Elektromechanische Antriebe statt Hydraulikzylinder?

Wenn Ingenieure große Kräfte erzeugen oder schwere Lasten bewegen wollten, waren hydraulische Antriebe lange Zeit erste Wahl. Heute haben Hydrauliksysteme jedoch einen starken Konkurrenten in der Welt der Lineartechnik: den elektromechanischen Antrieb. Elektromechanische Aktuatoren ersetzen Hydrauliksysteme durch einen Präzisions-Kugel- oder Rollengewindetrieb, der von einem lokal montierten Elektromotor und Getriebe angetrieben wird.

Elektromechanische Systeme bieten in bestimmten Anwendungen Vorteile gegenüber hydraulischen Lösungen: Durch den direkt angeschlossenen Elektromotor sind sie oft kleiner und leichter als Hydrauliksysteme, weil man auf Pumpen, Akkumulatoren, Öltanks und Rohrleitungen verzichten kann. Das Fehlen von Drucköl kommt der Sicherheit und dem Umweltschutz zugute, da es das Risiko von Bränden, Verschmutzungen oder Verletzungen im Zusammenhang mit Leckagen und Verschüttungen ausschließt. Außerdem arbeiten elektrische Antriebe in der Regel leiser als die hydraulischen Pendants.

Elektromechanische Systeme verfügen darüber hinaus über einen größeren Drehzahl- und Leistungsbereich als hydraulische Geräte und weisen eine höhere Positioniergenauigkeit auf. Zudem funktionieren sie sozusagen konsequenter: Die Viskosität von Hydraulikölen kann sich mit der Zeit und der Temperatur ändern und die Leistung der Maschine beeinflussen. Elektromechanische Systeme hingegen arbeiten durchgängig mit präzisen Toleranzen – und da ihre beweglichen Teile auf der bewährten Wälzlagertechnologie basieren, kann ihre Lebensdauer unter bestimmten Betriebsbedingungen vorhergesagt werden.

Weil keine separaten Steuerventile und zugehörige Hardware benötigt werden, lassen sich elektromechanische Aktuatoren auch leichter in die elektronische Steuerung einer Maschine integrieren. Zusammen mit dem schnellen Ansprechverhalten, der Präzision und Wiederholgenauigkeit erleichtert dies die Programmierung komplexer Bewegungen oder den Bau von Maschinen, die sich schnell an unterschiedliche Prozessanforderungen anpassen müssen.

Allerdings gibt es einen Haken: die Kosten. Der Anschaffungspreis für elektrische Maschinen pro Antrieb ist meist höher als der für hydraulische Maschinen. Das hat in der Vergangenheit oft gereicht, um von ihrem Einsatz in bestimmten Anwendungen abzusehen. Betrachtet man jedoch die Gesamtkosten, ist diese Überlegung teilweise nicht stichhaltig. Denn über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine bieten elektromechanische Aktuatoren Einsparpotenziale, die die höheren Anschaffungskosten wettmachen können. Diese Einsparungen ergeben sich aus sechs Hauptfaktoren.

Hydraulische Systeme treten folgende Energieverluste auf: durch die anfängliche Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegung zum Antrieb der Hydraulikpumpe, Verluste in der Pumpe selbst, Flüssigkeitsreibung in den Übertragungsleitungen und weitere Verluste im Antrieb. Insgesamt dürfte ein Hydrauliksystem nur etwa 44 Prozent seiner Eingangsleistung an die Last abgeben.

Elektromechanische Systeme hingegen verlieren Energie durch die Grenzen des Motorwirkungsgrades und durch Reibung in den Getriebe- und Antriebskomponenten. Ein elektromechanischer Antrieb überträgt typischerweise 80 Prozent seiner Eingangsleistung auf die Last.

Während Hydraulikpumpen in den vielen Anwendungen kontinuierlich laufen, ist die Leistungsaufnahme von elektromechanischen Aktuatoren bei Nichtgebrauch gleich Null. In vielen Anwendungen kann ein elektromechanischer Antrieb seine Spitzenleistung nur für einen Bruchteil der Betriebszeit der Maschine verbrauchen. Insgesamt bedeutet dies, dass sich die Anschaffungskosten für elektrische Aktuatoren durch Energieeinsparungen teils innerhalb weniger Monate amortisieren.

Die in hydraulischen Maschinen verlorene Energie wird in Wärme umgewandelt. Bei Präzisionsanwendungen, wie Kunststoff-Formmaschinen, muss diese Wärme mit Hilfe von Kältemaschinen abgeführt werden, was den Gesamtenergiebedarf erhöht. Elektrisch angetriebene Maschinen benötigen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades nur etwa 35 Prozent der Kälteenergie eines hydraulischen Äquivalents.

Die höhere Geschwindigkeit und die verbesserte Regelbarkeit der elektromechanischen Stell-Aktuatoren können Maschinen schneller laufen lassen und die Leistung erhöhen – beispielsweise beim Punktschweißen mit Robotern in der Automobilindustrie: Zwischen den Schweißnähten muss die an einem Roboterarm angebrachte Zange geöffnet werden, damit der Arm die nächste Schweißstelle erreichen kann. In der Regel muss die Zange nach jeder Schweißung vollständig geöffnet werden.

Elektromechanische Systeme hingegen können so programmiert werden, dass sie sich gerade so weit öffnen, dass die Zange neu positioniert werden kann.

Erhöhte Genauigkeit und Konsistenz bedeuten, dass elektrisch angetriebene Maschinen in der Regel eine doppelt so hohe Wiederholgenauigkeit wie hydraulische Alternativen bieten. Das steigert die Qualität und reduziert den Ausschuss. Da die elektrischen Maschinen von Anfang an eine konstante Leistung liefern, werden die Verluste nach dem Umrüsten reduziert und die Produktionsteams verbringen weniger Zeit damit, die Maschinenvariablen anzupassen, um die Prozesse in den Griff zu bekommen. Selbst bei Anwendungen, die Bauteile mit geringer Präzision herstellen, können Einsparungen durch Ausschussreduzierung und Qualitätsverbesserungen die zusätzlichen Antriebskosten in zwei Jahren oder weniger wettmachen.

Elektrische Maschinen haben weniger Verschleißteile, die sich alle innerhalb des Kugelgewindetriebs und des Getriebes befinden. Hydraulische Geräte sind auf ein Netzwerk von Ventilen, Schläuchen, Filtern und Dichtungen angewiesen. Und da die Hydraulikleistung verteilt wird, kann ein Ausfall in einem Teil des Systems die gesamte Maschine zum Stillstand bringen, bis das Problem erkannt und behoben wird.

Ein Problem mit einem elektrischen Antrieb kann in der Regel durch einen schnellen Austausch des betroffenen Gerätes behoben werden. Dies führt zu einer um zwei Prozent höheren Betriebszeit und Maschinenverfügbarkeit bei elektromechanischen Antrieben, was die Leistung verbessert und die Produktionskosten pro Einheit senkt.

Schließlich haben elektrische Maschinen wenig wiederkehrende Kosten: Betreiber müssen kein Öl, keine Filter oder Dichtungen kaufen. Sie müssen keine Maschinen anhalten, um diese Teile zu ersetzen, und sie müssen kein Geld ausgeben, um sich vor Leckagen und Verschüttungen zu schützen oder diese zu beseitigen.

Elektromechanische Systeme können auch mit einer vollständig integrierten Zustandsüberwachungstechnologie ausgestattet werden, die den Betrieb und das Wartungspersonal auf mögliche Probleme aufmerksam macht, bevor sie zu einem ungeplanten Stillstand führen. Zusammen ergeben sich daraus Einsparungen von mehreren zehntausend Euro pro Jahr für eine typische Produktionsmaschine. Knapp die Hälfte dieser Einsparungen stammt aus anderen Bereichen als dem Energieverbrauch. do