Die Fluidtechnik ist eine etablierte Technologie; jedoch haben elektrische Antriebe – womöglich ist Ihnen diese Tatsache selbst schon aufgefallen – in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte gemacht. Aber bedeutet das, dass Fluidtechniksysteme nun vollkommen überholt sind?

Um diese Frage zu beantworten, sprach ich mit Experten der Automatisierungsanbieter Festo und SMAC. Festo führt sowohl elektrische als auch pneumatische Technologien, während SMAC sich auf eine Vielzahl elektrischer Antriebstypen von Kugelgewindetrieben bis hin zu Linearmotoren spezialisiert hat.

Laut Jim Ackert, Applikationsspezialist bei Festo, wird die Fluidtechnik nicht so schnell vom Markt verschwinden. Jedoch stößt mittlerweile die Elektrik in viele Anwendungen vor, in denen die Fluidtechnik früher dominant und allgegenwärtig war.

„Vorläufig haben alle drei Technologien ihren Platz in der Industrie“, so Ackert. „Aber die Flexibilität der elektrischen Antriebe, gepaart mit der Tatsache, dass der Preis der elektrischen Komponenten im Laufe der Jahre stetig gesunken ist, macht sie beliebter und erschwinglicher als früher.“

Die Abwägung zwischen elektrischen, pneumatischen und hydraulischen Antrieben

Es mag leichtfertig klingen, aber die Wahl der richtigen Antriebstechnologie hat etwas von der Wahl eines Rollenspielcharakters: Krieger, Magier und Dieb – das sind 3 klassische Charakterarchetypen in Videospielen, bei deren Auswahl man abwägen muss im Hinblick auf Kriterien wie Schaden, Gesundheit und Geschwindigkeit. Bei Antrieben geht es ganz ähnlich um Kraft, Positioniergenauigkeit und Geschwindigkeit.

Generell nimmt die Überlappung der Kraft- und Geschwindigkeitseigenschaften von Fluid- und elektrischen Antrieben zu. Elektrische Antriebe dringen sogar in den Markt für schwere Maschinenpressen und andere traditionell hydraulisch dominierte Märkte vor.

Vor- und Nachteile verschiedener Antriebstechnologien

	Pro	Kontra
Hydraulik	Pro Extrem hohe Kräfte. Arbeitet mit inkompressiblen Ölen, dadurch mehr Kontrolle und Genauigkeit in der Bewegung. Ideal für mobile Anwendungen wie z.B. schwere Geräte und Lastwagen	Kontra Die teuerste Option Schmutzig; unübersichtliche Bedienung Filter, Leitungen, Pumpen und Öl müssen geprüft, gewechselt, gereinigt und ausgetauscht werden. Leckagen können zu erheblichen Sicherheits- und Umweltgefahren führen.
Pneumatik	Pro Schnelle Bewegung – durchschnittlich 2 m/s Kostengünstig Einfache Installation und Wartung Sauberer Betrieb – ideal für Lebensmittelanwendungen	Kontra Variierung der Geschwindigkeit ist schwierig Langsame Bewegung ist schwierig Variable Positionierung ist schwierig Hohe Genauigkeit ist schwierig und teuer Kompressor muss gewartet werden Luftfilter und Kondensatleitungen sind wartungsaufwändig Antriebe verschleißen und müssen ersetzt werden.
Elektrik	Pro Sehr schnelle Bewegung, bis zu 10 m/s Programmierbare Endlagen; elektrische Antriebe können an jeder beliebigen Position entlang ihrer Länge anhalten. Hohe Positioniergenauigkeit: Festo Antriebe liefern z.B. +/- 0,003mm bis +/- 0,015mm Programmierbare Geschwindigkeit Kann Sensor-Feedback in Bezug auf die angewandte Bewegung und ausgeübte Kraft liefern, wodurch eine bessere Kontrolle über die Bewegung ermöglicht wird.	Kontra Komplizierte Installation und Wartung Typischerweise höhere Vorlaufkosten als pneumatische Antriebe

Flexibilität

Einige Anwendungen erfordern eine flexiblere Ausstattung als andere. Ebenso unterscheiden sich die verschiedenen Antriebstypen in ihrer Flexibilität. Aus diesem Grund ist die Berücksichtigung der Flexibilität oft ein guter Ausgangspunkt bei der Entscheidung für einen Antrieb.

Für diese Überlegung müssen Sie sich Ihre jeweilige Anwendung ansehen. Wird Ihre Installation in Zukunft Änderungen benötigen? Wie viele Positionen muss Ihr Antrieb realisieren?

Wenn Sie z.B. Objekte von der einen Förderanlage greifen und auf der anderen von zwei Förderanlagen platzieren, benötigen Sie drei Positionen. Bei Pneumatikzylindern wären dafür mindestens zwei Zylinder erforderlich, die entweder gegeneinander oder separat angeordnet sind, einen für jede Förderanlage. Mit Elektrikantrieben kann eine Position an jeder beliebigen Stelle entlang der Apparatur eingestellt werden, und man kann problemlos mehrere Punkte programmieren.

Insgesamt gesehen ist die Elektrik auch die flexibelste Option, wenn es um die Kraft geht. Nehmen Sie nur einmal diesen Curtiss-Wright-Kugelgewindetrieb, der bis zu 40 Kurztonnen bewegen kann. Am anderen Ende des Spektrums findet man Linearmotoren mit bis zu 10 m/s (im Falle der Zahnriemenantriebe von Festo). Diese breite Palette an möglichen Spezifikationen bedeutet, dass es auf alle Fälle eine Elektrikoption gibt, die zu Ihren Bedürfnissen passt.

Wenn es sich in Ihrem Fall um eine High-Mix-Anwendung handelt, Ihre Installation also sowohl extrem hohe als auch niedrigere Kräfte bewältigen muss, kann es sinnvoll sein, sich für ein Hydrauliksystem zu entscheiden, um sicherzustellen, dass Ihre Antriebe jede Kraft bewältigen können, nach der Ihnen der Sinn steht.

Unter dem Gesichtspunkt der Flexibilität ist der Hauptvorteil der Pneumatik, dass sie einfach zu installieren und zu bedienen ist. Wenn Sie von einem 6″-Hub auf einen 12″-Hub umstellen müssen, ist es relativ einfach, den Zylinder zu wechseln. In der Praxis wäre dies jedoch nicht wünschenswert – und wenn komplexere Änderungen erforderlich sind, summieren sich Zeit und Kosten schnell auf.

Kosten

Die größte Diskrepanz zwischen den Ausstellungsstücken auf Messen und den tatsächlichen Anwendungen in Produktionshallen ist der Kostenmaßstab. Sicher, der kollaborative Roboter, der einen 3D-Metalldrucker bedient, während er Daten auf ein iPad streamt, ist cool, aber ist er auch notwendig und praktisch?

Für Fertigungsingenieure geht es darum, Aufgaben effizient und im Rahmen des Budgets zu erledigen. Das ist ein Grund, warum pneumatische Antriebe höchstwahrscheinlich nicht so schnell verschwinden werden, obwohl sie durch Fortschritte bei elektrischen Technologien mittlerweile technologisch überholt sind und Elektromotoren sowie -antriebe jedes Jahr billiger werden. Vergleicht man jedoch Bimbas ursprüngliche Produktlinien von pneumatischen und elektrischen Linearantrieben, so zeigt sich, dass die elektrische Version noch etwa fünfmal mehr kostet.

Hydrauliksysteme sind die teuersten Systeme und weisen im regulären Betrieb die höchsten Wartungs- und Ausrüstungsanforderungen auf.

Typen elektrischer Linearantriebe

Typische Mechanismen elektrischer Linearbewegungen reichen von Kugelgewindetrieben über Zahnstangengetriebe bis hin zu Linearmotoren. Jeder dieser Mechanismen hat jeweils unterschiedliche Stärken und Schwächen.

Schraubenantriebe

Laut Helix Linear Technologies gibt es zwei Haupttypen von Schraubenantrieben (auch Spindelantriebe genannt): Kugelgewindetriebe und Leitspindeln. Kugelgewindetriebe wandeln die Drehbewegung eines Schritt- oder Drehmotors mittels Kugelgewinde und Kugelmutter in eine lineare Bewegung um.

Im Wesentlichen basiert dieser Mechanismus auf dem Prinzip einer Mutter, die auf einer Gewindestange sitzt, in Kombination mit Kugellagern zur Verringerung der Reibung. Diese Mechanismen sind jedoch nicht selbsthemmend und benötigen je nach Anwendung zusätzliche Bremsmechanismen, wie z.B. vertikale Einbauten. Kugelgewindetriebe müssen außerdem regelmäßig geschmiert werden.

Bei Kugelgewindetrieben mit Lagern zur Reduzierung der Reibung wird eine reibungsarme Polymer- oder Bronzemutter verwendet. Die Leitspindel ist daher wesentlich günstiger als andere Linearantriebe, aber die Reibung ist höher. Dies bedeutet, dass Sie möglicherweise ein höheres Motordrehmoment benötigen, um die gleiche Last auf einem weniger effizienten Leitspindelantrieb anzutreiben als auf einem vergleichbaren Kugelgewindetrieb. Die zusätzliche Reibung erhöht auch den Verschleiß und die Betriebstemperatur und Leitspindeln müssen häufiger ausgetauscht werden als andere Antriebstypen.

Spindelantriebe können extrem hohe Kräfte abgeben, da sich die Kraft über den gesamten spiralförmigen Weg der Mutter um die Schraube verteilt. Sie können außerdem hochpräzise sein. Nachteile dieses Systems sind jedoch ein schnellerer Verschleiß als bei berührungslosen Systemen. Laut Ed Neff, Präsident von SMAC, ist bei bestimmten Anwendungen durchaus zu erwarten, dass eine Kugelgewindespindel im etwa gleichen Zeitraum wie ein Pneumatikzylinder verschleißt.

Riemen- und Zahnradantriebe

Riemenantriebe sind wie Förderbänder. Laut Misumi werden Riemen in der Regel aus faserverstärktem Elastomer hergestellt und haben in der Regel Zähne für die Verbindung mit den Riemenscheiben, um Schlupf zu vermeiden. Ein Schlittenelement fährt auf dem Riemen, um die Nutzlast zu tragen.

Das Interessante an Riemensystemen ist, dass sie im Verfahrweg effizienter skalieren als Schraubenantriebssysteme. Alles, was Sie brauchen, ist ein längerer Riemen anstatt einer längeren, präzisionsgefertigten Spiralschraube. Ein weiterer Vorteil der Riemenantriebe ist, dass sie weniger bewegliche Teile haben, was die Wartung vereinfacht. Die Riemen müssen jedoch im Rahmen der planmäßigen Wartung nachgespannt werden.

Riemengetriebene Systeme sind nicht ideal für hohe Belastungen, da sie dickere Riemen benötigen und anfällig für Stoßbelastungen sind. Da Riemenmaterialien im Laufe der Zeit oft zu Dehnung neigen, leidet die Genauigkeit.

Während Riemenantriebssysteme gegenüber Schrauben in Bezug auf den Verfahrweg überlegen sind, wird das Spannen des Riemens auf längeren Strecken schwierig. In solchen Situationen, so Danielle Collins von LinearMotionTips.com, gewinnen Zahnstangen- und Kegelradsysteme. Zahnstangenelemente können zu nahezu beliebigen Längen kombiniert werden.

Einige Zahnstangen- und Kegelradsysteme verwenden eine fixierte Zahnstange und ein bewegliches Kegelrad, während andere ein fixiertes Kegelrad und eine bewegliche Zahnstange verwenden. Bei größeren Hublängen sind bewegliche Kegelradsysteme effizienter, da die bewegte Masse geringer ist. Dem Kabelmanagement kommt jedoch in beiden Fällen eine zentrale Bedeutung zu.

Bei Zahnradgetrieben hingegen ist das Rückstoßpotential oft ein Thema, aber die heutige hochpräzise Bearbeitungstechnik ermöglicht eine Mikrometergenauigkeit bei der Verzahnung, so dass die Präzision mit der von riemengetriebenen Systemen vergleichbar ist. Einige Systeme verwenden auch ein geteiltes, duales Kegelradsystem, um Rückstoß zu eliminieren.

Sowohl bei riemen- als auch bei zahnradgetriebenen Systemen benötigen die Führungskomponenten in der Regel eine regelmäßige Schmierung.

Linearmotoren

Linearmotoren sind in der Regel die teuerste Art von elektrischen Linearantrieben, und außerdem die schnellste und dynamischste.

Während ein ein Elektromotor aus einem Rotor in einem Stator besteht, ist ein Linearmotor eine Art aufgefaltete und begradigte Version des Rotationsmotors. Da Linearmotoren eine geringere Reibung als andere Geräte haben, können einige Linearmotorprodukte laut Ed Neff von SMAC weit über hundert Millionen Zyklen aushalten.

Wenn die Nutzlastmontagefläche aus präzisionsbearbeitetem Stahl oder Granit besteht, wird das Gerät als Bühne bezeichnet. Der Begriff “Bühne” bezieht sich branchenweit auf ein Gerät mit höherer Genauigkeit.

Einfache Hydraulik vs. Servohydraulik

Laut MachineDesign.com ist die Zwischenhubpositionierung zwar mit einfacher Hydraulik möglich, erfordert aber eine manuelle Steuerung durch den Bediener. Gleiches gilt für die Geschwindigkeits- und Kraftregelung. Für die computergesteuerte oder automatisierte Positions-, Geschwindigkeits- und Kraftregelung werden Servoantriebe benötigt.

Bei hydraulischen Systemen ist die Gesamtfläche des Systems viel größer als bei vergleichbaren elektrischen Systemen. Hydrauliksysteme benötigen Schläuche, Armaturen und Ventile sowie ein Hydraulikaggregat (HPU) mit großer Stellfläche. Während Hydraulikzylinder am Zylinder Platz sparen, machen sie dies jedoch durch die aufgeblähte Stellfläche ihrer Steuerungen wieder zunichte. Servohydraulik benötigt sogar noch mehr Platz aufgrund des Schaltschranks oder SPS-Systems.

So wählen Sie den richtigen Antrieb für Ihre Anwendung aus

Nun, da wir die Grundlagen der verschiedenen Antriebstypen besprochen haben, muss betont werden, dass die Auswahl des richtigen Antriebes auf Ihre jeweilige Anwendung ankommt. Berücksichtigen Sie dabei die folgenden Aspekte:

Kraft/Nutzlast

Hohe Kraft – Tausende von Pfund

Bei extrem hohen Kräften, wie z.B. einer Pressenapplikation oder einem Portalsystem für schwere Geräte, kommt es darauf an, ob die Technologie hydraulisch oder elektrisch ist. Die nächste zu berücksichtigende Frage ist die Taktzahl, um festzustellen, welche Option schneller verschleißen und mehr Wartung über die gesamte Lebensdauer Ihres Systems hinweg erfordern wird. Fragen Sie Ihren Händler nach den Wartungsanforderungen und dem Verschleiß der einzelnen Optionen.

Der nächste zu berücksichtigende Faktor ist, dass Hydrauliköl keine saubere Angelegenheit ist. Wenn es zu einem Ölunfall kommt, kann die Reinigung großer Ölmengen kostspielig und zeitaufwendig sein. Auch wenn kein konkretes Leck auftritt, kann Öl austreten und die Oberflächen Ihrer Maschine allmählich mit einem Ölfilm überziehen. In Umgebungen wie der Elektronik oder der Lebensmittelverarbeitung, die hohe Reinheit erfordern, kann die Möglichkeit eines Ölaustritts die hydraulische Option ausschließen.

Mittlere Kraft – Zehn bis Hunderte von Pfund

Wenn Ihre jeweils benötigte Kraft im Bereich aller drei Optionen liegt, müssen Sie Ihre Positionierungsanforderungen berücksichtigen.

Benötigt die Bewegung mehr als 2 Anschlagpositionen? Wenn dies der Fall ist, ist ein pneumatisches System kompliziert zu implementieren und erfordert eine manuelle Einstellung. Dennoch kann die Pneumatik die kostengünstigste Variante sein. Die nächste Frage ist die nach der erforderlichen Genauigkeit. Bei Montageaufgaben kann z.B. eine feinkörnige Genauigkeit im Zehntelmillimeterbereich erforderlich sein. Dann sind elektrische Antriebe die beste Wahl. Pneumatische Systeme sind normalerweise nur auf wenige Millimeter genau.

Das letzte, was zu berücksichtigen ist, ist die Taktzahl Ihrer Anwendung. Linearmotoren sind zwar teurer als andere Antriebstypen, sind jedoch über viele Zyklen (100 Millionen+) hinweg beständig, während andere Systeme schnell ersetzt werden müssen.

Geringe Kraft

Berücksichtigen Sie die Genauigkeit und die dynamischen Bewegungsanforderungen Ihrer Anwendung. Wie Ed Neff von SMAC sagt, erfordern “stupide” Bewegungen, wie ein einfacher Druck oft nicht mehr als einen einfachen Pneumatikzylinder. Wann immer Sie jedoch mehr Kontrolle über die Position oder Geschwindigkeit des Gerätes wünschen, sollten Sie die elektrische Option in Betracht ziehen.

Welcher Antrieb ist der Beste?

Bei der Entscheidung zwischen elektrischen und fluidtechnischen Antrieben stehen Positioniergenauigkeit, Geschwindigkeit und Nutzlast im Vordergrund.

Die Fluidtechnik zeichnet sich in traditionelleren Anwendungen aus, in denen die Hauptvorteile von elektrischen Systemen in einer Weise über das Ziel hinausschießen, die ihre höheren Kosten nicht rechtfertigen kann. Doch die Elektrik entwickelt sich stetig weiter. Die Technologie macht Jahr für Jahr enorme Sprünge. Selbst für die fortschrittlichsten elektromechanischen Antriebe sinken die Kosten und einige Experten gehen davon aus, dass die Fluidtechnik eines Tages in der Linearmotorenindustrie völlig überholt sein wird.

Heute sieht man jedoch noch oft eine Mischung von Technologien, sogar auf ein und derselben Maschine. Eine große Presse kann beispielsweise einen großen Hydraulikzylinder mit elektrischen Antrieben zum Be- und Entladen und pneumatischen Antrieben zum Greifen von Teilen verwenden.

Während dieser Artikel einen ersten Überblick über die Möglichkeiten und eine erste Hilfestellung bei der Entscheidung zwischen Linearsystemen bieten soll, können die Experten von Unternehmen wie Festo und SMAC detaillierte Fragen zu Ihrer spezifischen Anwendung beantworten.

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