Druckschlauch oder Kabel?

Hubzylinder - Ohne Hydraulik keine hohe Leistung im Antrieb - diese Formel geistert immer noch durch die Reihen der Maschinenbauer. Dennoch nimmt die Zahl der Anwendungen mit elektromechanischen Hubzylindern aufffallend zu. Was steckt dahinter?

30. Juni 2005

In der Vergangenheit dominierte die Hydraulik bei Linearantrieben, heute gibt sie zunehmend Marktanteile an die Elektromechanik ab. Die Gründe dafür sind schnell ausgemacht: Elektrohubzylinder (EHZ) dringen bis in den Hochleistungsbereich vor, und immer mehr Anwender verabschieden sich vom Hydrauliköl - aus Brandschutzgründen, wie zum Beispiel bei Kunststoff-Spritzgießmaschinen oder aus Umweltschutzüberlegungen.

So sehr Hersteller des einen oder anderen Systems dazu neigen, ihre Lösung zu favorisieren, so sehr sind Maschinenbauingenieure und -techniker darauf angewiesen, ihre Entscheidung auf dem Fundament solider Fakten zu begründen. Zur objektiven Suche nach dem Optimum gesellt sich allerdings doch noch ein Bauchkriterium: ›Oil free operation‹ wird zum Marketingaspekt beim Absatz von Maschinen - nicht zuletzt bei kritischen Kunden aus dem Automobilbau.

Deren Produktionsplaner greifen gern zu Systemen, die anstelle hydraulischer Antriebe mit Elektrohubzylindern ausgerüstet sind. Denn wo kein Hydraulikmedium im Einsatz ist, gibt es keine Leckage. Ein Beispiel sind Hubtische. Früher wurden sie meist hydraulisch angetrieben, zunehmend haben sie elektromechanische Antriebe. Aber auch Schweißzangen, werden verstärkt elektromechanisch angetrieben - um den Funkenflug, als Zeichen ungünstiger Schweißparameter zu vermeiden, wenn der Widerstand bzw. die Presskraft nicht stimmen. Um solche Einflussgrößen besser regeln zu können, verlagerte sich der Markt für Roboter-Schweißzangen von hydraulischen Zangen über pneumatische hin zu elektromechanischen Systemen.

Mit Öl und Ölersatzmedien auf Wasserbasis war neben regelungstechnischen Nachteilen ein hoher Wartungsaufwand verbunden. Obendrein war der Hydraulikantrieb für Schweißzangen den Serienfertigern zu langsam, weshalb diese zur schnelleren Pneumatik griffen. Diese werden mit Druckluft betrieben, doch das ist die teuerste Energie im Unternehmen - durch aufwändige Luftverdichtung und Leckage-Verluste.

Mit dem Einzug von Robotern in den Fahrzeug-Rohbau begannen die Automobilisten ihre Produktionseinrichtungen flexibel einzusetzen. Eine neue Anforderung kam ins Lastenheft der Zangen: die Möglichkeit, von Schweißpunkt zu Schweißpunkt den Elektrodenabstand zu variieren, um ohne Zangenwechsel ein breites Teilespektrum verarbeiten zu können. Damit war der Ruf nach Schweißzangen mit großem Öffnungshub verbunden, was der Verbreitung pneumatischer Zangen Vorschub leistete.

Alsbald trat ein weiterer Systemnachteil pneumatischer Schweißzangen zutage: Sie mussten nach jedem Schweißen über den gesamten Hub öffnen, da die Antriebe nur zwei Endstellungen bedienen konnten. Das ergibt hohe Nebenzeiten. Es ist zwar prinzipiell möglich, die Schwarzweiß-Pneumatik durch servopneumatische Systeme zu ersetzen, die unterschiedlich weit geöffnet werden können, der Aufwand dafür ist jedoch hoch. Elektromechanische Systeme mit integrierter Wegmesstechnik bieten die Möglichkeit, während der ›Bahnfahrt‹ von Punkt zu Punkt die Zangen nur so weit zu öffnen, bis der Roboter die Elektroden kollisionsfrei an der Bahnkurve entlang führt.

Pro Stunde können elektromechanische Schweißzangen bis zu 40 Prozent mehr Schweißpunkte setzten als fluidtechnische Systeme - dank des minimalen Öffnens der Zangen. Selbst bei kleinen Hüben lässt sich noch ein Zeitvorteil von rund zehn Prozent erzielen. Verständlich, denn während eine fluidtechnische Zange mit 160 mm Hub nach jedem Hub über den gesamten Weg öffnet, reichen bei elektromechanischen Systemen rund fünf Millimeter aus. Die Nebenzeiten für das Öffnen und die Schließen nehmen also ab. Die hoch dynamischen elektromechanischen Zangen setzen bereits den nächsten Punkt, während fluidtechnische Systeme noch die Elektroden zum Blech führen. Außerdem lassen sich elektromechanische Systeme leichter und besser regeln, dies ist für das sanfte Aufsetzen der empfindlichen Elektroden aufs Blech wichtig.

Immerhin erlauben die elektromechanischen Zangenantriebe der SKF Lineartechnik das Schließen und Öffnen mit Geschwindigkeiten von bis zu 450 mm/s. Je größer der Hub der Zange ist, desto stärker fällt der Systemvorteil zugunsten der elektromechanischen Lösung ins Gewicht. Doch genau der mögliche große Hub ist es, der den Produktionsplanern die Freiheit gibt, ohne Zangenwechsel mehrere Fahrzeugmodelle im Mix auf einer Produktionsstraße zu fertigen. Bei der Herstellung eines Fahrzeugrohbaus müssen immerhin rund 400 Teile miteinander verschweißt werden. Dies setzt ein breites Spektrum an programmtechnisch definierbaren Elektrodenabständen voraus. Außerdem muss sich die Presskraft der Elektroden feinfühlig regeln lassen, damit diese beim Schweißvorgang präzise nachgeführt werden können. Die Einhaltung der Presskraft ist wichtig, weil nicht selten bis zu drei Bleche miteinander verschweißt werden, die sich zunächst nicht mit ihrer gesamten Kontaktfläche berühren.

Hier müssen die Antriebe der Schweißzangen hohe Kräfte aufbringen, um alle Bleche zusammenzupressen, damit ein guter Wärmeübergang stattfindet und das Material schnell zu fließen beginnt. Während beim Karosserieschweißen die Elektrodenkraft bei 2 kN liegt, kann diese bei anderen Anwendungen durchaus auch in der Größenordnung von 6,5 bis 7 kN liegen. Werte, die sich mit Elektrohubzylindern problemlos erzielen lassen. Beim Schweißen selbst darf die Presskraft wiederum nicht zu hoch sein, da sonst zuviel Material verdrängt wird - vor allem beim Schweißen von Aluminium.

Fertigungsfachleute wollen zunehmend wissen, wann beim Punktschweißen das Metall zu fließen beginnt. Dies macht sich durch das ›Einsinken‹ der Elektroden bemerkbar, die dann feinfühlig nachgeführt werden müssen; Schweißtechniker sprechen vom ›Nachsetzen‹. Die Zeit und der Weg des Nachsetzens sollen künftig reproduzierbare Erkenntnisse über die Qualität jedes einzelnen Schweißpunktes liefern. Dies ist bis heute nur mit elektromechanischen Antrieben technisch und wirtschaftlich sinnvoll machbar, da diese über integrierte Kraft- und Wegmesssysteme eine Rückmeldung der prozesstechnisch wichtigen Kennwerte zulassen.

Gefallen fanden Schweißfachleute auch an den hohen Standzeiten der elektromechanisch angetriebenen Zangen. Diese liegen nach Informationen um zirka den Faktor 3 höher als bei fluidtechnischen Systemen. Die höhere Standzeit geht einher mit einem geringeren Wartungsaufwand und mit niedrigeren Herstellkosten pro Schweißpunkt. In hochautomatisierten Schweißstraßen arbeiten viele Roboter - oft im Dreischichtbetrieb. Dadurch ist es nicht leicht, Wartungsarbeiten ohne Betriebsunterbrechungen durchzuführen - es sei denn an zuschlagspflichtigen Sonn- und Feiertagen. Schnelligkeit, gute Regelbarkeit, lange Lebenszyklen und der geringe Wartungsaufwand haben elektromechanischen Antrieben zum Durchbruch bei den Schweißzangen verholfen. Doch über diesen Einsatzfall hinaus lohnt es sich, auch bei anderen fluidtechnischen Anwendungen die Lebenszykluskosten der elektromechanischen Alternativen durchzurechnen.

Austretendes Öl ist den Produktionsplanern aus mehreren Gründen ein Dorn im Auge: Zum einen kann die kleinste Leckage zur Verschmutzung der Produktionsumgebung führen. Außerdem birgt ein platzender Hydraulikschlauch Gefahren für Menschen und Anlagen. Immerhin kann das Medium so hohe Temperaturen erreichen, dass ein Werker schwerste Verbrennungen erleiden müsste. In kritischen Umgebungen kann das heiße Medium sogar einen Brand verursachen. Die Faustformel, dass es bei hohen Antriebsleistungen keine wirtschaftlichen Alternativen zu Hydraulik gäbe, haben die Konstrukteure der SKF Linearsysteme GmbH längst widerlegt. Das von ihnen entwickelte Leistungsspektrum reicht bei Elektrohubzylindern bis zu 100 kN. Wie schlank EHZ bauen, das heißt wie hoch deren Leistungsdichte inzwischen ist, hat der SKF-Konzern mit der Präsentation des weltweit ersten vollelektrischen Gabelstaplers ›E-Truck‹ auf der Hannover Messe gezeigt. Die Bandbreite der in den Elektrohubzylindern platzierten Kernkomponenten reicht von einfachen Kugelgewindetrieben bis hin zu Planetenrollengewindetrieben für den oberen Leistungsbereich. Letztere kommen wegen nicht gegebener Kontaminationsrisiken z.B. in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie sowie als Antriebe für Schleusentore zum Einsatz.

Thomas Fucks, Spezialist für Elektrohubzylinder bei der SKF, beantwortet die Frage, für welche Anwendungen EHZ geeignet sind mit einem einzigen Satz: »In fast allen Fällen, die heute von Hydrauliksystemen angetrieben werden, können elektromechanische Hubzylinder deren Substitution antreten.« Da EHZ grundsätzlich ohne Ölauffangwannen, Ölvorwärmsysteme, Verschlauchungen und Ölwartung auskommen, sind sie auch wirtschaftlich interessant. Diese Feststellung wird durch viele Einzelkriterien verstärkt, bei denen bei elektromechanischen Systemen die Pluszeichen überwiegen, während dies bei der Hydraulik die Minuszeichen sind. Insofern ist es nur logisch, wenn das Marktvolumen für Hydraulikzylinder tendenziell leicht sinkt, während das für EHZ jährlich im ein- bis zweistelligen Bereich wächst.

Erschienen in Ausgabe: 03/2004