufwand, da die Motoren über ein einziges Kabel mit Strom versorgt und gesteuert werden können.
Auch die Maschineneinrichtung geschieht im Zeitalter von Industrie 4.0 einfach und computergestützt: Digitale Programmiertools ermöglichen in der Regel das Einstellen der Motorparameter über eine grafische Benutzeroberfläche.
Katja van Schagen ist Leiterin Application Engineering und Produktmanagerin Aktuatorik bei der SKF Linearsysteme GmbH in Schweinfurt.
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