SupraMotion 3.0 Automatisierungsmodule mit Supraleitung

Transkript

1 SupraMotion 3.0 Automatisierungsmodule mit Supraleitung

2 SupraMotion 3.0 Supraleiter und ihre Potenziale für die Industrieautomation SupraCarrier: Lagerung und Bewegung eines Objekts auf schwebenden Walzen SupraHelix: rotierende Förderwelle mit einem kontaktfreien elektrischen Antriebsprinzip SupraCyc 2 Festo AG & Co. KG

3 Was auf den ersten Blick aussieht wie aus einem Science-Fiction- Film, sind die aktuellen Exponate zu SupraMotion 3.0, mit denen Festo auf der Hannover Messe 2015 die faszinierenden Eigenschaften von Supraleitern demonstriert. Kühlt man Supraleiter auf eine bestimmte Temperatur ab, können sie das Feld eines Permanentmagneten in einem definierten Abstand einfrieren, sodass entweder sie selbst oder der Magnet schweben. Der Luftspalt bleibt in jeder Raumlage stets stabil. Dieses Phänomen ermöglicht es, Objekte berührungslos zu lagern und zu bewegen mit geringem Energieaufwand und ganz ohne Regelungstechnik. Dadurch haben Supraleiter großes Potenzial für die industrielle Anwendung. SupraMotion 3.0: Erstmals lässt Festo Magnete schweben, deren supraleitende Lagerung über die Mantelfläche und nicht über die Vollfläche erfolgt. Der diesjährige Demonstrator schwebt dadurch waagerecht vor einer Wand, hinter der sich die gekühlten Supraleiter befinden. Drei neue praktische Anwendungsmöglichkeiten Als erster Anbieter von Automatisierungstechnik erforscht Festo dieses Potenzial und zeigt auf der Hannover Messe 2015 drei neue mögliche Applikationen: die Lagerung und Bewegung eines Objekts auf schwebenden Walzen, eine schwebende rotierende Förderwelle mit einem kontaktfreien elektrischen Antriebsprinzip sowie die aktive und kontrollierte Übergabe eines schwebenden Magnetpucks von einem Supraleiter-Element zum nächsten. Erstmals erfolgt die supraleitende Lagerung dabei auch über die Mantelfläche eines Magneten statt über dessen Vollfläche. Impulse für die Automatisierungstechnik Noch befindet sich der Einsatz von Supraleitern im Bereich der Industrieautomation im Entwicklungsstadium. Aber schon heute sind mit der Technologie völlig neue und effiziente Prozesse denkbar. Große Einsatzpotenziale gibt es überall dort, wo eine berührungslose Lagerung oder Handhabung gefragt ist beispielsweise aus Reinigungsaspekten, bei räumlicher Trennung oder im Umgang mit empfindlichen Objekten. Zukunftsanspruch von Festo Ziel von Festo ist es, gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft die Erforschung von Supraleitern für den industriellen Einsatz voranzutreiben und die Technologie kontinuierlich weiterzuentwickeln. le: aktive und kontrollierte Übergabe von schwebenden Magnetpucks Erfahren Sie auf den folgenden Seiten mehr über Supraleiter, über ihre Eigenschaften und ihre Potenziale für die Automatisierungstechnik von morgen und übermorgen! SupraMotion 3.0 3

4 Faszination Supraleiter Materialien mit besonderen Eigenschaften Erwecken Sie die Grafik auf Ihrem Smartphone oder Tablet zum Leben (Anleitung auf Seite 12) Stabiles Schweben mit konstantem Abstand Um einen Supraleiter über einem Permanentmagneten schweben zu lassen, legt man einen Abstandhalter zwischen beide und kühlt den Supraleiter herunter. Unterschreitet dieser seine Sprungtemperatur, friert er das Magnetfeld ein und fixiert so den definierten Abstand. Entfernt man nun den Platzhalter, schwebt der Magnet stabil über dem Supraleiter und nimmt auch dann wieder die gespeicherte Position ein, nachdem er temporär entfernt oder bewegt wurde. Selbst in flüssigen und gasförmigen Medien, sogar im Vakuum, kann das Prinzip eingesetzt werden. Widerstandsfrei im supraleitenden Zustand Unterhalb seiner Sprungtemperatur verändert sich die Leitfähigkeit des Supraleiters. Sein elektrischer Widerstand fällt schlagartig auf null ab. Setzt man den Strom durch Anlegen einer Spannung einmal in Bewegung, fließt er ohne Verlust in einem geschlossenen Kreislauf. Dadurch lassen sich äußerst energieeffizient sehr starke Magnetfelder erzeugen, die verlustfrei bestehen bleiben. Dieser Effekt ermöglicht zusammen mit dem gespeicherten Magnetfeld ein Schweben ohne externe Regelung in allen Raumlagen. Aktive Kühlung der Supraleiter Für SupraMotion 3.0 setzt Festo auf Hochtemperatur-Supraleiter aus keramischem Material. Ihre Sprungtemperatur liegt bei etwa 93 Kelvin ( 180 C), sodass die Exponate energieeffizient und unabhängig von Kühlmedien wie flüssigem Stickstoff betrieben werden können. Die aktuell verwendeten Stirling-Kühler haben einen Energiebedarf von maximal 80 Watt pro Kryostat (Kühlbehälter), wodurch geringe Betriebskosten anfallen. Der Schwebeeffekt für sich betrachtet ist kostenlos. Dank der gespeicherten Kälteenergie ist der Betrieb der drei Exponate selbst bei einem Stromausfall für mehrere Minuten gewährleistet. Die Lebensdauer der Kühler beträgt derzeit bereits bis zu zehn Jahre. Um Objekte schwebend zu bewegen, gibt es bereits verschiedene Technologien mit Vor- und Nachteilen je nach Anwendungsfall. Mit Supraleitern sind neue Abläufe denkbar, wo Alternativtechnologien nicht eingesetzt werden können oder aufgrund ihres hohen Energie- und Regelungsaufwands unattraktiv sind. 4 Festo AG & Co. KG

5 01: Einzigartiges Wirkprinzip: Schweben im supraleitenden Zustand bei 180 C 02: Definierte Position: Einfrieren des Schwebeabstands beim Demonstrator von SupraMotion : Permanenter Merkeffekt: anschließendes Schweben des magnetischen Demonstrators über dem Supraleiter 04: Berührungsfreies Handhaben: Arbeiten im abgeschlossenen Raum oder durch Abdeckungen hindurch Lagern und Bewegen ohne Regelungstechnik Dank der systemeigenen Rückstellkräfte halten supraleitende Magnetlager ihre vordefinierte Position selbstständig und unabhängig von ihrer räumlichen Ausrichtung. Im Gegensatz zu Feldkraftlagern lassen sich damit Lasten ganz ohne aufwendige Regelungstechnik tragen. Arbeiten bei räumlicher Trennung Für den Transport von flächigen Objekten mit verhältnismäßig geringem Gewicht haben sich Luftlager bewährt vor allem, da auf ein zusätzliches Trägerelement verzichtet werden kann. Der Luftspalt ist hier sehr klein und lässt keine Unterbrechung zu. Dringen unmagnetische Stoffe in das Lager ein, werden die Lagerungs- und Führungsfunktionen nicht beeinträchtigt. Das erlaubt auch den Einsatz in besonders stark verschmutzten Bereichen. Einfache Reinigung und steriles Handling Die berührungsfreie Führung und Lagerung von supraleitenden Systemen vermeidet Abrieb, Schmierstoffe und Staub. Durch die schwebende Übergabe von Objekten über Systemgrenzen hinweg sind sogar höchste Anforderungen an Sterilität gewährleistet. Längere Prozessketten ohne Berührung sind damit realisierbar. Außerdem ermöglichen diese Eigenschaften einen wartungsarmen Einsatz in Umgebungen mit strengen Reinheitsanforderungen. Supraleitende Systeme dagegen eignen sich auch für größere Lasten und können über ihren definierbaren Schwebespalt sogar durch Wände hindurch und in allen Raumlagen arbeiten. Das ermöglicht Handhabungen in geschützten und abgeschlossenen Räumen oder durch Verkleidungen hindurch. Kontaminationsanfällige oder schwer zu reinigende Bereiche lassen sich so durch glatte und reinigungsfreundliche Oberflächen schützen. Breites Spektrum an Lager- und Führfunktionen Supraleitende Automatisierungsmodule können mit einer Vielzahl von Lagerungsvarianten und aktiven Antrieben realisiert werden. Das ermöglicht ihnen, beliebige kinematische Abläufe linear wie rotativ schwebend auszuführen. Mit den drei aktuellen Exponaten zu SupraMotion 3.0 erweitert Festo nun nochmals das Spektrum der bisher gezeigten Lagerungs- und Bewegungsformen. SupraMotion 3.0 5

6 SupraCarrier Lagern und Bewegen auf schwebenden Rollen Auf einer horizontal angebrachten elektrischen Achse vom Typ EGC-HD sind zwei Kryostate mit Supraleitern montiert. Über beiden Kryostaten schweben jeweils zwei magnetische Transportwalzen das heißt, über jedem Supraleiter sind zwei Magnete eingefroren. Auf den Walzen liegt ein flacher Werkstückträger. Ihre Magnetisierung ist dabei so angelegt, dass der Schwebeabstand zu ihren Mantelflächen gehalten wird und die Walzen sich frei um die eigene Längsachse drehen können. Kontrolliertes Schweben über und unter der Abdeckung Zwischen den Kryostaten und den schwebenden Wellen befindet sich eine Abdeckung mit Öffnungen in Größe und Position der Walzen. Wie der Werkzeugträger kann sie aus beliebigem, nicht ferromagnetischem Material sein. Werden die Kryostate abgesenkt, schweben die Walzen durch die Öffnungen unter die Abdeckung. Der Träger liegt in dieser Position auf ihrer Oberfläche auf. Soll das Objekt weitertransportiert werden, fahren die Kryostate und mit ihnen die schwebenden Walzen wieder nach oben und heben dadurch den Werkstückträger wieder an. Kippt man die Walzen, zum Beispiel durch Neigung der elektrischen Achse, kann der flächige Träger sogar über die frei drehbaren Rollen abgleiten. Einsatzpotenziale bei flachen Werkstücken Das Konzept magnetischer schwebender Walzen eignet sich zur Handhabung von flachen Werkstücken oder zum Transport von Objekten auf einer Trägerplatte. Eine Anwendung wie der SupraCarrier könnte beispielsweise Glas, Holz oder Papier in sehr rauen oder sehr reinen Umgebungen bewegen. Grundlage für das universelle Einsatzgebiet ist die gute Reinigbarkeit der Applikation. Sowohl die Transportwalzen als auch die Abdeckungen lassen sich einzeln schnell und einfach säubern. Magnetische Walzen: schwebender Transport von flachen Objekten Vertikales Verfahren: Schweben oberhalb und unterhalb der Abdeckung 6 Festo AG & Co. KG

7 SupraHelix Transport auf einer rotierenden Förderwelle Bei SupraHelix sind zwei Kryostate mit Supraleitern horizontal auf einem Schwenkantrieb vom Typ DRRD angebracht, der an einem Träger über der Tischplatte aus Plexiglas befestigt ist. Unter ihre Sprungtemperatur heruntergekühlt bringen die beiden Kryostate eine kopfüber hängende Welle mit integriertem Gewinde zum Schweben. Mit Hilfe des Schwenkantriebs wird die Anwendung in eine Neigung von 40 Grad gebracht, sodass die Welle schräg im Raum hängt. In der Welle sind an den beiden Enden die Permanentmagnete als Gegenlager zu den Supraleitern angebracht. Sie sind in einem Schwebeabstand von etwa acht Millimetern zu den Supraleitern eingefroren und nehmen die Traglast auf. Die Supraleitung wirkt dabei auf die Mantelfläche der Magnete, sodass eine Drehung der Welle um ihre Längsachse möglich ist. Kontaktfreies elektrisches Antriebsprinzip Für das Exponat hat Festo den Prototypen eines zweiphasigen permanenterregten Schrittmotors entwickelt, der über zwei Magnete in der Mitte der Welle angekoppelt ist. Dadurch ist ein aktiver und berührungsloser Antrieb möglich. Dreht sich die Welle, kann sie über ihr Gewinde einzelne Metallringe nach oben transportieren. Am oberen Ende rutschen sie über einen Edelstahldraht wieder nach unten und springen selbstständig wieder auf das Gewinde, wodurch ein Kreislauf entsteht. Berührungslose rotierende Wellen nutzen Über die Spiralstruktur können ringförmige Werkstücke von einer Bearbeitungsstation zur nächsten transportiert werden. Eine federnde angetriebene Welle könnte auch das Polieren und Schleifen nicht ferromagnetischer Werkstoffe ermöglichen. Magnetische Welle: supraleitende Lagerung über die Mantelfläche Schwebende Spirale: Gewinde zur Beförderung von ringförmigen Werkstücken SupraMotion 3.0 7

8 SupraCycle Kontaktfreie Übergabe von schwebenden Magnetpucks Das SupraCycle zeigt erstmals die aktive Übergabe von schwebenden Permanentmagneten von einem Supraleiter-Element zum nächsten. Damit demonstriert Festo, wie sich Objekte dank Supraleitung auch über Systemgrenzen hinweg schwebend übergeben lassen. Auf der Grundplatte aus Plexiglas sind drei Kryostate mit integrierten Supraleitern angebracht, die zwei magnetische Objektträger reihum auf den nächsten Kryostaten übergeben. Zur Veranschaulichung sind an den Pucks jeweils zwei kleine Fläschchen befestigt. Integrierte Intelligenz Die Kryostate sind auf Drehmodulen vom Typ ERMB verbaut und lassen sich dadurch jeweils um 360 Grad drehen. Stehen sich zwei von ihnen genau gegenüber, gibt der eine Kryostat den magnetischen Objektträger an den anderen ab. Die modifizierte Vorderseite des Kryostaten sorgt dafür, dass sich die gespeicherte Verbindung gezielt lösen und wiederherstellen lässt. Eine Kamera vom Typ SBO überträgt die Übergabe in Echtzeit auf einen Monitor, der zudem alle Daten zur permanenten Überwachung anzeigt. Vor Beginn der Anwendung wird der Objektträger jeweils mit einem Schwebeabstand von mehreren Millimetern zu den Supraleitern in den Kryostaten eingefroren. Der Vorgang erfolgt über eine Vorrichtung, deren Wanddicke dem späteren Schwebespalt entspricht. Eine Neujustierung des Schwebespalts ist damit automatisiert möglich. Systemübergreifender Transport Wie im Exponat mit den Fläschchen demonstriert, lassen sich am Objekt problemlos Trägerelemente befestigen. Zukünftig könnten so beim Transport von Objekten die Werkstückträger berührungslos zwischen zwei Handlingsystemen übergeben werden. Lange Prozessketten ohne Berührung werden Realität. Berührungsloser Transport: Übergabe eines magnetischen Objektträgers Simulierter Werkstückträger: magnetischer Puck mit montiertem Trägerelement 8 Festo AG & Co. KG

9 Technische Daten Die drei Projekte im Überblick SupraCarrier SupraHelix SupraCycle Abmessungen: mm Schwebespalt: mm Magnete:...Rundmagnet Kryostat:... Bauform eckig Abmessungen: mm Schwebespalt:...ca. 8 mm Magnete:...Ringmagnet Kryostat:... Bauform eckig Welle:...Ø 50 mm, Länge 700 mm Abmessungen: mm Schwebespalt:... 4 mm Magnete:...Doppelmagnet in...halbach-struktur Kryostat:... Bauform eckig Eingebaute Komponenten von Festo: 1 Linearachse EGC-HD Servomotor EMME-AS-80-S-LS-AMB 2 Elektroschlitten EGSP P 2 Servomotor EMME-AS-S-LS-AMB 3 Motorcontroller CMMP-AS-C5-3A-MO 2 Netzteil CACN-3A Steuerung CPX-Terminal mit CEC-S1 1 Controller CDPX-X-A-S-10 Eingebaute Komponenten von Festo: 1 Kolbenschwenkantrieb DRRD Linearachse EGC-K Netzteil CACN-3A Steuerung CPX-Terminal mit CEC-S1 1 Controller CDPX-X-A-S-10 Eingebaute Komponenten von Festo: 3 Drehmodul ERMB-32 3 Mini-Schlitten DGSL E3 P1A 3 Magnetventil CPE10-M1BH-5C-M5 3 Motor EMME-AS-80-S-LS-AMB 3 Motorcontroller CMMP-AS-C5-3A-MO 1 Ventilinsel MPA-S mit CPX-Terminal 1 Steuerung CPX-Terminal mit CEC-S1 2 Netzteil CACN-3A Kamera SBO 1 Controller CDPX-X-A-S-10 SupraMotion 3.0 9

10 Kontinuierliche Weiterentwicklung Eine Technologie auf dem Weg in die industrielle Anwendung (1) SupraLinearMotion (2) SupraHandling (3) SupraPicker (4) SupraHandling 2.0 (5) SupraShuttle (6) SupraChanger Erwecken Sie die Projekte auf Ihrem Smartphone oder Tablet zum Leben (Anleitung auf Seite 12) (7) SupraCarrier (8) SupraHelix (9) SupraCycle 10 Festo AG & Co. KG

11 01: Unterschiedlichste Bewegungs- und Lagerungsformen: die bisherigen Projekte zu SupraMotion 02: Neue Anwendungsideen: intensiver Austausch mit Industrie und Wissenschaft (4) SupraHandling 2.0: lineare Bewegung in drei Raumlagen Beim SupraHandling 2.0 bewegt sich ein schwebender Schlitten entlang von zwei Magnetschienen. Durch die Drehung des Systems kann der Schlitten waagrecht, senkrecht oder über Kopf fahren. (5) SupraShuttle: lineare Bewegung in alle Raumrichtungen Das SupraShuttle zeigt die Bewegung eines schwebenden Objektes in alle Raumrichtungen sowie die Handhabung des Supraleiter- Elements selbst. Auch in hermetisch abdichtbaren Räumen. (6) SupraChanger: Übertrag einer Rotation auf Magneten Der SupraChanger überträgt eine kontrollierte und berührungslose Drehbewegung über schwebende Magnete auf drei Applikationen, die dadurch reihum gewechselt werden können. Als Impulsgeber der Automatisierungstechnik ist es die Kernkompetenz von Festo, die Produktions- und Arbeitswelten der Zukunft mitzugestalten und ständig nach neuen Wegen, Denkansätzen und Lösungen zu suchen. Daher befasst sich Festo seit Jahren intensiv mit der Supraleiter- Technologie und ihrem industriellen Einsatz. Mit den Projekten zu SupraMotion wurden bereits unterschiedlichste Lagerungsund Bewegungsformen konkret erprobt und in möglichen Anwendungen realisiert: (1) SupraLinearMotion: lineare Bewegung durch Kippen Die Wippkonstruktion macht die Eigenschaften der Supraleiter- Technologie erlebbar. Ein Fahrgast schwebt reibungsfrei und geräuschlos auf einem Schlitten über die Magnetschiene. (2) SupraHandling: beliebige Positionierung in der Ebene Für das SupraHandling wurde das Prinzip der Wippe auf einen Kreuztisch übertragen. Somit lassen sich alle Positionen in x- und y-richtung berührungslos anfahren. (3) SupraPicker: Handhabung bei räumlicher Trennung Mit Hilfe eines schwebenden Magnetpucks führt der supraleitende Greifarm das Greifgut von außerhalb durch eine Schleuse in einen geschützten Raum, wo das Werkstück weiterbearbeitet wird. (7) SupraCarrier: Lagern und Führen auf schwebenden Walzen Mit dem SupraCarrier zeigt Festo, wie flächige Objekte über die sehr geringe Kontaktfläche von drehbaren Walzen frei schwebend gelagert und transportiert werden. (8) SupraHelix: Transport auf rotierender Förderwelle Die schwebende Förderwelle wird kontaktlos zum Rotieren gebracht und kann so auf ihrer Spiralstruktur einzelne Metallringe über eine Steigung von 40 Grad nach oben befördern. (9) SupraCycle: Übergabe von schwebenden Magnetpucks Beim SupraCycle werden zum ersten Mal schwebende Träger aktiv und kontrolliert von einem Supraleiter-Element zum nächsten über Systemgrenzen hinweg übergeben. Neben den unterschiedlichen Anwendungen hat Festo mit den Projekten auch verschiedene Kühlkonzepte erprobt. Großes Optimierungspotenzial besteht auch weiterhin bei der Erforschung neuer Materialien und der Entwicklung von leistungsfähigen und preiswerten Kühlsystemen. Suche nach Pilotkunden und konkreten Applikationen Nach mehreren Jahren intensiver Forschungsarbeit und drei Jahren Messeerfahrung untersucht Festo nun konkret mit Partnern und Kunden deren Anwendungsideen, die in Pilotprojekten umgesetzt werden können. Gehen auch Sie den nächsten Schritt und begleiten Sie die Supraleiter- Technologie gemeinsam mit Festo in die industrielle Anwendung! SupraMotion

12 Projektbeteiligte Projektinitiator: Dr. Wilfried Stoll, Geschäftsführender Gesellschafter Festo Holding GmbH Technologiepartner: Dr. Oliver de Haas evico GmbH, Dresden Projektkoordination: Georg Berner Festo Holding GmbH Exponatebau: Rolf Sauter eta Gerätebau GmbH, Wernau Projektteam: Dr. Heinrich Frontzek, Dr. Susanne Krichel, Martin Fuss, Herbert Halama, Stephan Schauz, Martin Beier, Uwe Neuhoff, Sandro Marucci, Roland Grau, Matthias Gehring, Simon Hanschke, Torsten Seger, Festo AG & Co. KG Visualisierung: Matthias Acksel Konzept & Visualisierung in Architektur & Design, Stuttgart Sehen Sie mehr auf Ihrem Smartphone oder Tablet-PC Die Bilder auf Seite 4 und Seite 10 erklären nicht nur das Prinzip und mögliche Anwendungen der Supraleiter; sie verbergen dank Augmented Reality auch Animationen für Smartphones und Tablets. Dazu benötigen Sie lediglich ein aktuelles Gerät und die App junaio, die kostenlos im App Store von Apple oder bei Google Play erhältlich ist. Laden Sie sich junaio herunter und öffnen Sie die App. Suchen Sie nun den Kanal Festo Supra und wählen Sie ihn aus. Richten Sie anschließend die Kamera Ihres Gerätes auf die Grafik und versetzen Sie die Supraleiter in Bewegung. Festo AG & Co. KG è Film Ruiter Straße Esslingen Deutschland Telefon Fax cc@de.festo.com de 4/2015