Welche Formantriebe bieten die größte Flexibilität und Energieeffizienz?

8. Februar 2023

10:10

Nigel Flowers, Geschäftsführer von Sumitomo (SHI) Demag UK, ist sich bewusst, dass hochdynamische Bewegungen dazu beitragen können, die Zykluszeit zu verkürzen und die Bauteilqualität zu erhöhen. Daher untersucht er die Antriebsoptionen und ihre jeweilige Leistung, betriebliche Flexibilität, Umweltverträglichkeit und Maschinenlanglebigkeit.

Durch den Antrieb des Formprozesses wird die Lücke zwischen hydraulisch angetriebenen und vollelektrischen Maschinen jedes Jahr ein bisschen kleiner. Traditionell handelte es sich bei den meisten Maschinen in Produktionshallen um reine Hydraulikmaschinen. Obwohl sie in britischen Formenbaubetrieben nach wie vor ein alltäglicher Anblick sind, hat es in den letzten zwei Jahrzehnten einen Wandel gegeben. Dies hat in den letzten fünf Jahren stark zugenommen, sodass eIMM im Jahr 2021 nun fast 30 % aller im Vereinigten Königreich und Irland installierten Neumaschinen ausmacht.

Dennoch gibt es im Vereinigten Königreich und in Irland nach wie vor ein großes Volumen an installierten hydraulischen Maschinen – von den 12.000 in den letzten 20 Jahren importierten Maschinen waren nur 2.000 vollelektrisch. Dennoch kam es im Laufe dieser Zeit zu schrittweisen Verbesserungen, wobei immer wieder neuere Antriebstechnologien und Varianten davon auf den Markt kamen. Einschließlich Hybridantriebe, variable Frequenz, elektrische Servos, elektrische Riemenantriebe, Direktantriebe und mehr. Einige sind von Natur aus energiehungriger als andere.

Den Fortschritt vorantreiben: Neue Antriebstechnologien

Ein Maschinenantrieb funktioniert ähnlich wie jedes Getriebe, indem er für die Kraftübertragung sorgt. Obwohl die Wissenschaft hinter diesem Getriebe immer die gleiche ist – es wandelt die Drehzahl in eine lineare Bewegung um – sind nicht alle Antriebe gleich. Wie die nebenstehende Infografik zeigt, haben vollelektrische Antriebe aufgrund ihrer relativen Effizienz inzwischen tendenziell die Oberhand bei der Verarbeitung.

Bis vor Kurzem galt es als undenkbar, die Bewegungskraft der Hydraulik in Maschinen mit größerer Tonnage zu erreichen. Bezeichnend für die Innovation in der Antriebstechnik ist jedoch, dass nun auch „Servo“-Varianten, die vollelektrische Direktantriebe mit schnelllaufenden Servopumpen kombinieren, den mittleren und hohen Schließkraftbereich abdecken und die Energieeffizienz weiter steigern. Laut Sumitomo (SHI) Demag ist die Einführung der Verpackungsmaschine PAC-E auf der K 2022 ein Beweis dafür. Weitere Einsatzgebiete sind mittlere Schließkraftpakete für den Mehrkomponenten-Spritzguss, LSR und das physikalische Schäumen von MuCell.

Einer der Verarbeitungsvorteile elektrischer Antriebe ist die Möglichkeit, die Linearachse mit Geschwindigkeiten über 500 mm/s anzusteuern. Diese werden typischerweise durch ein geschlossenes Regelkreissystem gesteuert, das sich entweder in der Maschinensteuerung (Software) oder im Servoantrieb selbst (Hardware) befindet. Die Hardwarelösung bietet einen entscheidenden Leistungsvorteil, da die Positionssteuerungsberechnungen in Echtzeit in der Hardware des Servoantriebs durchgeführt werden. Das Ergebnis ist die maximale Leistung.

Synergien beim Antriebsdesign sind ein weiterer entscheidender Unterschied. Die Anforderungen für Branchen- und Verarbeitungsanwendungen müssen so viele unterschiedliche Aspekte berücksichtigen – darunter Warteschleifen, schnelle Änderungen bei Beschleunigung und Verzögerung, Abkühlzeiten und Komponentenentnahme. Die einzige Konstante beim Spritzgießen ist eine hohe Geschwindigkeit mit sehr schnellem Beschleunigen und Bremsen.

Dies sind keine Standardlaufwerke. Unser Antrieb mit hohem Drehmoment wurde von unserer japanischen Muttergesellschaft entwickelt und von Experten, die sich wirklich der Bewegungssteuerung verschrieben haben, ausschließlich für den Spritzgussprozess gebaut. Er ist reaktionsfähiger und reduziert das Trägheitsrisiko. Unter bestimmten Bedingungen können Former eine Energieeinsparung von über 70 % und sogar schnellere Zykluszeiten im Vergleich zum herkömmlichen Formen erzielen.

Optimierung aller Produktionsbedingungen

Im Vergleich zu hydraulischen Maschinen verbrauchen elektrische Direktantriebe nur im Betrieb Strom. Darüber hinaus kann mittels Rekuperationstechnik kinetische Bremsenergie zurückgewonnen werden.

Durch die höhere Effizienz der Direktantriebe verbrauchen sie deutlich weniger Energie als hydraulische Maschinen – im Fall der IntElect zwischen 40 % und 85 % weniger als herkömmliche Lösungen.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Wärmeübertragung. Ein Teil dieser elektrischen Energie wird verwendet, um das Fass direkt zu erhitzen und das Harz zu schmelzen. Ein weiterer dient dazu, den Maschinenantrieb, Wechselrichter und Motoren anzutreiben, wodurch wiederum Wärme erzeugt wird. Die gesamte erzeugte Wärme muss entweder über thermische Konvektion oder – in den meisten Fällen – über ein aktives Kühlsystem abgeführt werden.

Die Wärmebildaufnahme des Direktantriebs liefert einen guten Indikator für etwaige Ineffizienzen und Wärmeemissionen. Bei den IntElect-Geräten wird die aktive Luftkühlung (Lüfter) erst aktiviert, wenn der Motor 55 °C erreicht. Erfolgt keine Wärmeabgabe am Antrieb, wird auch keine zusätzliche Energie verbraucht. Wie diese Grafik zeigt, weist der IntElect-Direktantrieb keine Hotspots auf.

Darüber hinaus bieten aktive Kühlsysteme einen weiteren Vorteil. Eine Überlegung bei der Auswahl der Antriebsgröße ist der Arbeitszyklus, d. h. wie viel der Motor im Vergleich zur Erholung arbeitet. Durch die aktive Kühlung lässt sich die Erholzeit verkürzen, sodass häufig ein kleinerer Motor gewählt werden kann.

Elektrische Antriebe reduzieren zudem Wartungskosten und Panneneinsätze. Durch weniger mechanische Komponenten und weniger Prozessschritte ist der Verschleiß deutlich geringer. Da weder Öl noch Hydraulikschläuche gewechselt werden müssen, können die Wartungskosten bis zu 50 % geringer sein.

Die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) ist eine weitere wertvolle KPI-Kennzahl. Diese Daten liefern nicht nur einen genauen Benchmark für die Maschinenverfügbarkeit, sondern können auch Aufschluss darüber geben, wann Maschinen nicht mit der optimalen Zyklusgeschwindigkeit oder Qualität arbeiten.

Durch weniger bewegliche Teile ist die Zeitspanne von einem Ausfall zum nächsten bei Maschinen mit Elektroantrieb deutlich kürzer. Eine aktuelle Studie zu Maschinen mit Garantie ergab, dass die IntElect2 eine durchschnittliche MTBF von 4,2 Jahren hatte – doppelt so viel wie eine gleichwertige hydraulische Maschine. Auch die Zahl der Notrufe und die Zeit, die für die Wartung aufgewendet wird, sind nachweislich geringer. Eine separate interne Studie an einer 130-Tonnen-Hydraulikmaschine erforderte 30 Stunden Servicearbeit, verglichen mit nur sechs Stunden für ein vollelektrisches Modell gleicher Größe.

Schließlich kann der Austausch eines Antriebssystems kostspielig sein. Viele Anbieter von Formmaschinen beziehen ihre vollelektrischen Antriebe von externen OEMs. Dadurch kann es deutlich schwieriger werden, Ersatzkomponenten auszutauschen oder zu beschaffen oder Serviceunterstützung in Anspruch zu nehmen. Dies ist ein weiterer Vorteil unseres eigenen Forschungs- und Entwicklungszentrums, das ausschließlich die Entwicklung für den Spritzguss vorantreibt. Ein modulares Laufwerksdesign bedeutet, dass Benutzer ein Leistungsmodul austauschen können, anstatt Tausende für einen kompletten Laufwerksaustausch auszugeben.

8. Februar 2023

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