Antriebssysteme Effizient und integriert www.vdma-verlag.com 2014/ 03
Antriebstechnik Zahlen, Daten, Fakten bilder: fotolia Fördertechnik: 964 Millionen Euro Werkzeugmaschinen: 1,02 Milliarden Euro Antriebstechnik: 1,4 Milliarden Euro Für insgesamt knapp 14 Milliarden Euro wurden 2012 Maschinen aus Deutschland in die USA geliefert. Wichtigster Fachzweig war die Antriebstechnik mit einem Anteil von 10,2 Prozent. Die direkte Exportquote der deutschen Antriebstechnik liegt bei 70 Prozent. Alternative Antriebe gesucht: Trotz der Diskussionen werden fossile Brennstoffe noch lange den Markt beherrschen. 4 Liter Kerosin gewinnt eine moderne Raffinerie aus 100 Litern Erdöl. Der Großteil des Rohöls wird zu Benzin, Diesel, Heizöl und Schweröl raffiniert. 5 bis 10 Prozent des Rohöls gehen durch den Eigenverbrauch der Raffinerie verloren. Solarbetriebener Luftkissen-Antrieb: Passagiere reisen künftig von Los Angeles nach San Francisco (560 Kilometer) in 30 Minuten, wenn der Plan des Hyperloop wahr wird.
Gastbeitrag Antriebstechnik in Bewegung Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs Leiter des Instituts für Maschinenelemente und Maschinengestaltung RWTH Aachen Die Emissionsgesetzgebung für Fahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen, die industrieweite Forderung nach hoher Energieeffizienz und der im Bereich der Schwerlastantriebstechnik steigende Druck zur Verbesserung der Zuverlässigkeit halten seit Jahren die Antriebstechnik in Atem. Insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik bringt die Forderung nach verbesserter Energieeffizienz zahlreiche antriebstechnische Neuerungen hervor. Die Hersteller von Pkw, Nutzfahrzeugen sowie mobilen Arbeitsmaschinen und deren Zulieferer entwickeln nicht nur bewährte Antriebskonzepte weiter, sondern nutzen gezielt neue Getriebekonzepte wie Doppelkupplungsgetriebe oder Leistungsverzweigungsgetriebe. Erfreulich ist dabei zu beobachten, dass sich zunehmend auch technisch komplexe Antriebslösungen durchsetzen, sofern die Anforderungen hinsichtlich Funktion, Zuverlässigkeit und Kosten beherrscht werden. Das Streben nach reduzierten Emissionen hat die Leistungsnivellierung, den Start-Stopp-Betrieb und die Energierückgewinnung durch Hybridkonzepte vorangetrieben. Die stark verbreiteten elektrischen Hybride sind mit den hydraulischen Hybriden im Wettbewerb. Obwohl hydraulische Speicher modernen Batterien hinsichtlich der speicherbaren Energiemenge unterlegen sind, haben sich hydraulische Hybride in mobilen Arbeitsmaschinen und Nutzfahrzeugen mit kurzen Arbeitszyklen und sogar im Pkw etablieren können, wo sie signifikante Kraftstoffeinsparungen im neuen europäischen Fahrzyklus realisieren. Erst durch die Entwicklung elektrisch hybridisierter Pkw stehen heute schnelldrehende elektrische Maschinen mit hohen Leistungsdichten und deutlich gesenkten Kosten zur Verfügung, die durchaus weitere Marktveränderungen nach sich ziehen könnten. In der Industrietechnik erleben Antriebe großer Leistungen, insbesondere getrieben durch die Windenergie, eine rasche Weiterentwicklung. Die komplexen, dynamischen Wind- und Netzlastkollektive beanspruchen Rotoren, Lager, Getriebe, Generatoren und Leistungselektroniken der Anlagen in einer Weise, die ein Überdenken der heutigen Berechnungs- und Erprobungsverfahren für große Antriebskomponenten erforderlich macht, um deren Zuverlässigkeit weiter zu verbessern. Die Antriebstechnik war lange nicht mehr so in Bewegung wie in den vergangenen Jahren und fordert die volle Innovationskraft der Ingenieure ebenso wie den Weitblick von Managern und Politikern, um die Chancen zum Ausbau unserer Position auf dem Weltmarkt umfassend zu nutzen. Georg Jacobs Impressum Herausgeber und Verlag VDMA Verlag GmbH Lyoner Straße 18 60528 Frankfurt www.vdma-verlag.com Geschäftsführung Stefan Prasse, Holger Breiderhoff Verlagsleitung Zeitschriften Manfred Otawa manfred.otawa@vdma.org Redaktion Georg Dlugosch Telefon +49 7423 8499477 info@dlugosch.org Anzeigen Verlagsvertretung Baden-Württemberg und Hessen Armin Schaum Telefon +49 69 95408775 verlagsbuero.schaum@t-online.de Verlagsvertretung Nordrhein-Westfalen und Niedersachsen Gabriele Schneider Telefon +49 5206 91500 g.schneider@gs-media-service.de Druckauflage 8.000 Exemplare Technische Herstellung Satz und Gestaltung: Designtes, Frankfurt Druck: Druck- und Verlagshaus Zarbock GmbH & Co. KG, Frankfurt am Main Veröffentlichungen in jeder Form, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des Verlags und unter ausführlicher Quellenangabe gestattet. Gezeichnete Artikel geben nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers wieder. Für unverlangt eingesandte Manuskripte haftet der Verlag nicht. Eine Beilage zu den VDMA Nachrichten.
Inhalt Gastbeitrag 4 Antriebstechnik in Bewegung Mobilität neu gedacht 6 Streetscooter: Mit PTC Windchill in der halben Zeit entwickelt Eine spezielle Folie ist sanft zu den Oberflächen. 22 Antriebstechnik: Wegbereiter für Industrie 4.0 8 Wittenstein engagiert sich als Innovationstreiber Belastungsanalyse für Windenergieanlagen 10 Forschung: Auf die richtige Dimensionierung kommt es an. Ganzheitliches Engineering erleichtert das Retrofit 12 Ein Retrofit-Projekt von Siemens zeigt die Vorteile dieser Sichtweise. Quantensprung für die horizontale Fördertechnik 14 Mit dem Smart Motor hat Lenze die Einfachheit eines Netzmotors mit den technischen Vorteilen einer elektronischen Antriebssteuerung verbunden. Ein Doppelmesser erhöht zum Beispiel bei der Produktion von Käsewürfeln die Leistungsfähigkeit und verbessert das Ergebnis. 28 SUPPLEMENTS 2014 Das nächste Supplement beschäftigt sich mit Serviceund Verpackungsrobotik. Die weiteren Themen: IT & PLM, Präzisionswerkzeuge. Linear- und Rotationsbewegung kombiniert 16 Linmot hat eine kompakte Einheit entwickelt. Sekt-Appeal mit Effizienz: 18 Prickelnder Erfolg bei Abfüllanlagen Die Sektkellerei Rotkäppchen setzt auf eine Abfüllanlage mit energieeffizienten Motoren von SEW. Ohne Schaltschrank sinkt der Hunger auf Energie 20 Bis zu 90 Prozent Energie sparen Maschinenhersteller und Anwender mit schaltschranklosen Antrieben von Bosch Rexroth. Richtig ausgewählt spart 22 der Antrieb 70 Prozent der Energie Forschung: Korrekte Auslegung und optimierte Betriebsstrategie. Effiziente Wälzlager und Linearführungen 24 Schaeffler entwickelt die Wälzlager weiter. Steckverbinder ersetzt 26 Klemmbrett und Klemmkasten Phoenix Contact ersetzt Klemmbrett und Klemmkasten. Umrichterbasierender Antrieb schneidet gut ab 28 Nord Drivesystems auch ohne externe Steuerung Sicherheitsbremsen: Typische Einsatzbereiche finden sich bei Aufzügen, Hängebahnen und Windkraftanlagen ebenso wie in der Robotik oder im Maschinenbau. 30 Titelbild: Flaschenabfüllung bei Rotkäppchen mit energieeffizienten Motoren von SEW. Foto: SEW Federdruck- oder Permanentmagnet-Bremse 30 Beide Wirkprinzipien werden bei Kendrion unterschiedlich eingesetzt. Magnetische Direktantriebe für die Automation 32 Physik Instrumente: Vorteile bei Verschleiß und Dynamik. Elektromotoren mit Roboterhilfe: 34 Von der Handarbeit zur Massenproduktion Forschung: Methoden zur vollautomatischen Herstellung von elektrischen Antrieben.
Mobilität neu gedacht von Eduard Rüsing Mit alternativen Struktur- und Entwicklungsansätzen ist ein wirtschaftliches Elektroauto für die Stadt entwickelt worden: der Streetscooter. Auf Basis der System- und Kollaborationsplattform PTC Windchill entwickelten 80 Partner das erste serienreife Modell des Elektroautos Streetscooter innerhalb der Hälfte der üblichen Zeit. Fotos: Streetscooter Bei dem Technologieansatz von Streetscooter wurde nicht einfach der Antriebsstrang eines konventionellen Modells durch eine elektrische Antriebseinheit ersetzt; das gesamte Fahrzeug ist eine Neuentwicklung, die konsequent auf die Möglichkeiten und Anforderungen eines elektrischen Antriebsstrangs ausgelegt wurde. Wie lässt sich in kurzer Zeit und zu möglichst geringen Kosten ein Elektroauto von Null bis zur Serienreife entwickeln? Wie muss dazu eine Entwicklungs- und Systemumgebung inklusive der anschließenden Produktion aussehen, damit sich kundenspezifisch Derivate einfach und zu einem Bruchteil der Kosten und Zeit daraus ableiten lassen? Das Ergebnis ist ein Struktur- und Entwicklungskonzept, mit dem bis zu 80 Partner auf der System- und Kommunikationsbasis Windchill von PTC in etwa der Hälfte der üblichen Zeit und zu einem Zehntel der Standardkosten das erste serienreife Modell des Streetscooters entwickelt haben. Um wirtschaftlich konkurrenzfähig zu sein, wurde der Streetscooter für die Effizienzlücke der urbanen Verkehrsumgebung (kurze Fahrzeiten mit häufigem Stop-and- Go, begrenzte Reichweite von 120 Kilometern, niedrige Höchstgeschwindigkeit, hohe Schadstoffauflagen) konzipiert, denn dort kann ein Straßenroller günstiger als Autos mit Verbrennungsmotor sein. Die gesteckten Ziele wurden beim ersten serienreifen Modell erreicht, einem Nutzfahrzeug für Postauslieferungen der DHL, das sich zurzeit in der Testphase befindet: Mit dreieinhalb Jahren eine Halbierung der Entwicklungszeit und mit 30 Millionen Euro Entwicklungsaufwand ein Zehntel des marktüblichen Wertes. Prof. Dr. Achim Kampker, Geschäftsführer der Streetscooter GmbH und Inhaber des Lehrstuhls für Produktionsmanagement am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen: Derartig anspruchsvolle 6
Vorgaben erforderten nicht nur eine von Grund auf neue Vorgehensweise bei der Technologie, sondern beim gesamten Geschäftsmodell Auto. Der Technologieansatz war dann nicht einfach ein Austausch des Antriebsstrangs, sondern ein völlig neues Auto, das auf das Wesentliche reduziert, um die Batterie herum gebaut wurde. Baukastenprinzip des Fahrzeugs Grundlage der Struktur des Streetscooters ist das Baukastenprinzip: Die modulare Produktarchitektur soll sicherstellen, dass sich das Elektroauto für die Stadt kontinuierlich erneuern und rekonfigurieren lässt. Das Fahrzeug wurde in neun LEGs (Lead Engineering Groups) eingeteilt, wie etwa Karosserie, Thermomanagement, Antriebsstrang, Batterieentwicklung, Bordnetz und schließlich die LEG Gesamtfahrzeug. Für diese Kompetenzfelder wurden erfahrene Partner geworben, von denen zehn als Gesellschafter zusammen mit dem WZL die Streetscooter GmbH gründeten. Bewusst wurde die Kompetenz der Partner in Anspruch genommen, die weitestgehend bereits entwickeltes und bewährtes Produkt-Know-how in das Projekt einbrachten. Produkt und Prozesse sollten möglichst parallel und komplett für den gesamten Produktlebenszyklus entwickelt werden, und das in einem Netzwerk mit Zuliefer- Partnern, deren Arbeitsmittelpunkt zwar Aachen ist, die eigentlich aber von keinem einzelnen Kraftpunkt aus gesteuert werden. Um das notwendige Kommunikationsmanagement der Daten und Prozesse in den Griff zu bekommen, haben wir sehr früh PTC als strategischen Partner mit ins Boot geholt, berichtet Kampker. Das Im PLM-Konzept von PTC ist die Struktur der Träger aller relevanten Informationen. Sie stellt das integrale Basiswissen über das Produkt in einer Art modularer Wissenssynthese bereit. Das neue Entwicklungskonzept emöglichte die Halbierung der Entwicklungszeit und eine Reduzierung des Entwicklungsaufwands auf ein Zehntel der üblichen Werte. Unternehmen sei mit seiner Product-Lifecycle-Management-Lösung Windchill und der CAD-Plattform Creo als einziger in der Lage gewesen, die hohen Anforderungen zu erfüllen. Um kundenspezifische Derivate in kürzester Zeit und mit geringerem Aufwand als für die Ausgangsplattform erfolgreich entwickeln zu können, war eine Voraussetzung entscheidend: die Erstellung von konsistenten, mathematisch eineindeutigen Modellen. Dies habe kein anderer PLM/CAD-Anbieter garantieren können außer PTC, so Kampker. Das zentrale Repository von Windchill, auf das man weltweit über Browser zugreift, sichert zudem als die einzige Datenquelle (single source of truth), dass nur eine Datentonne existiert, die den aktuell gültigen Stand der Bauteile abbildet. Das vermeidet Versionsund Geometriekonflikte und bildet die Grundlage für ein effizientes Versionsund Change-Management. Anders als bei klassischen OEM-Zuliefer-Beziehungen brachten die Streetscooter-Zulieferer ihr etabliertes Know-how auf ihren vorhandenen Autorensystemen ein. Damit war PTC als Mitglied der LEG Gesamtfahrzeug in der Pflicht, im ersten Schritt eine Infrastruktur aufzusetzen, um alle Partner mit ihren unterschiedlichen Systemen, wie NX, SolidWorks, Catia oder PTC Creo zu integrieren. Die Konsolidierung erfolgte in der Windchill-Umgebung mithilfe der Multi-CAD Designwerkzeuge von PTC Creo. Bei der folgenden Einbindung der Partner in ihre jeweiligen LEG- Entwicklungsprozesse erhielt jeder seinen sicheren Arbeitsbereich und die LEGs ihre Projekträume, um die über VPN entsprechend gesicherte Kollaboration zu ermöglichen. Anschließend wurde die gesamte Struktur in den Kontext einer modularen Produktarchitektur überführt. Das war ein Meilenstein, denn das versetzte uns in die Lage, sehr schnell neue Fahrzeugvarianten ableiten zu können, erklärte Markus Hannen, Technischer Direktor bei PTC und mitverantwortlich für das Projekt in der Startphase. Der erste Prototyp, ein dreisitziges Modell namens Compact, war nach einem Jahr fertig. Wenig später kam die Anfrage der Post und die Plattformarchitektur gemäß den Anforderungen für ein Nutzfahrzeug erweitert. Kampker sieht das Streetscooter-Projekt auf einem guten Weg. PTC hat von Anfang an verstanden, wo wir hinwollten und uns dabei unterstützt. Der Status quo zeige ein Modell in Vorserie, das noch in diesem Jahr in einer Größenordnung von 3000 Stück in Produktion gehen soll. Parallel dazu werden zwei Derivate in die Vorserie geführt, das ist das dreisitzige Modell Compact und das Pedelec, ein E-Bike, bei dem auch die Anforderungen der Post bei der Briefzustellung Pate standen. Die Montage der Vorserienmodelle erfolgt mit 40 Mitarbeitern in Aachen. Im Moment werden die Modelle nur an Flottenkunden abgegeben. Das kann sich schnell ändern, wenn für den Vertrieb im Flächenmarkt ein Unternehmen gefunden wird. Den Aufbau von Vertriebsstrukturen für Privatkunden wollen wir in der Streetscooter GmbH nicht mehr stemmen, so Kampker. Durch einen neuen Investor kommen auch Privatkunden in den Genuss eines kostengünstigen Elektroautos für die Stadt. Eduard Rüsing Journalist Telefon +49 721 40-3000 know-how PLM-Lösung Die Software von PTC wird im Rahmen des Projekts zum Beispiel eingesetzt für: das Basiskonzept, die modulare Produktarchitektur die reibungslose Zusammenarbeit zwischen den Partnerunternehmen (Kollaboration) die Produktanalysen im Vorfeld (Kohlendioxid, Environmental, Gewicht und Kosten) das Fertigungsprozess-Management das Service-Lifecycle-Management. www.ptc.com 7
Antriebstechnik: Wegbereiter für Industrie 4.0 von SIEGFRIED WALLAUER Intelligent integrierte Ressourcen ermöglichen die wandlungsfähige und effiziente Produktion individualisierter Produkte. Deutschland hat mit Industrie 4.0 ein Zukunftsprojekt initiiert, das die Durchdringung der klassischen Produktionsstrukturen mit innovativen Informations- und Internettechnologien vorantreiben soll. Als Innovationstreiber in der mechatronischen Antriebstechnik engagiert sich die Wittenstein AG im Rahmen des Zukunftsprojekts der vierten Stufe der industriellen Revolution bei der Entwicklung Cyber-Physischer Produktionssysteme (CPPS). Blick in die urbane Produktion der Zukunft am Beispiel von Wittenstein Bastian in Fellbach bei Stuttgart. Die Zukunft liegt in der informatisierten Produktion : Der Mensch im Mittelpunkt der Produktion wird unterstützt durch intelligente Maschinen, globale Netzwerke und virtuelle Produktionstechniken. Integrierten Ressourcen ermöglichen die wandlungsfähige Produktion. Das Ziel ist die Smart Factory, die intelligente Fabrik, die sich durch eine nachhaltig gesteigerte Produktivität und Flexibilität auszeichnet. Cyber-Physische Systeme Technologische Grundlage von Industrie 4.0 ist die Entwicklung Cyber-Physischer Systeme (CPS), die ihrerseits vernetzte Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse ermöglichen und auf diese Weise Produktionsprozesse wandlungsfähiger, flexibler, ressourceneffizienter und ergonomischer gestalten sollen. Um dies zu ermöglichen, müssen CPS über eingebettete Software verfügen, in Netzwerken jeder Dimension kommunizieren, mit Sensorik und Aktorik ausgestattet sein, Informationen umfassend bereitstellen, über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle bedienbar sein und besonders wichtig verteilte Dienste aus dem Internet (Cloud) nutzen. Cloud Computing wird von Experten als einer der Megatrends für die Fabrik der Zukunft eingestuft. Mit der Entwicklung zum integrierten Mechatronikkonzern entsteht für Wittenstein die technologische Brücke zu Industrie 4.0. Horizontal und vertikal vernetzte Produktionsstrukturen, Güter mit digitalem Produktgedächtnis, Menschen, die mit Maschinen reden, Kommunikation über Internettechnologien die vierte Stufe der industriellen Revolution birgt eine Reihe von Chancen und Potenzialen. Produkte können so intelligent konzipiert werden, dass Funktionalitäten in Form so genannter Industrie-Apps auch nachgeladen und damit echte Produktionspotenziale genutzt werden können. Die in der Entwicklung befindliche geberlose Positionierung ist ein Beispiel für eine solche nachladbare Produktfunktionalität: Sie soll sich über einen weiten Drehzahlbereich erstrecken, von Motor zu Motor übertragbar sein, durch alle modernen Regler unterstützt werden, als App auf Servoverstärkern umsetzbar sein und auf diese Weise Vorteile hinsichtlich Preis, Robustheit und Redundanz erschließen. Darüber hinaus kann das Nachladen von Funktionalitäten zur Optimierung bestehender Produktionsprozesse führen. Mechatronischer Systembaukasten Ein Beispiel, wie an Industrie 4.0 angelehnte Produktionssysteme Investitions- 8
Geberlose Positionierung als ein Beispiel für nachladbare Funktionalitäten: der Antriebsverstärker simco drive. und Betriebskosten senken, Produktivität steigern, die Wertschöpfung optimieren und so einen Technologiewechsel herbeiführen können, zeigt Wittenstein mit dem modularen Tool-Drives-System für die vollautomatische Holzbearbeitung. Basierend auf direktangetriebenen Werkzeugen für CNC-Mehrspindel-anwendungen und darauf abgestimmten Komponenten integriert es alle mechatronischen Disziplinen in einem skalierbaren und flexiblen Systembaukasten. Wandlungsfähigkeit, Flexibilität, Ressourceneffizienz, Ergonomie alle Aspekte einer Industrie-4.0-gerechten Auslegung werden abgedeckt. So kann jeder Anwender mit Hilfe eines browserbasierenden Systemkonfigurators sein System in Eigenregie auslegen. Energieund Rohstoffressourcen werden geschont, denn keine Spindel dreht sich unnötig es sind nur die für den Bearbeitungsauftrag erforderlichen Bohrmodule aktiv. Fotos: wittenstein In der Fertigung am Sitz des Verzahnungsspezialisten Wittenstein Bastian GmbH in Fellbach wird Industrie 4.0 produktionstechnisch konkret. In der urbanen Produktion der Zukunft werden intelligente Antriebe und CPS-Module, zum Beispiel Maschinen, Werkzeuge und Maschinencluster, in der Fertigung erprobt. Die so genannte Schaufensterfabrik zeigt, wie Produkte und Konzepte im Rahmen von Industrie 4.0 an realen Maschinen und Anlagen umgesetzt und wie einzelne CPS-Module in einer informationstechnischen Referenzarchitektur integriert und vernetzt werden. Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung durch die Vernetzung intelligenter Systeme in der Fabrik also durch die Verschmelzung von Produktions- und Internettechnologie sind das Ziel des Forschungsprojektes CyProS, in dem sich Wittenstein als Konsortialführer engagiert. Im ersten Schritt geht es dabei um die Schaffung eines repräsentativen Spektrums Cyber-Physischer Systemmodule für Produktions- und Logistiksysteme. In einer weiteren Stufe sollen universelle Vorgehensweisen, Hilfsmittel und Plattformen zur Einführung von Cyber-Physischen Produktionssystemen (CPPS) bereitgestellt werden. Im finalen Schritt wird die technische und methodische Basis für den wirtschaftlichen Betrieb von CPPS und deren Umsetzung in realen Produktionsumgebungen geschaffen, wie sie in der Schaufensterfabrik zu sehen sein wird. Interaktives Demonstrationssystem Ein Beispiel für die Nutzung von CPS sind intelligente Bauteile, die mit so genannten Smart Tags mit einem digitalen Handbuch vernetzt sind. Das darauf aufbauende interaktive Demonstrationssystem, das auf einem V-Drive-Getriebe von Wittenstein Alpha basiert verknüpft die greifbaren, physischen Bauteile mit Wissen aus einem digitalen Handbuch. Die beiden Demonstrationsszenarien enthalten eine intelligente Montage sowie die Funktionsprüfung mit Fehlerkorrektur für ein nicht korrekt zusammengesetztes Getriebe. Die Vorteile dieses Ansatzes: Neue Mitarbeiter können durch die intelligente Assistenz schneller eingearbeitet werden. Fehler bei der Montage komplexer Bauteile und Komponenten werden frühzeitig erkannt oder vermieden. know-how Erfüllt alle Anforderungen an Flexibilität und Intelligenz: der mechatronische Systembaukasten von Wittenstein Tool Drives. Siegfried Wallauer Produktmanager WITTENSTEIN motion control GmbH Telefon +49 7931 493-0 info@wittenstein.de Vernetzung von Wissenschaft und Wirtschaft Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Industrie 4.0 wird sein, die Lücke zwischen technologischer Erfindung (Invention) und deren wirtschaftlicher Umsetzung als Innovation zu schließen und so einen zeitnahen Praxisbezug zu schaffen. Konkret heißt das, die mit Industrie 4.0 verbundenen Technologien und deren Nutzungspotenzial anhand konkreter Anwendungsfälle erlebbar zu machen. Bei Wittenstein plant man einen Industrie-Campus ein Institut, dass sich federführend mit der Umsetzung von Industrie 4.0 in konkrete Produkte, Prozesse und Geschäftsmodelle beschäftigt. Gleichzeitig ermöglicht das Projekt Industrie-Campus die interdisziplinäre Ausbildung von Nachwuchsfachkräften, wobei die klassischen Ingenieurswissenschaften mit den modernen Informations- und Kommunikationstechnologien verschmelzen. Bei Wittenstein werden sie Innovationspioniere heißen. www.wittenstein.de 9
Belastungsanalyse für Windenergieanlagen von THOMAS ROSENLÖCHER Windenergieanlagen sind elastisch fundamentierte Antriebsstränge, die unter hochdynamischen stochastischen Windlasten betrieben werden. Für Anlagen an Land und auf See sind hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit zu erfüllen. Auf Grundlage gesicherter Lastannahmen und umfassender Kenntnis der dynamischen Eigenschaften ergeben sich neue Möglichkeiten einer beanspruchungsgerechten Dimensionierung. foto: siemens Offshore-Windpark Lillgrund Serviceschiff auf dem Weg zum Windpark. Die 48 Siemens Windenergieanlagen haben eine Leistung von jeweils 2,3 Megawatt. Neben den Informationen zu kritischen Betriebsdrehzahlen sind auch die auftretenden Verlagerungen, Verformungen, Kräfte und der Einfluss der Anlagenregelung zu untersuchen. Die Methode der Mehrkörpersysteme bietet die Möglichkeit, eine Windenergieanlage detailliert zu modellieren und das erforderliche Wissen zu den dynamischen Eigenschaften und der Bauteilbeanspruchungen zu erlangen. Die Bemühungen, alternative und erneuerbare Energiequellen zur Verfügung zu stellen führten zu einem weltweiten Wachstum der Windenergiebranche. Neben den Vorteilen dieser sauberen Energiequelle verdeutlichen die auftretenden Schäden die Notwendigkeit einer höheren Zuverlässigkeit dieser Anlagen. Im Vergleich mit sonstigen Berechnungsprogrammen zur Auslegung von Windenergieanlagen bietet die Methode der Mehrkörpersysteme die Möglichkeit einer bedeutend genaueren Modellierung der Antriebsstrangkomponenten. Anstelle eines detaillierten Rotormodells und eines einfachen Drei-Massen-Torsionsschwingers für den Antriebsstrang können alle Bauteile unter Berücksichtigung aller Bewegungsfreiheitsgrade abgebildet werden. Das resultierende Simulationsmodell besteht aus verschiedenen Unterbaugruppen, die sich in Rotor, Antriebsstrang, Kupplung, Generator, tragende Struktur, Turm und Fundament untergliedern lassen. Grundlagen der Simulation Die detaillierte Untersuchung von hochdynamisch belasteten Antriebssträngen setzt die Erstellung eines Simulationsmodells voraus, das die dynamischen Eigenschaften hinreichend genau abbilden kann. Durch den modularen Aufbau von 10
parametrierten Simulationsmodellen wird ein übersichtlicher und nachvollziehbarer Modellierungsprozess möglich. Dieses modulare Konzept erfordert die Zerlegung des Antriebsstranges in Unterbaugruppen. Im Vergleich zur Arbeit mit einem einzigen Simulationsmodell für den gesamten Antriebsstrang ist die Funktion und Richtigkeit in den Teilsystemen leicht prüfbar. Das dynamische Verhalten eines Antriebsstrangs wird maßgeblich durch die Verteilung der Massen, Massenträgheitsmomente und Steifigkeiten bestimmt. Die Ermittlung der Massenparameter ist mit CAD-Programmen oder analytischen Ansätzen möglich. Einen höheren Aufwand erfordert die Berechnung der Steifigkeiten. Die Torsionssteifigkeit des Antriebsstrangs wird hauptsächlich durch die Nachgiebigkeit der Wellen bestimmt. Zusätzlich kann die Biegesteifigkeit Einfluss auf das dynamische Verhalten und die Verlagerungen haben. Das erforderliche Simulationsmodell ist nach der Methode der Diskretisierung (Zusatzlängen), durch Einbindung von Balkenmodellen oder modal reduzierten elastischen Strukturen aufzubauen. Durch die Erweiterung des Torsionsschwingermodells um die axialen und radialen Freiheitsgrade sind die Lager im Simulationsmodell abzubilden. Grundsätzlich erfolgt die Modellierung der Lager durch Kraftelemente, die die Reaktionskräfte und Momente einleiten. Die Lagereigenschaften können in Form mittlerer Steifigkeiten, als Kennlinien oder komplexes Kennfeld eingebunden werden. Eine detaillierte Abbildung des Getriebes ist für eine realitätsnahe Beschreibung des Gesamtsystems von großer Bedeutung. In dem Simulationsprogramm Simpack stehen Kraftelemente zur genauen Modellierung der Verzahnung zur Verfügung. Die Abbildung des gesamten Antriebsstrangs einer Windenergieanlage erfordert die Verbindung der Komponenten über die koppelnden Steifigkeiten. Zusätzlich sind Rotor und Hauptwelle im Modell einzubinden, wobei der Rotor wesentlich das dynamische Verhalten der Anlage beeinflusst. Neben der in Simpack verfügbaren automatischen Rotorblatterstellung, können vereinfachte Ansätze zum Einsatz kommen. Die Unterteilung eines Blattes in Einzelmassen und deren Verknüpfung durch Feder-Dämpfer-Elemente ermöglicht ebenfalls eine genaue Abbildung der Biegesteifigkeiten. Die zusätzliche Berücksichtigung der Nachgiebigkeit der umgebenden Struktur (Getriebegehäuse, Maschinenträger) führt zur Erweiterung des steifen Mehrkörpersysteme-Modells um modal reduzierte Finite-Elemente-Modelle. Auswertung von Frequenz und Zeit Mit dem Mehrkörpersysteme-Modell können die Eigenfrequenzen unter Berücksichtigung aller Freiheitsgrade berechnet werden. Die Frequenzen sind zur Ermittlung von kritischen Betriebsdrehzahlbereichen den auftretenden Anregungen gegenüberzustellen, die sich aus der Rotordrehfrequenz, den Drehfrequenzen aller Antriebsstrangkomponenten sowie den Zahneingriffsfrequenzen ergeben. Mit dem detaillierten Mehrkörpersysteme-Modell ist die Ermittlung der Zustandsgrößen, Beschleunigungen und Belastungen möglich, die sich unter den Lasten des Windfeldes ergeben. Zur Modellierung der Lasten am Rotor können Schnittstellen zu gebräuchlichen Windlastensimulationsprogrammen eingesetzt informationen Lehrstuhl Maschinenelemente Der Lehrstuhl Maschinenelemente der Technischen Universität Dresden forscht auf dem Gebiet der Maschinenelemente mit Schwerpunkt auf der Auslegung und Dimensionierung von Wellen, Verzahnungen und Lagern. Durch den Einsatz von Prüfständen kann die Validierung der entwickelten Ansätze erfolgen. Die resultierenden Erkenntnisse fließen in Normen und Berechnungsprogrammen ein. Die Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Antriebssträngen mit der Methode der Mehrkörpersysteme (MKS) erweitert seit 2001 die Forschungsbereiche. Dabei stehen die Entwicklung und der Einsatz von Modellierungsstrategien im Mittelpunkt, die mit Hilfe von Messungen an Großanlagen validiert werden konnten. www.tu-dresden.de/me werden. Ein vereinfachter Ansatz basiert auf den Angaben zur Windgeschwindigkeit, den Leistungsbeiwerten und einer angenommenen Lastverteilung über die Blattlänge und Höhe der Windenergieanlage. Durch Überlagerung mit einem Windfeld kann die Blattlastverteilung berechnet werden. Dr.-Ing. Thomas Rosenlöcher Oberingenieur Prof. Dr.-Ing. Berthold Schlecht, Thomas Schulze Technische Universität Dresden Lehrstuhl Maschinenelemente Telefon +49 351 463-33290 Thomas.Rosenloecher@tu-dresden.de www.tu-dresden.de/me i Bilder: TU Dresden Unterbaugruppen einer Windenergieanlage Getriebe einer 3 MW-Windenergieanlage 11
Ganzheitliches Engineering erleichtert das Retrofit von Doris Busse Vereinfachtes Engineering, hohe Energieeffizienz und Zuverlässigkeit sind das Resultat moderner Antriebstechnik, die von der Steuerung bis zum Motor aus einem Guss sein muss. Das Retrofit- Projekt an einem Sichterantrieb im Werk Lengfurt von HeidelbergCement zeigt, dass eine solche durchgängige Sichtweise vorteilhaft ist. Das Integrated Drive Systems (IDS) verfolgt Siemens seit einem Jahr als ganzheitliche Systembetrachtung, wie er es seit vielen Jahren mit Totally Integrated Automation (TIA) praktiziert. Die Konzentration liegt im Vergleich zu TIA bei IDS auf der Durchgängigkeit des Antriebsstrangs von der Steuerung über den Frequenzumrichter bis hin zur Kupplung, zum Getriebe und Motor. Mit IDS lässt sich der Energieverbrauch um fast 40 Prozent reduzieren. Ein weiterer Vorteil des ganzheitlichen Engineerings ist, dass sich die Verfügbarkeit von Applikationen auf 98 Prozent steigern lässt. Gleichzeitig sinken die Wartungskosten um nahezu 15 Prozent. Der Baustoffhersteller HeidelbergCement hat im Werk Lengfurt ein Retrofit-Projekt gemäß IDS umgesetzt und damit gute Erfahrungen gemacht. Bei der Zementmühle Sieben im Werk Lengfurt, einer Kugelmühle mit einem Mühlrohr von 16 Metern Länge und einem Durchmesser von 4,4 Metern wurde der Sichterantrieb komplett neu konzipiert. Die Anlagen stammen aus den 1980er Jahren. Unser Ausrüster erwartet dadurch eine spürbar höhere Energieeffizienz, erklärt Elektromeister Wolfgang Przyklenk. Die höhere Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems ist ein Resultat aus der Abstimmung von Frequenzumrichter und Motor. So sind die Motorbemessungsströme auf die Umrichterausgangsströme angepasst sowie die Motoren auf die Bemessungspulsfrequenz der Umrichter ausgelegt. Für die gewünschte Drehzahl am Sichter sowie am zugehörigen Lüfter sorgen Frequenzumrichter Sinamics G150 von Siemens. Diese variieren in Abstimmung von Zementfeinheit und Zuschlagsmaterialien im Bereich zwischen 60 und 65 Prozent der Motornenndrehzahl. Aufgrund der herstellerseitigen Geräteabstimmung ist eine optimale Spannungsausnutzung möglich, die in Verbindung mit dem Antriebsmotor Simotics FD der Effizienzklasse Premium Efficiency eine energiesparende Gesamtlösung ergibt. Eine solche Lösung aus einem Guss hat uns im Projektverlauf viel Fotos: Heidelberg Cement Bei der Modernisierung des Sichterantriebs an der Zementmühle Sieben im Werk Lengfurt der Heidelberg- Cement wurde von Siemens eine Antriebslösung aus einem Guss geliefert. 12
Zeit und Aufwand gespart, berichtet der Elektromeister. Sowohl beim Lüfter als auch beim Sichter wurden Frequenzumrichter und Antriebsmotor modernisiert. Verbesserungen durch moderne Motorentechnik Ein Vorteil, der das Engineering vereinfacht hat, liegt im gleichen Wellendurchmesser des Antriebsmotors und der Getriebekupplung. Lediglich die Befestigungen auf dem Lagerbock mussten neu gesetzt werden. Der luftgekühlte Drehstrom-Asynchronmotor wurde mit einer Temperaturerfassung für Motorlager und -wicklung ausgestattet. Die Daten werden im Siemens-Leitsystem PCS7 erfasst und ausgewertet. Während des Projektverlaufs von einem Jahr erstellen wir zusätzlich mit einem mobilen Condition-Monitoring- System fortwährend Testberichte, betont Przyklenk. Das erste Ergebnis dieses CMS-Geräts ist die Feststellung, dass sich die Schwingungen im normalen Rahmen bewegen und keine Vibrationen mehr auf den Grundrahmen übertragen werden. Eine weitere Verbesserung stellt das neue Gehäusekonzept dar. Die Motoren werden dort gekühlt, wo die Verlustwärme entsteht, nämlich durch Kühlrippen am Aktivteil. Durch dieses neue Konzept wird eine effiziente Kühlung erreicht, da ein Wärmeübergangswiderstand reduziert wird. Die Kühlrippen am Aktivteil sind geschützt vor Ablagerung von Staub und Schmutz beim Stillstand der Motoren. Denn die Motoren für Sichter und Ventilator werden nur in den Nachtstunden betrieben, während die Zementmühle auch bei Tag in Betrieb ist. Das Engineering und die Umrüstung durch Siemens verliefen zügig. Gleichzeitig wurde die Kommunikation zwischen Steuerung und Frequenzumrichter von einer analogen Signalübermittlung mittels Profibus auf digital umgestellt. Durch die optimale Abstimmung aufgrund von Integrated Drive Systems war auch die Inbetriebnahme problemlos, bestätigt der Elektromeister. Das durchgängige Engineering in Verbindung mit dem TIA- Portal halfen, 30 Prozent Zeit zu sparen. Das Retrofit-Projekt des Sichterantriebs an Zementmühle Sieben unterstreicht, wie sinnvoll ein Antriebsstrang aus einem Guss ist. Die Siemens-Experten bezeichnen die Gesamtlösung von der Steuerung bis zum Elektromotor als Integrated Drive Systems damit verbunden sind die horizontale, vertikale und die Lifecycle-Integration. Auf horizontaler Ebene des Antriebsstrangs sind alle Frequenzumrichter, Motoren, Kupplungen und Getriebe aus einer Hand und perfekt aufeinander abgestimmt, sodass sie miteinander harmonieren. Auf der vertikalen Ebene fügen sich solche Antriebsstränge nahtlos in die Automatisierungswelt von TIA ein von der Feldebene bis zur Ebene des Manufacturing Execution Systems. Auf der dritten Ebene steht Lifecycle-Integration für eine umfassende, lebenslange Unterstützung mit Hilfe von Software-Tools und Serviceleistungen. Die Vorteile aufeinander abgestimmter Antriebstechnik mit System Halle 17 Stand A42 Antriebsstränge erstrecken sich von der Planung und Konstruktion über das Engineering und den Betrieb bis hin zu Modernisierungsmaßnahmen für den gesamten Lebenszyklus. Das Resultat sind hohe Verfügbarkeit, Produktivität und Investitionssicherheit. Das sind genau die Parameter, die wir für unser Modernisierungsprojekt gesucht und mit IDS gefunden haben, fasst Werkmeister Przyklenk zusammen. Doris Busse Siemens AG Sektor Industry, Drive Technologies Large Drives www.siemens.de/ids www.siemens.de/simotics-fd Unsere Kupplungen erhalten Sie nicht nur mit Bremsscheibe auf Wunsch projektieren und liefern wir auch gleich das passende Brems system in hydraulischer oder elektromechanischer Ausführung dazu. Das ganze System aus einer Hand! www.ktr.com
Quantensprung für die horizontale Fördertechnik von THORBEN STEINMANN Bei Innovationen liegt die Kunst in der Einfachheit. Mit dem Smart Motor ist es Lenze gelungen, genau diese Einfachheit umzusetzen. Denn die Lösung ergänzt die Einfachheit eines Netzmotors mit den technischen Vorteilen einer elektronischen Antriebssteuerung. Zugeschnitten für Netzund Starteranwendungen in der horizontalen Fördertechnik profitieren Anwender von einer geringen Motorenvarianz mit dennoch flexiblen Einsatzmöglichkeiten sowie einfachster Handhabung mit spannungsfreier und berührungsloser Bedienung zum Beispiel per Smartphone-App. Fotos: lenze Über Near Field Communication (NFC) lassen sich die Motoren per Smartphone-App von Lenze für ihre Aufgabe vorbereiten, ohne dass sie überhaupt eingeschaltet sein müssen. Der Smart Motor erleichtert die Auswahl durch eine geringere Variantenzahl. Die neue Motorenserie von Lenze bringt Standardisierung und hohe Energieeffizienz in Einklang. Rollen-, Ketten- und Gurtförderer sind der Klassiker im horizontalen Materialfluss. wenn von vergleichsweise einfachen Antriebslösungen gesprochen wird. Die Motoren sind in der Regel fest mit dem Netz verbunden, die Abtriebsmomente und -drehzahlen werden über entsprechende Getriebearten und -übersetzungen realisiert. Die Steuerung erfolgt mit Schützen oder Startern, die wiederum von einer Steuerung geschaltet werden. Das Ganze ist etabliert und arbeitet mit hoher Verfügbarkeit. Nicht zuletzt aufgrund der steigenden Ansprüche an die Energieeffizienz in Verbindungen mit schärferen internationalen Normierungen sind die Motoren in den vergangenen Jahren verstärkt ins Rampenlicht der Entwicklung getreten. Das Mehr an Kupfer in den Wicklungen für IE2 oder IE3 hat die sparsameren Motoren allerdings größer und teurer gemacht. Die Kombination mit Frequenzumrichtern zur bedarfsgerechten Drehzahlsteuerung bringt zwar ebenfalls bessere IE-Einstufungen mit sich, bedeutet in einer Fülle von Anwendungen des Materialflusses jedoch das bekannte Schießen auf zu kleine Vögel. Eine nicht minder spannende Fragestellung: Wie lässt sich durch geschicktes Varianten- und Bauteilemanagement die Masse unterschiedlicher Antriebsachsen in der Intralogistik in den Griff bekommen? Die hohen Anlaufmomente in der Fördertechnik mit anschließend vergleichsweise niedrigen Dauermomenten schaffen das Dilemma, Antriebe ohne zu große Über-dimensionierungen auszulegen. Was zu viel ist, wird spätestens bei der Stromrechnung spürbar. Lenze ist es an dieser Stelle mit dem neuen Motor gelungen, eine der größten Herausforderungen im Maschinenbau für den Materialfluss zu lösen. Die neuen Antriebe bringen maximale Standardisierung und hohe Energieeffizienz in Gleichklang. Welches Wirkprinzip liegt dieser neuen Wirtschaftlichkeit zu Grunde? Silizium statt Kupfer Der Kern der Innovation liegt vornehmlich in einem Stück Intelligenz, das Lenze in den Klemmenkasten der Drehstrommotoren integriert hat. Die Elektronik ist in der Lage, die hohen Anlaufmomente in der Fördertechnik durch eine vierfache Überlastfähigkeit des Nennmomentes verlässlich zu bewältigen. Dieser Effekt führt dazu, dass die Förderstrecke trotz schneller Beschleunigungsvorgänge im Dauerbetrieb nicht überdimensioniert ist. Dieser Zusammenhang bringt handfeste Vorteile mit sich: Weil dieses Verhalten kleinere Auslegungen ermöglicht, sind 14
kompaktere Motoren mit weniger Leistung wählbar. Die niedrigere Nennleistung bringt den Vorteil mit sich, dass die Motoren im konstanten Fahrbetrieb dichter an ihrem optimalen Betriebspunkt sind und deshalb mit weniger Verlusten drehen unterstützt von der von Lenze entwickelten, zusätzlichen Energiesparfunktion. Bei der Konstruktion wurde darauf geachtet, dass die Baugrößenvorteile kleinerer Motoren nicht von einem überdimensionierten Klemmenkasten geschmälert werden. Folglich fällt auch das Umrüsten der bestehenden Anlagen leicht, weil keine konstruktiven Hemmnisse zu erwarten sind. Ein Motor mit vielen Möglichkeiten Die Hersteller von Materialflusstechnik setzen einerseits Antriebe ein, die optimal für die jeweilige Aufgabe konzipiert sind, aber sie dürfen dabei andererseits die Standardisierung nicht aus dem Blick verlieren. Die Praxis zeigt allerdings eine kaum noch zu überschauende Zahl an fertig konfigurierten Getriebemotoren, die sich im Grunde nur durch unterschiedliche Drehzahlen unterscheiden. Diese Varianz sorgt für mehr Arbeit bei Engineering, Dokumentation sowie Bevorratung. Damit sind nur vier Bereiche innerhalb der Wertschöpfungskette angesprochen, die sich optimieren lassen. Lenze hat errechnet, dass mit dem Smart Motor Varianten um 60 bis 80 Prozent reduzierbar sind. Der Ausschlag gebende Grund dafür: Die Drehzahl des Lenze Smart Motors ist direkt vor Ort ganz einfach einstellbar. Mit einer einzigen Variante können Motordrehzahlen von 500 bis 2600 Umdrehungen in der Minute bei konstantem Drehmoment abgedeckt werden. Ein weiterer Clou stellt das Einstellen selbst dar und zwar sowohl berührungslos und ohne Adressierung als auch spannungslos. Lenze nutzt für das Parametrieren die NFC-Technologie die so genannte Near Field Communication, die in Smartphones zunehmend zum Standard wird. In Verbindung mit einer Smartphone-App von Lenze können die Motoren ganz einfach für ihre Aufgabe vorbereitet werden, ohne dass Spannung angelegt sein muss. Angenehmer Nebeneffekt bei der Smartphone-App: Weil die Programme für den Telefonbetrieb in sich sehr kompakt gehalten sein müssen, sorgt diese technische Rahmenbedingung in sich schon dafür, das Inbetriebnahmewerkzeug so einfach wie nur möglich zu machen. Mit dieser App können gleich nach dem Auspacken auf der Werkbank oder direkt in der Anlage die gewünschten Drehzahlen und Rampen eingestellt werden. Das Ganze funktioniert auch noch überaus komfortabel berührungslos und vor allem, ohne das Gerät aufschrauben zu müssen. Die Motoren bieten zwei digitale Eingänge und einen Ausgang. Sie machen es möglich, dass eine Steuerung den Motoren im laufenden Betrieb zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten (Schleich- und Betriebsfahrt) sowie Start- und Stoppbefehle geben kann. Darüber hinaus lassen sich ein Softstart sowie der Drehrichtungswechsel sehr einfach realisieren. Weil Start- und Bremsrampen individuell einstellbar sind, gibt es keine unkontrollierten Drehmomentsprünge, die die Anlagenmechanik belasten oder das Fördergut aus dem Gleichgewicht bringen. Raus mit den Schützen Auch der Verschleiß wurde minimiert. Die Smart Motoren integrieren die Funktion von Schützen auf elektronische Weise. Diese Alternativ schafft Platz im Schaltschrank und vermeidet den Verschleiß mechanischer Schaltkontakte. Ebenfalls integriert ist ein Motorvollschutz, so dass beispielsweise die Motortemperatur nicht mehr extern überwacht werden muss. Geeignet für eine Vielzahl von Aufgaben Einfache Auswahl mit wenigen Typen, keine Verwechslungsgefahr bei der Montage und einfache Inbetriebnahme: Der Lenze Smart Motor bildet einen Lösungsraum, mit dem sich eine Vielzahl an Aufgaben in der horizontalen Fördertechnik ohne aufwendiges Variantenmanagement erledigen lassen. Daraus resultieren enorme Effizienzgewinne entlang der kompletten Wertschöpfungskette ein Quantensprung. Thorben Steinmann Produktmanagement Elektromechanik Lenze SE Telefon +49 5154 822494 thorben.steinmann@lenze.com www.lenze.com/de Der Lenze Smart Motor ist zugeschnitten für Anwendungen in der Fördertechnik. Start- und Bremsrampen sind spezifisch einstellbar. Deshalb gibt es keine Drehmomentsprünge. Das Fördergut gerät nicht in Gefahr, aus dem Gleichgewicht zu kommen. 15
Linear- und Rotationsbewegung kombiniert von FRANZ JOACHIM ROSSMANN Hub-Dreh-Bewegungen werden in vielen Maschinenanwendungen wie Verschließern oder Handhabungs- sowie Pick&Place-Systemen benötigt. Ein Linearmotor mit einem Servomotor zu einer kompakten Einheit verbunden bietet wesentliche Vorteile gegenüber den rein mechanischen, pneumatischen oder teilelektrischen Antriebslösungen. So lassen sich mit den neuen Hubdrehmotoren beliebige Kombinationen aus Linear- und Rotationsbewegung realisieren und dabei sowohl die lineare Kraft als auch das Drehmoment unabhängig voneinander regeln. Der Direktantrieb von Linmot kombiniert die lineare mit der rotatorischen Bewegung. Miteinander zu einer kompakten Einheit verbunden bieten ein Linearmotor und ein Servomotor verbunden wesentliche Vorteile gegenüber rein mechanischen, pneumatischen oder teilelektrischen Antriebslösungen. Bilder: LinMot Für komplexe Aufgaben wie das Eindrehen, Verschließen, Umsetzen, Stapeln oder das Ausrichten müssen Konstrukteure für eine Hub-Dreh-Bewegung sorgen. Beispiel PET-Flaschenverschließmaschine: Der Verschließkopf muss den Deckel in einer Linearbewegung entlang der Längsachse der Flasche auf den Flaschenhals setzen und anschließend mit einer zusätzlichen Drehbewegung auf das Gewinde der Flaschenmündung schrauben, bis ein definierter Winkel oder ein bestimmtes Anzugsmoment erreicht ist. Für die Lösung dieser Aufgabenstellung griff man bislang bei Rundläufer- Verschließmaschinen auf zwei Ansätze zurück: 1. Sowohl der Linearhub als auch die Rotation der Verschließerspindeln werden rein mechanisch über Kurvenscheiben (Linearhub) und Zahnrädern mit Magnetkupplung (Rotation) direkt von der Drehbewegung des Karussells abgeleitet und synchronisiert. 2. Für die Rotation wird ein Servomotor eingesetzt, der auf und ab bewegt wird. Der Linearhub wird wie beim rein mechanischen Konzept über Kurvenscheiben von der Bewegung des Drehtellers abgeleitet; dieser Typ Verschließmaschine wird häufig auch als Servoverschließer bezeichnet. Diese Ansätze sind allerdings mit einigen Defiziten behaftet. Einer der größten Nachteile der rein mechanischen Lösung liegt in der mangelnden Flexibilität bei der Wahl der Prozessgrößen, wie Anzugsbeziehungsweise Drehmoment und Anpresskraft. So kann das für den Schraubprozess wichtige Drehmoment nur über die Magnetkupplung beziehungsweise Hysteresekupplung der Spindel eingestellt und verändert werden. Eine Beeinflussung der Prozessparameter während des Betriebs ist nicht möglich. Nachteilig ist in vielen Anwendungen auch der beschränkte Hub. In der Praxis lassen sich bei diesem Antriebskonzept häufig nur 80 bis 150 Millimeter realisieren, da größere Hübe den Verschließprozess zu stark verlangsamen. Hinderlich ist zudem, dass der Maschinenbetreiber aus dem Antriebssystem keine Informationen über den Verschließprozess extrahieren kann. Für die Prozessüberwachung müssen daher gegebenenfalls separate Sensoren installiert und ausgewertet werden. Darüber hinaus hängt beim rein mechanischen Konzept der Verschließprozess wegen der unmittelbaren mechanischen Kopplung von der Drehzahl des Karussells ab, was gerade beim Hoch- und Herunterfahren der Anlage zur Beeinträchtigung der Prozessstabilität führen kann. Bei moderneren Maschinen sorgt daher ein Servomotor an jeder Spindel für die nötige Rotation. Damit kann jedoch nur ein Teil der Probleme der rein mechanischen Lösung behoben werden. Zwar lässt sich das Drehmoment elektrisch einstellen und während des Betriebs verändern. Auch können Aussagen über das tatsächlich aufgebrachte Drehmoment durch die Auswertung der Antriebsdaten getroffen werden. Doch werden diese Vorteile durch einen Nachteil erkauft: Da die Servomotoren in der Regel mit dem Verschließkopf bewegt werden müssen, werden teure energiekettenfähige Kabel erforderlich. Diese komplizieren die Konstruktion, erschweren die Reinigung und verschlechtern die Gesamtzuverlässigkeit der Maschine. Der Hub und die Anpresskraft können weiterhin nicht elektrisch eingestellt werden, und der erreichbare Maximalhub bleibt mit 100 bis 150 Millimetern relativ klein. Auch Fehler wie schiefsitzende Deckel können nach wie vor 16
LinMot-Hubdrehmotoren werden in der Handhabung, der Getränkeindustrie oder dem Ausrichten von Druckmarken benötigt. nur über nachgelagerte und teure Kontrollsysteme detektiert werden. Abhilfe schafft der durchgängige Einsatz elektrischer Antriebe sowohl für die Hub- als auch die Drehbewegung. Anwender können nicht nur das Drehmoment und die Drehzahl, sondern auch den Hub flexibel an die Prozessanforderungen anpassen bei Bedarf sogar während des Schließvorgangs. In puncto Anpresskraft hat der Maschinenbetreiber ebenfalls die volle Flexibilität. Damit wird es zum Beispiel möglich, auf Knopfdruck die Art des Verschließens (Drehmomentverschrauben, Drehwinkelverschrauben, Aufpressen, Aufprellen) zu wechseln. Mit Lineareinheiten lassen sich zudem größere Hübe problemlos realisieren, so dass auch Verschließmaschinen für voluminöse Flaschen oder Aerosolen mit Pump- oder Sprayverschluss, bei denen das lange Saugröhrchen zusammen mit dem Deckel vertikal eingeschoben werden muss, mit dem gleichen Antriebskonzept umgesetzt werden können. Hub- und Drehbewegung sind dabei sowohl von der Karussellbewegung als auch untereinander entkoppelt und lassen sich frei programmieren. Damit kann eine gleichbleibende Prozessqualität in allen Hubdrehmotoren helfen Konstrukteuren, Hub- und Drehbewegungen zu realisieren. Die unabhängige Einstellung von Presskraft wie Anzugsmoment erleichtert Konstrukteuren die Arbeit. Betriebsmodi einer Maschine gewährleistet werden. Darüber hinaus können wichtige Prozessparameter wie das Anziehmoment, die Anpresskraft und die Position (zum Beispiel die vertikale Deckelposition) unmittelbar aus den Daten des Antriebssystems ermittelt und für Dokumentationszwecke sowie als Regelgröße weiterverwendet werden. Einmal erprobte Einstellungen lassen sich unter Verwendung von Rezepturen speichern und abrufen. Damit können Maschinenbetreiber einen Formatwechsel wesentlich schneller durchführen. Zudem kommt das durchgängig elektrische System ohne bewegtes Kabel aus. Abgestimmtes Konstruktionselement von der Stange Aufgrund dieser Vorzüge haben einige Maschinenbauer rein elektrische Lösungen umgesetzt. Dabei waren sie in Ermangelung einer Standardlösung bisher auf eine Eigenkonstruktion mit den damit verbundenen Nachteilen angewiesen. Der Hersteller für Linearmotorsysteme NTI AG/LinMot & MagSpring, Spreitenbach (Schweiz), hat sich dieses Problems angenommen und die Hubdrehmotorfamilie LinMot PR01 eigens für Anwendungen wie Handling-, Pick&Place-Aufgaben sowie das Verschließen und Ausrichten von Druckmarken entwickelt. Der Hubdrehmotor besteht dabei aus einem leistungsfähigen Linearmotor und einem angebauten Torque-Drehmotor, die sich elektrisch unabhängig voneinander ansteuern lassen. Die Motoren der Familie bringen Kräfte bis 1024 Newton, ein Spitzenmoment von 7,5 Newtonmetern und Drehzahlen bis 2000 Umdrehungen pro Minute auf. Mit den besonders kompakten und schlanken Motoren sind Hübe bis 300 Millimeter möglich. Derzeit sind zwei Baugrößen erhältlich, die sich im Wesentlichen durch die maximal zur Verfügung stehenden Drehmomente der rotativen Motoren beziehungsweise Schubkräfte der Linearmotoren unterscheiden. Zusätzlich sind Varianten mit durchgehender Längsbohrung für die Durchführung eines mechanischen Deckel- Ausstößers oder zur Versorgung pneumatischer Greifer am Verschließkopf erhältlich. Für Hygieneanwendungen hat LinMot zusätzlich eine Inox-Variante ins Programm aufgenommen. Franz Joachim Roßmann Freier Redakteur B2BKommunikation Telefon +49 89 893595-49 f.rossmann@b2bkommunikation.de www.b2bkommunikation.de know-how Hub-Dreh-Linearmotoren Mit den Hub-Dreh-Linearmotoren der Serie LinMot PR01 können Konstrukteure schnell und einfach Hub- und Drehbewegungen realisieren, wie sie in vielen modernen Maschinenanwendungen benötigt werden. Dabei kann sowohl die lineare Kraft (Presskraft) wie auch das Drehmoment (Anzugsmoment) unabhängig voneinander geregelt und überwacht werden. Konstrukteure können so Bewegungsabläufe wesentlich flexibler an das Anforderungsprofil der Aufgabenstellung anpassen und eine gleichbleibende Produktqualität sicherstellen. Eine kompakte Bauform und umfangreiches Zubehör erleichtern die Integration in die Maschine. www.linmot.com 17
Sekt-Appeal mit Effizienz: Prickelnder Erfolg bei Abfüllanlagen VON GUNTHART MAU In der Getränkebranche ist ein kosteneffizienter Produktionsprozess sehr wichtig. Die Sektkellerei in Freyburg an der Unstrut setzt auf eine Abfüllanlage mit energieeffizienten Motoren. Ihre Topmarke Rotkäppchen hat einen märchenhaften Aufschwung seit der deutschen Wiedervereinigung hinter sich. Es klingt wie im Märchen und doch ist es wahr: Mit den richtigen Antrieben erzielt der Sekthersteller bis zu 50 Prozent Energieeinsparung. Fotos: SEW-Eurodrive Rund 50 mechatronische Antriebseinheiten mit abgesetztem Elektronik-teil von SEW- Eurodrive kommen bei der Rotkäppchen-Sektkellerei zum Einsatz. Sie sind speziell für Energiespar-Retrofits in zentralen Installations-konzepten der Getränke-industrie geeignet und erfüllen die Anforderungen der Energieeffizienzklasse IE4. Die Oberflächengestaltung im Hygienic Design prädestiniert das mechatronische Antriebssystem für Applikationen im Lebensmittel- und Getränkebereich. Dafür werden die Movigear -Antriebe als Nassbereichspaket ausgeführt und mit einer Anthihaft-Beschichtung versehen. Werden Abfülllinien in der Getränkebranche im Dreischicht-System betrieben, erreichen sie etwa 5000 bis 6000 Betriebsstunden im Jahr. Diese Maschinen sollen bis zu 20 Jahre laufen. Doch irgendwann müssen sie aufgrund technischer und wirtschaftlicher Erfordernisse, gesetzlicher Vorgaben oder Umweltauflagen erneuert werden. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, hilft oft nur konsequente Automatisierung. Die Sektkellerei Rotkäppchen setzte mit Erfolg auf eine Abfüllanlage der Krones AG mit energieeffizienten Motoren von SEW- Eurodrive. Auch in der Rotkäppchen-Sektkellerei standen eine Leistungserhöhung und die technologische Modernisierung der Abfülllinien an. In den 1980er Jahren füllte eine Maschine 8000 Flaschen Sekt pro Stunde. Zwischen damals und heute liegt ein regelrechter Quantensprung: Die aktuelle Anlage leistet mehr als das Dreifache. Die Projektplanung begann Mitte 2011. Im Frühjahr 2012 wurden bereits die Umbauten durchgeführt. Für die Abfüllung von 0,75-Liter-Sektflaschen errichtete das Unternehmen eine komplett neue Linie von Krones mit einer Nennleistung von 27000 Flaschen pro Stunde. Das ist im Sektbereich sehr viel, erklärt Tobias Rost, Technischer Leiter der Rotkäppchen-Sektkellerei. Die erste Flasche Sekt auf der neuen Linie wurde im Mai 2012 gefüllt. Neue, effiziente Antriebe Der eigentliche Umbau erfolgte sehr schnell. Innerhalb von sechs Wochen war die Halle leer geräumt, ein neuer Fußboden eingezogen, eine Lärmschutzdecke angebracht und die Beleuchtung entsprechend den aktuellen Standards modernisiert. Bei der Anlagenerneuerung wurden die robusten Flascheneinpacker aus den 1990er Jahren von der alten Linie übernommen, ebenso wie die Maschine zur Entpalettierung der Sektkapseln und Drahtbügel. Mechanik Made in Germany ist sehr langlebig. Elektrische Komponenten dagegen unterliegen häufigen Veränderungen durch den technischen Fortschritt. An der neuen Abfülllinie tragen viele raffinierte Einzellösungen zur Leistungsfähigkeit der Sektabfüllung bei: dynamische Handhabungseinheiten zum Verschluss der Flaschen und zum Anbringen der namengebenden roten Kappe, robuste Scharnierbandketten für den Flaschentransport sowie effiziente Motoren zum Antreiben der Fördertechnik. Die Anforderungen an die Transporteure im Sektbereich sind hoch: Eine gefüllte Sektflasche wiegt fast 1400 Gramm. Dieses Flaschengewicht, die hohen Umlaufgeschwindigkeiten und die 18
Materialpaarung Flasche-Kette führen zu starken Beanspruchungen der Transporteinrichtungen. Deshalb setzt Rotkäppchen Edelstahl-Scharnierbandketten ein. Uns war wichtig, eine höhere Zuverlässigkeit und Energieeffizienz zu erzielen sowie weniger Lärmbelastung zu haben, erläutert der Technische Leiter. Rotkäppchen entschied sich für neu entwickelte Ketten mit kleinerer Teilung. Nach Messungen durch Krones laufen sie 1,5 Dezibel leiser als herkömmliche Fördersysteme. Ein weiterer, großer Schritt sind die energieeffizienten Antriebe von SEW- Eurodrive. Tobias Rost: Wir haben bei Krones im Werk Neutraubling bei Regensburg eine Transporteurlinie mit Movigear besichtigt. Die prognostizierte Energieein- Der Traubenwein wird fertig vergoren angeliefert und in der Sektkellerei zu einer Cuvée zusammengestellt. Dann werden Gärhefe und Tirage, eine Wein-Zucker- Lösung zugesetzt. sparung überzeugte uns. Krones informierte damals die Rotkäppchen-Techniker, dass die mechatronischen Antriebseinheiten Movigear von SEW-Eurodrive bis zu 50 Prozent Energieeinsparung gegenüber herkömmlichen Antrieben erzielen. Zahlreiche Vergleichsmessungen unterschiedlicher Anwender bestätigen diese Aussage. Der Behälter- und Gebindetransport von Flaschen und Kartons benötigt zusammen etwa 70 Kilowatt Antriebsleistung. Bezogen auf die 150 Kilowatt Gesamtanschlussleistung der Linie ist das ein nicht zu vernachlässigender Anteil, erläutert Rost. Deshalb war es uns sehr wichtig, energieeffiziente Antriebe einzusetzen. Speziell für Energiespar-Retrofits in zentralen Installationskonzepten der Getränkeindustrie liefert SEW-Eurodrive diese mechatronischen Antriebseinheiten auch in der Ausführung DSM mit abgesetztem Elektronikteil. In Absprache mit Krones wurden schließlich etwa 50 Antriebseinheiten verbaut. Sie erfüllen die Anforderungen der Energieeffizienzklasse IE4. Die Frequenzumrichter sind bei Rotkäppchen in einem zentralen Schaltschrankcontainer untergebracht, dessen Abwärme im Winter genutzt wird, um einen Lagerbereich zu heizen. Hocheffiziente Getriebemotoren Das historische Hauptgebäude der Rotkäppchen-Sektkellerei wurde 1889 in Freyburg an der Unstrut errichtet. Heute finden regelmäßig Kellerführungen und Kulturveranstaltungen statt. Auch der direkte Sekteinkauf ist möglich. Mechatronische Antriebssysteme sind die konsequente Weiterverfolgung des technisch und wirtschaftlich sehr erfolgreichen Konzepts der dezentralen Antriebssysteme. Es ist durch eine kompakte Bauweise gekennzeichnet und eignet sich bestens für die effiziente Gestaltung von Förderanlagen. Antriebe aus der Produktfamilie Movigear erzeugen hohe Losbrech- und Beschleunigungsmomente, die nach längeren Stillstandszeiten auftreten können. Die Zusammenführung von höchsteffizienten Einzelkomponenten führt in Summe zu einem sehr hohen Systemwirkungsgrad. Bei dezentraler Installation werden Getriebe, Motor und die motorintegrierte Elektronik einbezogen, bei einer zentralen Installation (Frequenzumrichter im Schaltschrank) wird der Wirkungsgrad des Getriebemotors als Systemwirkungsgrad bezeichnet. So tragen Antriebe der Produktfamilie Movigear dazu bei, die Energiekosten zu senken. Die Integration und Abstimmung aller Antriebskomponenten führt zu einer langen Lebensdauer und hoher Anlagenverfügbarkeit. Über alle Standorte der Rotkäppchen- Mumm-Sektkellereien GmbH hinweg summiert sich der Gesamtenergiebedarf. Daher lohnen auch weitere Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz. Noch im laufenden Jahr wird bei Rotkäppchen in Freyburg ein Energiemanagementsystem eingeführt. Seit der Inbetriebnahme der Linie haben wir bereits 120 Millionen Flaschen abgefüllt, berichtet Rost mit sichtlichem Stolz. Sie werden fast ausschließlich im Inland konsumiert. Rotkäppchen-Varianten treffen den Geschmack zahlreicher Konsumenten in ganz Deutschland. Offensichtlich ist für jeden etwas dabei. Die Zielgruppe für Sekt sind alle Menschen über 18 Jahre, Frauen und Männer gleichermaßen. Weiß halbtrocken und trocken sowie rosé trocken sind hinsichtlich der Absatzmengen unsere Spitzenreiter, erklärt Rost. Wir stellen Sekt für jeden Geschmack her, von Brut mit acht Gramm Zucker je Liter bis Mild mit 55 Gramm pro Liter. Die prickelnden Getränke gibt es seit 2009 auch als alkoholfreie Rotkäppchen- Varianten in den Geschmacksrichtungen weiß und rosé. Die Unternehmensgruppe Rotkäppchen-Mumm arbeitet schon länger mit SEW-Eurodrive zusammen. So rüstete auch die Tochterfirma Matheus-Müller- Sektkellereien GmbH in Eltville eine Abfülllinie mit Antriebstechnik von SEW aus. 2009 kamen klassische Getriebemotoren zum Einsatz. Auch die Rotkäppchen- Sektkellerei in Freyburg ist zufrieden. Und sollte mal ein Serviceeinsatz vor Ort erforderlich sein, so ist das Technische Büro von SEW-Eurodrive in Erfurt nur 75 Kilometer entfernt. Mit SEW haben wir einen kompetenten Partner, der zügig unsere Wünsche erfüllen kann. Die bisherige Zusammenarbeit verlief sehr zufriedenstellend, resümiert Rost. Und er ergänzt schmunzelnd: Wenn der Lieferant nichts vom Kunden hört, ist alles in Ordnung. Gunthart Mau Referent Fachpresse SEW-Eurodrive GmbH & Co KG Telefon +49 7251 75-2588 gunthart.mau@sew-eurodrive.de www.sew-eurodrive.de www.sew-eurodrive.de/s_branchen/ branchen_getraenke.shtml 19
Ohne Schaltschrank sinkt der Hunger auf Energie VON Reinhard Mansius Mit schaltschranklosen Antrieben sparen Maschinenhersteller und Anwender bis zu 90 Prozent Energie: bei der Verkabelung, dem Schaltschrankvolumen und beim Energiebedarf für die Verlustwärmeabführung. Darüber hinaus sorgen zertifizierte Sicherheitsfunktionen für sichere Bewegungen. Das Ergebnis: Maschinenhersteller sparen Zeit und Kosten bei der Modularisierung von Maschinen und verkürzen so ihre Time-to-market. Ob in der Nahrungsmittelverarbeitung, der Verpackungs- oder der Automobilindustrie: Der Trend geht zu immer kürzeren Produktlebenszyklen und damit kleineren Losgrößen. Produktionsverantwortliche fordern von Maschinenherstellern kürzere Umrüstzeiten und höhere Flexibilität bei der Zusammenstellung von Verarbeitungsstationen. Maschinenhersteller erfüllen diese Forderung immer häufiger mit dem Einsatz von Servoantrieben, durch die sie bislang mechanisch ausgeübte Funktionen in die Software verlagern. Gleichzeitig schaffen sie damit die Voraussetzungen für modulare Maschinenkonzepte. Bislang erschwerte die konventionelle Antriebstechnik eine konsequente Modularisierung von Maschinen durch umfangreiche Installationsarbeiten. Alle Motoren müssen dabei über ein Kabel für die Leistungsversorgung und ein Kabel für den Geber mit dem jeweiligen Antrieb im Schaltschrank verbunden werden. Das entfällt bei den schaltschranklosen Servoantrieben Indra Drive Mi der zweiten Generation von Bosch Rexroth. Komplette Module mit Hybridkabel anschließen Die Verkabelung der motorintegrierten und motornahen Antriebe erfolgt schon bei der Modul-Montage. Für die spätere elektrische Integration in die Maschine genügt es dann, nur noch ein Hybridkabel für die Stromversorgung und die Kommunikationsanbindung in den Schaltschrank zu führen. Dort beansprucht lediglich die Leistungsversorgung einen minimalen Platz. Sie ist modular mit Ansteuerelektronik erweiterbar. Der Maschinenhersteller muss lediglich den ersten Antrieb mit dem Versorgungsmodul im Schaltschrank verbinden. Alle weiteren Antriebe verbindet er in Reihe durch ein Kabel miteinander. An einem bis zu 200 Meter langen Kabelstrang können Maschinenhersteller bis zu 20 Indra Drive Mi anschließen. Auch nachträglich können sie jederzeit bis zu dieser Zahl Antriebe an beliebiger Stelle hinzufügen oder entfernen, ohne dass Änderungen im Schaltschrank nötig sind. Das steigert die Flexibilität für kundenspezifische Anpassungen bei geringem Aufwand. Fotos: Rexroth Multi-Ethernet-Auskopplung zur einfachen Integration von Sensorik und Aktorik. 20