Handspannfutter Rota-S flex

Bis zu 60 Prozent leichter: Das Handspannfutter Rota-S flex mit verlängerten Führungsbahnen von Schunk im Einsatz. Es wurde gerade mit dem „iF Design Award 2014“ ausgezeichnet. Bild: Schunk

Heutige Maschinenanwender haben viele Ansprüche an ihre Werkzeugmaschinen: Höchste Produktivität und maximale Energieeffizienz. Durch ein optimales Zusammenspiel aller Antriebs- und Steuerungstechnologien in Kombination mit der richtigen Software sind diese Punkte einfach miteinander zu verknüpfen. Besonders die Wahl des richtigen Antriebs ist hier ausschlaggebend. Seit Jahren entwickeln verschiedene Maschinenhersteller ihre Anlagen weg von der klassischen Hydraulik hin zu elektrischen Antrieben.

Die hydraulikfreie Werkzeugmaschine wird hier als die Lösung statt einer energiefressenden und wartungsintensiven Hydraulik-Maschine angesehen. Fakt ist, dass sie dank ölfreien Betriebs wartungsärmer ist als die Hydraulik. Außerdem ist der Wirkungsgrad dieser Maschinen viel höher, da keine Drosselverluste wie in der Hydraulik auftreten.

Energie wird nur im Betrieb verbraucht

Axel Grigoleit,  Hawe

„Sämtliche Vorteile der Hydraulik können die elektrischen Antriebe in naher Zukunft nicht erreichen.“ Axel Grigoleit, Hawe, Bild: Hawe

Axel Grigoleit, Key Market Manager Machine Tools bei Hawe, erklärt die Vorteile: „Elektrische Antriebe sind für die genaue Regelung oder Positionierung besser geeignet als hydraulische Antriebe, beispielsweise bei Achsbewegungen.“ Ein großes Plus ist, dass nur Energie verbraucht wird, wenn die Antriebe aktiv sind. Die Energie ist damit „on demand“. Doch der elektrische Antrieb birgt auch seine Nachteile.

„Eine lineare Bewegung mit elektrischer Energie umzusetzen, ist wesentlich aufweniger als mit hydraulischer Energie“, erklärt Grigoleit weiter. Da jede Funktion mit einem eigenen Motor angesteuert werden muss, benötigt die elektrische Lösung viel mehr Platz. Der Bauraum wird größer, die Maschine wird größer und damit steigen auch die Anschaffungskosten und die Montagezeit.

Hier bietet dagegen die Hydraulik wesentliche Vorteile. Mit Hydraulik kann nämlich eine kompakte Kraft auf einem kleinen Raum erzeugt werden. „Die Vorteile der Hydraulik liegen in der hohen Kraftdichte, den kompakten Abmessungen und der hohen Robustheit“, betont Dr. Steffen Haack, Mitglied des Vorstands bei Bosch Rexroth. Kraftstöße können hydraulische Zylinder einfach verschleißfreier hinnehmen, erklärt er weiter. Außerdem lässt sich die hydraulische Energie mit einem einfachen Hydraulikzylinder direkt an der Wirkstelle in eine Linearbewegung umsetzen.

Auch der bis dato negative Aspekt des hohen Energieverbauchs hat sich geändert. Die Energiebilanz lässt sich heute mit Hydrau-likaggregaten auf Abschaltbetrieb verbessern. In dieser Betriebsart lädt das Aggregat einen Hydraulikspeicher auf und schaltet dann ab. Der Speicher versorgt das Hydrauliksystem solange, bis der Druck auf einen unteren Grenzwert abfällt. „Ist dieser erreicht, läuft das Aggregat wieder an und baut erneut Druck im Speicher auf“, sagt Hawe-Spezialist Grigoleit. Damit liefe das Aggregat in der Regel weniger als 20 Prozent der Maschinenlaufzeit.

Die Firma Roemheld bedient sich einer ähnlichen Technik. Als Mitglied der Blue-Competence-Allianz hat sie eine Lösung entwickelt, mittels einer vorausschauenden Druckabschaltung bei hydraulischen Pumpenaggregaten Energie nur während des Spannvorgangs zu verbrauchen. Bei durchlaufenden Pumpen beansprucht der rucklose Umlauf unnötig Energie, erzeugt Wärme und führt zu einem hohen Verschleiß der Komponenten.

Robert Becker

„Elektrische Antriebe brauchen kein Öl, keine Drosselverluste und ermöglichen eine einfach Energierückgewinnung.“
Robert Becker, Hydraulik Akademie, Bild: Hydraulik Akademie

Die energieeffizienten Hydraulikaggregate dagegen verfügen über eine intelligente Steuerung mit einem eigens entwickelten elektronischen Druckschalter. Dieser schaltet den Motor beim Druckaufbau vorausschauend ab und wechselt dann in den Energiespar-Abschaltmodus. Dadurch wird der Energieverbrauch minimiert. So werden hohe Drücke in großer Geschwindigkeit mit einer geringen Motorleistung erreicht, wodurch dieser effektiv genutzt wird. Wichtiger noch: Der Motor des Aggregats läuft nur wenige Sekunden, nämlich wenn der Betriebsdruck aufgebaut wird und zum Aus- und Einfahren des Spannzylinders.

Deshalb verbrauchen diese Aggregate bei 1700 Stunden Laufzeit im Jahr 170 kWh und damit nur einen Bruchteil herkömmlicher Geräte. Außerdem macht sich die Energieeinsparung in einer geringen Wärmeentwicklung bemerkbar und reduziert somit den Verschleiß der Komponenten. Die höhere Verfügbarkeit der Aggregate und die damit erreichbaren kürzeren Spannzeiten führen zu verlängerten Maschinenlaufzeiten. Selbst ein Plus von einem Prozent führt dazu, dass eine Maschine im Jahr 17 Stunden länger laufen kann. Die Technik ist nach Angaben des Unternehmens weltweit einzigartig und zum Patent angemeldet.

Bei Bosch Rexroth setzt man auf Hydrauliklösungen, die die Energie bedarfsgerecht über drehzahlvariable Pumpen erzeugen. Sie senken die Drehzahl während des Teillastbetriebs ab und erzielen Energieeinsparungen von bis zu 80 Prozent.

Effizienter dank Leichtbau

Doch nicht nur der richtige Antrieb macht eine Maschine effizienter, sondern auch weitere Einsparungen. So hält beispielsweise der Leichtbau zunehmend auch im Maschinenbau Einzug. Und zwar immer dann, wenn es um hochdynamische Prozesse geht, bei denen große Massen möglichst schnell beschleunigt und wieder abgebremst werden müssen. Ein schönes Beispiel hierfür liefert das Karlsruher Institut für Technologie, kurz KIT.

Dort entwickelte das wbk-Institut für Produktionstechnik einen neuen Leichtbauschlitten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Er ist nicht nur deutlich leichter als seine stählernen Konkurrenten, sondern lässt sich vor allem durch Zufügen von Masse in seinem Schwingungsverhalten verändern, um das Eigenfrequenzverhalten zu beeinflussen und damit die Leistungsfähigkeit der Maschine zu verbessern. „Wir gehen davon aus, dass entsprechende Komponenten in rund fünf Jahren am Markt erhältlich sein werden“, betont wbk-Leiter Professor Jürgen Fleischer.

Dr. Steffen Haack

„Es gibt im Maschinenbau keine Patentrezepte, es kommt vielmehr auf die individuelle Lösung an.“ Dr. Steffen Haack,
Bosch Rexroth, Bild: Bosch Rexroth

Bereits im Einsatz ist ein Leichtbaufutter von Emuge-Franken. Konstruktionsleiter Friedrich Schmauß: „Als Materialmix kommen Karbon und Stahl zum Einsatz.“ Dadurch sank das Gewicht in einem konkreten Einsatzfall von 460 auf 130 Kilogramm; und der Energieverbrauch reduzierte sich von 22.470 kWh auf 4000 kWh im Jahr. Zudem konnte die maximale Drehzahl fast verdreifacht werden. Damit folge man einer immer häufigeren Forderung der Kunden nach Leichtbaukomponenten, wie Vertriebsleiter Uwe Zoller erklärt: „Schon bei den Anfragen bekommen wir oft auch Gewichtsvorgaben. Die Kunden fragen uns, was ein Spannzeug für eine bestimmte Aufgabe wiegt.“

Skeptisch in puncto Karbon ist hingegen Markus Michelberger, Vertriebsleiter der Spanntechnik bei Schunk. Er hält Verbundwerkstoffe bei Drehfuttern noch nicht für stabil genug, um „die hohen statischen und dynamischen Belastungen gängiger Bearbeitungen so souverän aufzunehmen wie Drehfutter aus Stahl.“ Trotzdem speckt man ab: „Leichtbaudrehfutter aus gehärtetem Stahl minimieren den Energieverbrauch und überzeugen zugleich in Sicherheit, Genauigkeit und Lebensdauer.“

So hat das Unternehmen das hochflexible Handspannfutter Rota-S flex entwickelt, das im Vergleich zu konventionellen Drehfuttern für große Spanndurchmesser um bis zu 60 Prozent weniger wiegt. Bei identischer Tischbelastung lassen sich deutlich schwerere Werkstücke bearbeiten. Zudem bleibt wegen der geringen Bauhöhe viel Platz für das Werkstück und für die Werkzeuge. Zur Bearbeitung kleiner Teile können die verlängerten Führungsbahnen einfach demontiert werden, sodass die Zugänglichkeit der Werkstücke im Vergleich zur Spannung auf konventionellen Großfuttern deutlich besser ist.

Neue Perspektiven

Welches Mittel eine Werkzeugmaschine effizienter macht, kann nicht pauschal beantwortet werden. Sowohl hydraulische als auch elektrische Antriebe haben ihre Daseinsberechtigung. Interessant wird es aber, welche weiteren Möglichkeiten in der Kombination der Antriebe stecken. „Durch die Elektrifizierung der Hydraulik werden sich völlig neue Perspektiven ergeben. Es ist durchaus vorstellbar, dass hydraulische Achsen in Zukunft nicht mehr von einem Aggregat gespeist werden, sondern einen eigenen Fluidkreislauf haben“, erklärt Haack. Die Regelung erfolge dann nicht durch Ventile, sondern über die Drehzahlregelung intelligenter Antriebe. „Damit ergeben sich ganz neue Perspektiven.“

Autorinnen: Felicitas Heimann, Redaktion und Ragna Sonderleittner, freie Autorin der fluid

Hintergrundinformationen

Emuge Spannfutter

Leichtbau: Emuge Spannfutter mit speziell gewickelter Karbon-Ummantelung für niedriges Gewicht und geringe radiale Aufweitung. Bild: Emuge

Herausforderungen für die Branche

Die Werkzeugmaschinenindustrie entwickelt sich rapide. Neue Herausforderungen wie fortschreitende Hybridisierung der Maschinen, die stark softwarebestimmten Themen der IT-Sicherheit, zunehmender Intelligenz der Maschinenperipherie sowie die Simulation kompletter Bearbeitungsvorgänge kommen auf. Daneben werden aber Ressourceneffizienz und Flexibilität immer starke Themen für die Maschinenbauindustrie bleiben. Zahlreiche gute Lösungen sind schon für energieeffiziente Werkzeugmaschinen entwickelt und umgesetzt worden.

Die Maßnahmen sind vielfältig und reichen von konstruktiven Lösungen wie der gezielten Optimierung einzelner Maschinenkomponenten bis hin zu neuartigen Antriebskonzepten, rückspeisefähigen Motoren oder der Optimierung des Bearbeitungsprozesses. Auch eine Reduzierung der Taktzeit ist ein wirkungsvoller Hebel, da dadurch der Energieverbrauch oftmals linear abgesenkt werden kann.

Häufig sind diese Maßnahmen jedoch mit Mehrkosten verbunden. Hier greift das Projekt „eta-Fabrik“. Es untersucht das Zusammenspiel von Gebäuden, technischer Gebäudeinfrastruktur und Produktionsmaschinen und erforscht Lösungen, die es ermöglichen, den zu erwartenden Energiebedarf von einzelnen Maschinenkomponenten zu quantifizieren.

Deutsche Werkzeugmaschinenindustrie

Schwacher Auftragseingang dämpft Prognose

„Der Auftragseingang blieb 2014 unter den Erwartungen“, sagt Dr. Wilfried Schäfer, Geschäftsführer VDW. Im dritten Quartal 2014 fiel der Auftragseingang der deutschen Werkzeugmaschinenindustrie im Vergleich zum dritten Quartal 2013 um acht Prozent niedriger aus. Die Inlandsbestellungen lagen neun Prozent unter Vorjahr, die Auslandsbestellungen sieben Prozent darunter. Wachsende Unsicherheit über die weitere Entwicklung der Weltwirtschaft drückten auf die Investitionsbereitschaft der deutschen Abnehmer.

Dazu trugen die Ukraine-Krise, das brachliegende Russlandgeschäft und die verhaltene Entwicklung in China bei. Ein Produktionswachstum für 2014 von drei Prozent sei somit nicht realistisch. Der VDW geht demnach von einer Querbewegung des Produktionsverlaufs aus. Damit würde das Ergebnis 2014 auf dem Vorjahresniveau von 14,6 Milliarden Euro liegen.