Prima Klima

Prima Klima: Die Kaltumformpresse Lasco TZP 800 verbraucht dank Servohydraulik, die weniger gekühlt werden muss, 40% weniger Energie als konventionelle Hydraulik. Bild: Lasco

Die Botschaft der Automobilindustrie auf dem 21. Umformtechnischen Kolloquium Hannover war klar und deutlich: Reinrassig elektrisch angetriebenen Servopressenlinien gehört die Zukunft. Trotzdem gibt es nach wie vor Unternehmer, die zwar auch elektrische Servoantriebe in ihre Pressen einbauen, die aber auch auf Hydraulik Marke Eigenbau setzen. Dazu zählt beispielsweise Lothar Bauersachs, Geschäftsführer der Firma Lasco Umformtechnik aus Coburg, der sich – obwohl gelernter Elektroingenieur – fluid gegenüber als Hydraulikfan outete.

Servodirektantrieb

Servodirektantrieb: Die potenzielle Energie der bewegten Massen wird teilweise in Elektroenergie umgewandelt und dem Zwischenkreis des Servosystems zugeführt. Grafik: Lasco

„Lasco ist ein Unternehmen, das sich zutraut, auch neue Wege bei der Antriebstechnik für Werkzeugmaschinen für die Massiv­umformung zu gehen“, erklärte er in Hannover. „Neue Wege bedeutet aber nicht gleich Revolution, sondern oftmals auch Evolution.“ Auf dem Kongress stellte der Geschäftsführer außer einem Antriebskonzept mit unabhängig von einander arbeitenden Torquemotoren für Reckwalzen, bei dem das Schwungrad entfällt, auch eine 2010 bereits gestartete Eigenentwicklung vor. Lasco ist nämlich bekannt als Hersteller von hydraulischen Pressen. „Wir wollten eine Servopresse mit der Flexibilität der hydraulischen Presse entwickeln, die höchste Energieeffizienz verspricht und auch hohe Hubzahlen ermöglicht“, betonte der Geschäftsführer.

„Sie muss natürlich weiterhin für die klassischen Umformvorgänge wie Fließpressen, Tiefziehen und Stauchen besonders gut geeignet sein.“ Für Servopumpen spricht die direkte Kopplung von Servomotor und Hydraulikpumpe. Im Gegensatz zu mechanischen Pressen-Antrieben lässt sich der Servomotor gut steuern und der Pumpenrotor exakt regeln.

Der Servomotor bestimmt Geschwindigkeit, Kraft und Position des Hydraulikzylinders, zusätzliche Steuer- oder Regelventile entfallen: Im Entlastungszyklus treten daher keinerlei Drosselverluste an Ventilkanten auf. Die Pumpe treibt den Servomotor vielmehr generatorisch an, der zusammen mit der Hydraulikpumpe die Gegenhaltekraft für die hydraulischen Ziehkissen erzeugt. Bauersachs: „Man kann sich das Hydrauliköl, das als Übertragungselement arbeitet, auch als flüssige Zahnstange vorstellen.“

Presse 2.0

Presse 2.0: Der hydraulische Servodirektantrieb steigert die Leistung der 800-Tonnen-Taumelpresse im Vergleich zur bisherigen konventionellen Hydraulik von 28 auf 40 Hübe pro Minute. Grafik: Lasco

Wie arbeitet der hydraulische Servodirektantrieb? Die Servopumpe in der unteren Ringfläche bremst den Presskolben beim schnellen Bewegen. „Bei Stillstand des Kolbens im oberen Haltepunkt befindet sich die Servopumpe in Lageregelung. Sie gleicht etwaige Leckage aus, um exaktes Halten der Position zu gewährleisten“, berichtete der Experte aus Coburg. „Die potenzielle Energie der bewegten Massen wird teilweise in Elektroenergie umgewandelt und dem Zwischenkreis des Servosystems zugeführt. Beim folgenden Pressvorgang kann diese Energie zur Beschleunigung der Servomotoren verwendet werden.“

Unmittelbar nach dem Kontakt des oberen Werkzeugteils mit dem Werkstück startet das Pressen: Wenn das Füllventil geschlossen ist, füllt sich der Zylinderraum mit Drucköl. Der Pressenstößel fährt lagegeregelt in Pressrichtung, wobei Geschwindigkeit und Presskraft von Drehzahl beziehungsweise Drehmoment der Servopumpe abhängen. Weil das Antriebssystem ständig einen Ist-Soll-Wert-Vergleich der Position direkt am Pressenstößel durchführt, kann es Leckagen automatisch kompensieren. Der Anwender kann Geschwindigkeitsverläufe vorgegeben, um die charakteristische Kinematik von Umformmaschinen nachzubilden. Bauersachs: „Ein Verfahren des Pressenstößels per „Handrad“ ist natürlich auch möglich.“

Lothar Bauersachs

„Wir trauen uns, neue Wege bei der Antriebstechnik für Werkzeugmaschinen für die Massivumformung zu gehen.“ Lothar Bauersachs, Lasco Umformtechnik. Bild: Fecht

Der hydraulische Servodirektantrieb kommt zum Beispiel in einer Hybridpresse zum Einsatz, die Hydraulik und Mechanik antreibt. Lasco hat die Presse für die sogenannte inkrementelle Umformung entwickelt, die ein Blech schrittweise in Form bringt. Anwender nutzen sie beispielsweise zum Verzahnen von Lenkungsbauteilen.

Die beidseitig wirkende Lasco TP 1000 formt mit Ober- und Unterstempel um. Ein hochdynamischer Torquemotor treibt den Antriebskopf des Oberstempels mit einem Drehmoment von 16.000 Nm bei einer maximalen Drehzahl von 300 U/min direkt an. Der Torquemotor kommt innerhalb von 0,2 Sekunden aus dem Stillstand auf die Höchstdrehzahl von 300 U/min. Ebenso schnell stoppt er auch. Ein wichtiger Pluspunkt für den Fall der Fälle – also für Not-Aus. Das Pressen übernimmt der servohydraulisch direkt angetriebene Unterstempel mit einer maximalen hydraulischen Presskraft von 10.000 kN.

„Wir haben das sonst oben angebrachte, übliche Schwungrad entfernt und dort einen Torquemotor mit einer durchgehenden Welle aufgebaut“, beschreibt Bauersachs das Konzept. „Der Antriebskopf des Oberstempels besitzt eine hydrostatische Lagerung.“ Dieses Hybridkonzept ermögliche das Herstellen von sehr präzisen Bauteilen. Außerdem erlaube das Antriebskonzept im Gegensatz zum sonst üblichen Schwungradantrieb auch das „Fahren“ mit kleinen Drehzahlen, bei denen ebenfalls das maximale Drehmoment von beachtlichen 16.000 Nm zur Verfügung steht (es entspricht der Zugkraft von rund 40 Mittelklassefahrzeugen!).

Für Kaltumformen ist die Lasco TZP 800 ausgelegt. Der hydraulische Servodirektantrieb steigert die Leistung der bisherigen konventionellen Hydraulik von 28 auf 40 Strokes (Hübe pro Minute). Hinzu kommt: Die 800-Tonnen-Presse (Tischgröße: 3700 mm x 3900 mm) besitzt einen sehr schweren Stößel, der mit Werkzeug eine Masse von 37 Tonnen aufweist. „40 Hübe pro Minute wären mit konventioneller Hydraulik hier nicht realisierbar“, freute sich der Geschäftsführer.

„Dank der Konstruktion mit der Servopumpe auf der Ringfläche müssen keinerlei Ölströme mit Ventilen hin- und hergeschaltet werden. Der Stößel hängt immer auf der ‚Ölsäule‘ der Servopumpe.“ Auf diese Weise erhält die Presse die Möglichkeit, elegant über den unteren Totpunkt (UT) hinausfahren zu können. Daher sei es eine Servopresse mit den Vorzügen einer hydraulischen Umformmaschine, die sich besonders für das Massivumformen eigne.

Die Anlage ist bereits seit rund einem Jahr bei einem Anwender im Einsatz und hat seitdem schätzungsweise mehr als zehn Millionen Hübe gemacht. Beachtlich ist aber auch der Energieverbrauch: Laut Lasco verbraucht der Servoantrieb rund 30 Prozent weniger an Energie als eine konventionelle Hydrauliklösung. Die vorherige konventionelle Presse brauchte 40 Prozent ihrer Leistung für das Kühlen der Ölhydraulik, bei der neuen Servopresse sind es nur noch 10 Prozent. Außerdem steht der Servomotor und befindet sich nicht mehr im Leerlaufbetrieb, wenn der Stößel im unteren Totpunkt angekommen ist.

Grund genug für den Optimismus des Lasco-Geschäftsführers ist, dass künftig viele Umform­aggregate mit innovativen Servoantrieben ausgestattet werden. Verbesserungsbedarf sieht er noch bei der Zwischenspeicherung von Bremsenergie und gleichmäßiger Netzbelastung. Bauersachs: „Es gilt für mich im Sinne einer Evolution, Bekanntes zu überwinden und mit heutiger verfügbarer Technologie zu optimieren.“

Autor: Nikolaus Fecht, freier Journalist für fluid

Technik im Detail

Regelungstechnik für Servopressen

Servopumpe

So arbeitet der hydraulische Servodirektantrieb: Die Servopumpe in der unteren Ringfläche bremst den Presskolben beim schnellen Bewegen. Bild: Lasco

Lasco empfiehlt zum Regeln konventionelle CNC mit schnellen Taktraten, wie etwa eine Siemens Simotion. Bewährt hat sich das Bilden einer virtuellen Masterachse, an die alle Einzelachsen und die Servopumpe gekoppelt werden. Mit derartigen Systemen lassen sich laut Lasco hydraulische Tiefziehpressen mit Hubzahlen von 40 Strokes (Hübe pro Minute) und mehr sowie hydraulische Reckanlagen (Warmumformung) mit 200 Strokes verwirklichen.

Dazu eine Lasco-Schrift: „Die Anlagen sind in ihrer Struktur wesentlich leichter zu verstehen als komplexe Hydraulik auf Ventilbasis. Es müssen gewisse Schaltventile vorhanden sein, um die einschlägigen Sicherheitsvorschriften erfüllen zu können. Diese Ventile haben allerdings nur Schaltfunktionen in ‚Schwarz-weiß-Technik‘. Sämtliche Einstellparameter sind in digitaler Form gespeichert und auch dokumentierbar.“

Technik im Detail

Hydraulische Pressen

Bei hydraulischen Pressen gibt es zwei prinzipielle Konstruktionsansätze: Den Direkt- und den Speicherantrieb, die auch in Kombination Verwendung finden. Asynchronmotoren treiben direkt angekoppelte Hydraulikpumpen an. Die Pumpen weisen ein festes beziehungsweise variables Fördervolumen je Umdrehung auf. Die Druckflüssigkeit wird durch die Verwendung unterschiedlichster Ventiltechnik den Verbrauchern zugeführt.

Je nach Anforderung können einfache Schaltventile bis hin zu Proportional- oder Servoventilen zum Einsatz kommen. Die Änderung von Druck, Geschwindigkeit und Position resultiert aus dem Zusammenspiel von elektronischer Steuerung, Sensorik und Hydraulikventilen. Derartige Systeme weisen einen relativ niedrigen Wirkungsgrad auf, weil mit Stetigventilen große Ölströme bei hohem Druck gedrosselt werden müssen. Durch die Kompressibilität von Hydrauliköl in einem unter hohem Druck stehenden Hydraulikzylinder entsteht Federenergie. Beim Druckabbau im Zylinder strömt das komprimierte Hydrauliköl in den Tank und ist somit Verlustenergie. www.lasco.com