Einen 4-Quadranten-Direktantrieb setzt das türkische Hydraulikunternehmen Kayahan nun in Tiefziehpressen (großes Bild) und Abkantbiegepressen ein und spart damit in den Pressen nicht nur Energie, sondern auch an die 50 Prozent Hydrauliköl ein. Bild: Kayahan

Einen 4-Quadranten-Direktantrieb setzt das türkische Hydraulikunternehmen Kayahan nun in Tiefziehpressen (großes Bild) und Abkantbiegepressen ein und spart damit in den Pressen nicht nur Energie, sondern auch an die 50 Prozent Hydrauliköl ein. Bild: Kayahan

Beim 4-Quadranten-Direktantrieb ist die Hydraulikeinheit symmetrisch aufgebaut und funktioniert als Pumpe und als Hydraulikmotor. Die Drehzahl wird von einem Elektroantrieb vorgegeben, der als Servomotor oder Asynchronmotor ausgeführt sein kann. Niedrige Drehzahlen entsprechen einem geringen Volumenstrom, hohe Drehzahlen einem großen Volumenstrom. Somit wird mit dem 4-Quadranten-Direktantrieb die Energieeffizienz gesteigert, weil es keine Drosselstellen wie bei den konventionellen Systemen gibt.

Des Weiteren wird während des Stillstands keine Leerlaufleistung produziert. Ein weiterer Punkt ist, dass Lastdrücke vom 4-Quadranten-Direktantrieb kontrolliert werden können. Zum Beispiel, wenn ein Zylinder eine bestimmte Kraft beim Pressen aufzubringen hat, kann der 4-Quadranten-Direktantrieb ohne Druckventile den Druck kontrollieren.

Die Genauigkeit der Aktuatoren hinsichtlich Geschwindigkeit und Kraft hängt von den Anforderungen ab. Es kann ein einfaches System mit Drehstrommotoren sein, oder eine hochwertige Lösung mit Servomotoren im geschlossenen Regelkreis.

Bei Linearantrieben können an die Hydraulikzylinder Wegmesssysteme angebaut werden. Damit lassen sich lineare Bewegungen und Positionierungen mit hoher Genauigkeit kontrollieren, wobei die Positionen gehalten werden. Geschwindigkeitsprofile mit den entsprechenden Beschleunigungen und Verzögerungen können auf relativ einfache Weise programmiert werden.

Bei einer Rückmeldung des Drucks mittels Drucksensor lassen sich auch Kräfte kontrollieren. Dank des geschlossenen Regelkreises ist es möglich, eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Auch bei großen Schwankungen der von außen wirkenden Kräfte können Abweichungen vollständig ausgeregelt werden.

Energieeinsparung

Wie der Name Direktantrieb sagt, besteht zwischen der Hydraulikeinheit und den Aktuatoren eine direkte Verbindung. Es werden keine Drosselstellen gebraucht, um Volumenströme zu kontrollieren. Hingegen sind in konventionellen Systemen Drosselstellen erforderlich. An diesen Drosselstellen treten Druckabfälle auf, die relativ hohe Werte annehmen können. Druckabfall multipliziert mit dem Volumenstrom ergibt eine Leistung, die in Form von Wärme in das Hydrauliköl übergeht.

Je nach Anwendung können diese Drosselverluste einen namhaften Teil der benötigten Energie bei Maschinen und Anlagen ausmachen. Da hier die Drosselverluste komplett eliminiert sind, können bis 75 Prozent an elektrischer Energie eingespart werden.

Weil beim Direktantrieb keine Leistung in Form von Wärme ins Hydrauliköl abgeführt wird, werden auch keine Ölkühler und sperrigen Öltanks benötigt. So kann im Vergleich zu konventionellen Systemen die Größe des Öltanks um rund 50 Prozent verkleinert werden. Des Weiteren können Kühler weggelassen oder zumindest in großem Maße verkleinert werden. Das spart Gestehungskosten ein, wenn deutlich weniger Einbauraum für den Einbau der Hydraulik benötigt wird.

Dies führt zu einer einfachen, übersichtlichen Installation und hilft, die Montage und Inbetriebnahme effizienter zu gestalten. Hinzu kommt, dass die Produktionszeit verkürzt wird. Wegen des verkleinerten Öltanks fällt die Ölfüllung entsprechend geringer aus. Auch führt das tiefere Temperaturniveau zu einer verlängerten Lebenszeit des Hydrauliköls, die Intervalle für die Auswechslungen werden dementsprechend verlängert. Der Anwender profitiert somit von geringerem Ölbedarf und weniger Aufwand für Ölwechsel.

Niedriges Lärmniveau

Der Lärmpegel der 4-Quadranten-Hydraulikeinheit ist sehr niedrig im Vergleich zu Hydraulikpumpen. Das liegt an der Bauart als nicht-kompensierte Innenzahnradeinheit. Ein spezielles Zahnprofil hält die Druckpulsationen auf einem sehr niedrigen Niveau, unerwünschter Lärm ist kaum wahrnehmbar.

Der Direktantrieb stellt zudem keine besonders hohen Anforderungen an die Ölreinheit. Das hat einen positiven Einfluss auf die Fertigungs- und Betriebskosten. Des Weiteren kann das Risiko für einen ungeplanten Betriebsausfall reduziert werden, zum Beispiel in herausfordernden Umgebungen wie Gießereien.

Anwendung Abkantbiegepresse

Um eine hohe und wiederholbare Präzision beim Biegewinkel von Blechen zu erreichen, ist das genaue Positionieren am unteren Totpunkt unabdingbar. Eine weitere Herausforderung ist die synchrone Bewegung der Oberwange mit den Hydraulikzylindern.

Besonders während der Biegebewegung ist die Parallelität sehr wichtig, um die geforderte Qualität zu erreichen. Die synchrone Bewegung wird im geschlossenen Regelkreis in Verbindung mit Wegmesssystemen an jedem Zylinder kontrolliert. Spezifische Regelalgorithmen sorgen für sanfte Übergänge vom Eilgang zum Pressgang.

Tests haben ergeben, dass beim Einsatz des 4-Quadranten-Direktantriebs 77 Prozent weniger Energie verbraucht wird als bei einer konventionellen Abkantbiegepresse mit Proportionalventilen. Zudem ist der Lärmpegel der Hydraulik kaum wahrnehmbar.

Dank der niedrigen Öltemperatur werden Viskositätsunterschiede klein gehalten. Der geschlossene Regelkreis regelt die restlichen Viskositätsunterschiede vollkommen aus. Auch bei großen Unterschieden der Umgebungstemperatur ist die Wiederholgenauigkeit gewährleistet.

Anwendung in Tiefziehpressen

Der 4-Quadranten-Direktantrieb ist ebenfalls für den Einsatz in Tiefziehpressen sehr geeignet. Denn hier müssen hohe Volumenströme mit den entsprechenden Drücken kontrolliert werden, um die erforderlichen Kräfte und Geschwindigkeiten aufzubringen. Entsprechend der Größe der Presse kann die dazu benötigte Leistung relativ hohe Werte annehmen. Um die Leistung auf einem möglichst niedrigen Wert zu halten, sollte der Drosselverlust möglichst gering ausfallen.

An dieser Stelle hat der 4-Quadranten-Antrieb den Vorteil, dass keine Drosselstellen vorhanden sind. Auch Druckventile sind nicht notwendig. Ein weiterer Punkt, der dazu beiträgt, den Energieverbrauch zu senken. Denn auch hier liegt der Hauptvorteil des 4-Quadranten-Direktantriebs in der beträchtlichen Reduktion des Energieverbrauchs. In Tiefziehpressen kann der Energiebedarf zwischen 60 bis 70 Prozent gesenkt werden.

Den Ölabfluss auf Kolbenseite kontrollieren

Wenn die Kolbenstange des Ziehkissenzylinders in den Zylinder gedrückt wird, muss die Gegenkraft kontrolliert werden. Das wird bewerkstelligt, indem man den Ölabfluss auf der Kolbenseite kontrolliert. In konventionellen Systemen werden dazu Druckventile eingesetzt. Die Durchflüsse und Drücke können relativ hohe Werte annehmen. Das bedeutet, dass das Hydrauliköl aufgeheizt wird und deshalb gekühlt werden muss. Das erhöht natürlich den Energieverbrauch.

Weil die 4-Quadranten-Hydraulikeinheit auch als Hydraulikmotor eingesetzt werden kann, kann diese vom ausfließenden Öl angetrieben werden. So treibt die Hydraulikeinheit also die elektrische Einheit an, die in der Funktion eines Generators betrieben wird. Diese Leistung kann somit rekuperiert und der Tiefziehbewegung zugeführt werden.

Wegen des geringeren Bedarfs an Hydrauliköl um rund 50 Prozent fällt der Öltank entsprechend kleiner aus. Dazu sind keine Kühler notwendig, was den Einbau der Hydraulik vereinfacht. Alles in allem ist die Gesamtkonstruktion der Presse einfacher und übersichtlicher.

Übergang ist fließend

Mit dem 4-Quadranten-Direktantrieb kann der Volumenstrom sanft und ohne Schaltschläge von Ventilen variiert werden. Das macht die Bewegungen gleichmäßig und die Geschwindigkeitsübergänge sanft. Das Geschwindigkeitsprofil kann frei programmiert werden. Bei Tiefziehpressen bedeutet es, dass der Übergang vom freien Fall zur Tiefziehbewegung fließend ist.

Die Beschleunigung der Aufwärtsbewegung, das Anhalten und optimierte Geschwindigkeitsänderungen führen zu dynamischen, aber immer noch gleichförmigen Bewegungen. So können auf der einen Seite hohe Geschwindigkeiten mit möglichst wenigen Zeitverlusten und auf der anderen Seite sanfte Übergänge einfach und individuell verbessert werden. Änderungen der Viskosität werden mit dem geschlossenen Regelkreis kompensiert.

Somit bleiben bei unterschiedlichen Umgebungs- und Öltemperaturen die Produktionsbedingungen immer dieselben. Dies garantiert eine fortwährende Produktqualität. Der Druckabbau nach dem Tiefziehprozess kann ebenfalls von der 4-Quadranten-Hydraulikeinheit kontrolliert werden. Auch das ist ein Beitrag zu einer einfachen und übersichtlichen Hydraulik.

Auch bei Tiefziehpressen ist ein geringer Lärmpegel erwünscht. Da in konventionellen Systemen relativ große Pumpen eingesetzt werden, ist die Lärmemission relativ groß. Mit dem 4-Quadranten-Direktantrieb kann diese Situation beträchtlich verbessert werden.

Vorteile für Produzenten und Anwender

Für Produzenten von Tiefziehpressen ergeben sich daher folgende Vorteile:

  • einfache Integration der Hydraulik macht die Anordnung übersichtlich
  • vereinfachte Konstruktion
  • Montage und Inbetriebnahme werden verkürzt.
  • Vorteile für den Endanwender:
  • Einsparung von elektrischer Energie bedeutet weniger Produktionskosten
  • Bewegungskontrolle und sanfte Geschwindigkeitsänderungen sorgen für kontinuierliche Produktqualität
  • geringer Ölverbrauch spart Kosten.

Fazit: Das neu entwickelte System erlaubt es, die Fabrikationskosten zu senken und im gleichen Zuge die Effizienz zu steigern. Kayahan hat dieses innovative System zusammen mit der Firma Demirer Technologic Systems entwickelt und präsentiert es das erste Mal während der Hannover Messe in der Halle 21, Stand C11.

Autorin: Ingrid Fackler, Redaktion

Kayahan LogoDas Unternehmen Kayahan

Hydraulik mit Tradition

Kayahan ist ein türkisches Hydraulikunternehmen, das 1950 gegründet wurde und die erste Presse in der Türkei hergestellt hat – und damit auf eine lange Tradition im Pressenbau verweisen kann. Die große Auswahl an Hydraulikzylindern des Unternehmens findet Anwendung in vielen Sektoren. So werden die Zylinder in Stahlwerken, bei Schleusentoren, im Bergbau und in mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt. Daneben sind 20 Prozent der Kunden Produzenten von Pressen und Abkantbiegepressen.

Technik im Detail

4-Quadranten-Antrieb

Die türkischen Unternehmen Kayahan und Demirer Technologic Systems haben gemeinsam den energieeffizienten Pressen-Antrieb entwickelt und präsentieren ihn zum ersten Mal auf der Hannover Messe 2015. Bild: Kayahan

Vorteile des 4-Quadranten-Antriebs:

  • Energieeinsparung von 50 Prozent und mehr
  • Verkleinerung des Öltanks um 50 Prozent
  • Weglassen oder deutliche Verkleinerung der Ölkühler
  • Hydrauliköl-Menge um 50 Prozent verringert
  • verlängerte Lebensdauer des Hydrauliköls wegen tieferer Öltemperatur
  • kaum Lärmession der Hydraulik
  • weniger Investitionen und Betriebskosten für die Filtrierung.