Wie Elektrozylinder Hydraulik & Pneumatik jagen

Hub und Stellzylinder sind ein Brot- und Buttergeschäft im Maschinenbau. Sie bieten zahlreiche Vorteile, weil sie kompakt und schlank in beengte Arbeitsräume eingreifen und ein breites Kraftspektrum abdecken können. Pneumatische Hubzylinder sind dabei mit Abstand die kostengünstigste Lösung in der Anschaffung, hydraulische Hubzylinder die mit der höchsten Kraftdichte. Seit vielen Jahre herrscht ein harter Wettbewerb zwischen Pneumatik und Hydraulik auf der einen Seite und der Elektromechanik auf der anderen Seite. Dabei setzen beide Seiten auf Digitalisierung, Energieeffizienz und einschaltfertige Komplettlösungen.

Der klassische Hub- oder Verstellzylinder besteht aus einer Zylinderstange, oft einem Gehäuse, das führt und schützt, sowie einem Antrieb. Hier müssen Konstrukteure ihre Lösung fein tariert an ihre Anforderungen anpassen. Geht es um Genauigkeit, Kraft, Drehmoment oder Dynamik? Wie sieht es mit der Lebensdauer aus und wird der Zylinder über die gesamte Einsatzzeit immer die gleiche Aufgabe haben, oder muss der Hub stufenlos verstellbar sein? Schließlich entscheiden auch die Anschaffungs- und Lebenszykluskosten, welcher Antrieb der passende ist.

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Maximilian Festus

Gerade bei hohen Leistungsbereich hatten traditionell Hydraulikzylinder die Nase vorn. Sie bieten die höchste Kraftdichte, sind unempfindlich gegen Vibrationen und Stöße und erreiche hohe Lebensdauern. Auf der anderen Seite benötigen – oder besser benötigten – sie ein zentrales Hydraulikaggregat und eine Verrohrung. Diese Voraussetzung erfüllen zahlreiche Maschinen nicht. Damit ist die Geschichte aber nicht auserzählt.

Hydraulikzylinder ohne Zentralaggregat

So hat Bosch Rexroth einen ganzen Baukasten von autarken Hydraulikachsen entwickelt. Autarke Achsen konzentrieren Antriebsregler, Elektromotor, Pumpe, Öltank und Hydraulikzylinder in einem geschlossenen System. Die Achsen verbinden die Flexibilität eines intelligenten Antriebs mit den Vorzügen eines stufenlosen hydrostatischen Getriebes. „Der Anwender braucht weder ein zentrales Hydraulikaggregat noch Hydraulikwissen, weil wir mit CytroMotion und CytroForce einbaufertige autarke Achsen liefern, die nur noch mit Spannung und der Führungskommunikation verbunden werden müssen“ hebt Tobias Meyer, Leiter Produktmanagement Zylinder, Achssysteme und Industriepumpen bei Bosch Rexroth, hervor.

Die Automatisierungslösungen decken Kräfte bis 1.200 kN ab. Drehzahlvariable Pumpenantriebe verbessern die Energieeffizienz im Vergleich zu klassischen Hydrauliklösungen deutlich. Darüber hinaus stützen sich Lasten im Haltbetrieb auf integrierte Sperrventile ab, der Motor schaltet währenddessen auf Drehzahl Null.

Die autarken Achsen verfügen über Technologiefunktionen für die ablösende Kraft- und Positionsregelung sowie integrierte Sicherheitsfunktionen STO und SLS. Damit erfüllen sie bei geberlosen Varianten die Anforderungen bis SIL3 der IEC 62061 und Kategorie 4, PL e der ISO 13849 oder für geberabhängige Applikationen bis SIL2 und Kategorie 3, PL d. Die typischen Anwendungsgebiete reichen von Pressen- und Dosiersystemen über Werkzeugmaschinen, Simulatoren, Prüfstände bis hin zu Transport- und Handling-Lösungen.

Elektromechanische Zylinder mit Lebensdauerschmierung

Die elektromechanischen Zylinder EMC von Bosch Rexroth decken fein skaliert Kräfte bis 56 kN ab. Die kompletten Automatisierungspakete sind lebensdauergeschmiert und wartungsfrei. „Mit einer Lebensdauer von bis zu 15.000 km eignen sie sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen in verschiedenen Branchen. Unsere Ausführungen im hygienischen Design und IP65 Schutzart kommen vorzugsweise in der Lebensmittelindustrie, in Chemie und Pharma zum Einsatz“, betont Kim Mervasto, Produktmanagement elektromechanische Aktuatoren bei Bosch Rexroth.

Die Baureihe EMC-HP hat Bosch Rexroth für Schwerlastanwendungen bis zu 250 kN entwickelt. Ein hochpräziser Planetengewindetrieb ermöglicht die exakte Positionierung tonnenschwerer Lasten. Maschinenhersteller montieren den Motor direkt an den Gewindetrieb an oder parallel über ein robustes Stirnradgetriebe. Mit seiner kompakten Bauweise und einer IP 54 Abdichtung erreicht der EMC HP eine lange Lebensdauer und hohe Dauerleistung. Wartungsfreundliche Schmierungsoptionen runden das Paket ab. Ein integriertes Sensor- und Anzeigepaket visualisiert je nach Ausführung eine Schmierempfehlung oder die Öltemperatur.

Gleiche Motoren und Regler

Die elektromechanischen Linearachsen EMC und EMC HP unterstützen die exakte Regelung sehr schneller oder komplexer Bewegungsabläufe und den Synchronlauf mehrerer Achsen. Bei hoher Dynamik erreichen sie Positioniergenauigkeiten bis zu 10 μm. Ihre maximale Kraft können die elektromechanischen Zylinder sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung abrufen.

Eine Besonderheit bei Bosch Rexroth: Antriebsregler und Motoren sowohl der hydraulischen autarken Achsen als auch der elektromechanischen Linearantriebe von Bosch Rexroth stammen aus den gleichen Produktfamilien. Das vereinheitlicht die Inbetriebnahme und die Bedienung im Alltag. Über offene Schnittstellen fügen sich die Hubzylinder in verschiedenste Automatisierungsumgebungen ein. Technologiespezifische Funktionspakete unterstützen auch cloudbasiertes Condition Monitoring.

Sonderausführungen in Losgröße 1

Die RK Rose+Krieger GmbH, Tochtergesellschaft der schweizerischen Phoenix Mecano AG, ist ein Komplettanbieter von Komponenten und Systemen für die industrielle Produktion und Automatisierung. Neben Linear-, Profil-, Verbindungs- und Modultechnik bietet das Unternehmen ein breites Portfolio an Elektrozylindern, von Kurzhub- bis hin zum Schwerlast-Linearzylindern. “Als Mittelständler können wir Marktanforderungen schnell umsetzen“, versichert Holger Schmidt, Produktmanager bei Rose + Krieger. „Gut die Hälfte unserer Aufträge sind kundenspezifische Sonderausführungen ab der Stückzahl 1, die wir in Europa herstellen.“ Das Spektrum umfasst sowohl die reine Mechanik als auch komplette Systemlösungen mit Motor und Regler.

Für den Automatisierungsspezialisten haben auch in Zukunft Pneumatik, Hydraulik und Elektromechanik ihre Einsatzgebiete, wobei Elektrozylinder Marktanteile gewinnen. Rose+Krieger setzt beispielsweise auf selbsthemmende Zylinder, die wie in der Fluidtechnik Lasten auch ohne Energiezufuhr sicher halten. „Durch den Einsatz von Trapezspindeln reicht es, den Motor stromlos zu setzen“, beschreibt er das Prinzip. So rüstet das Unternehmen medizinische Hubliegen mit autarken Lösungen aus. Die dynamische Last beträgt 300 kg, die statische Haltekraft ist normgerecht viermal so hoch.

Kondenswasser in Außenwendungen beherrschen

Im industriellen Bereich fokussiert sich Rose+Krieger auf Anwendungen in der Intralogistik und Verpackungsindustrie bis hin zu Reinraumanwendungen in Chemie und Pharma- sowie für die Halbleiterindustrie. Dort fügen sich auch die Komplettsysteme mit offenen Schnittstellen in die Automatisierung ein. Ein weiterer Schwerpunkt sind Montagarbeitsplätze: „Ergonomie ist heute enorm wichtig und höhenverstellbare Arbeitsplätze sind heute Standard“, ist sich der Automatisierungsspezialist sicher.

Für den Außeneinsatz hat das Unternehmen Elektrozylinder in IP69K Ausführungen entwickelt. „Wichtig ist dabei, dass unsere Lösungen auch mit Kondenswasser bei großen Temperaturschwankungen umgehen können“, erklärt Holger Schmidt eine Herausforderung. Mit 12/24V Motoren ausgerüstet verstellen die Allwetterzylinder Solarpanele, öffnen und schließen Klappen bei Kommunalfahrzeugen und passen CAN-Bus gesteuert in modernen Mähdreschern die Siebe auf verschiedene Korngrößen an.

Schnell und hochpräzise

Linearantriebe von Linak können Lasten von bis zu 15.000 Newton (N) bewegen, was sie ideal für anspruchsvolle industrielle Anwendungen macht. Diese Antriebe können aber auch Geschwindigkeiten von bis zu 160 mm/s erreichen. Damit sind sie sowohl für schnelle als auch für hochpräzise Anwendungen geeignet. Zudem bieten sie eine Hublänge von bis zu 1 Meter, wodurch sie für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten flexibel einsetzbar sind. „Von der präzisen Steuerung und Regelung bis hin zu integrierten Feedback-Systemen – moderne Linak Linearantriebe bieten zahlreiche Möglichkeiten, um Bewegungsabläufe optimal zu kontrollieren und anzupassen“, bekräftigt Christoph Messing, Geschäftsführer Linak GmbH.

Das Positionieren mit einem Linak elektrischen Linearantrieb bietet zahlreiche Vorteile. Sie ermöglichen präzise Linearbewegungen, was besonders in der Automatisierung von Geräten von großer Bedeutung ist. Die hohe Positioniergenauigkeit dieser Antriebe sorgt dafür, dass Bewegungen exakt und wiederholbar ausgeführt werden können, was die Effizienz und Qualität in Produktionsprozessen erheblich steigert.

Ein weiterer Vorteil ist die Flexibilität der elektrischen Linearantriebe. Sie können leicht in bestehende Systeme integriert und an spezifische Anforderungen angepasst werden. Dies macht sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Industrieautomation bis zur Medizintechnik.

Für Lebensmittelindustrie geeignet

Das Portfolio der Maccon GmbH & Co. KG umfasst sowohl ein breites Spektrum an Serienprodukten als auch individuell modifizierte und komplett kundenspezifische Antriebslösungen. Im Bereich Stellzylinder bietet das Unternehmen aus München mehrere Baureihen, mit externem Servomotor, mit integriertem Servomotor oder mit Schrittmotor. „Wenn es um Präzision geht, genaueres Positionieren und Dosieren, um weniger Verschleiß und Flexibilität für Produktwechsel, lohnt sich für den Anwender der Mehraufwand für elektrische Linearaktuatoren“, berichtet Martin Schnell, Leiter Technical Sales und Support bei Maccon. Einen Schwerpunkt legt das Unternehmen dabei auf beschichtete Stellzylinder in Hygienic Design für den Wash-down-Einsatz sowie Varianten in Edelstahlausführung mit Schutzart IP69 K für die Lebensmittelverarbeitung.

Die Stellzylinder decken mit Trapezspindel, Kugel-, Rollen- und Planetengewindetrieb ein breites Leistungsspektrum ab. Die Motoren zeichnen sich durch eine geringe Kraftwelligkeit für eine optimale Kontrolle aus. Eine Einkabellösung reduziert den Verdrahtungsaufwand in der Maschine und ermöglicht gleichzeitig den Einsatz eines modernen Absolutwertgebers.

Tubularmotor findet den Weg in neue Branchen

Für die Kostenlücke zwischen elektrischen Linearaktuatoren und Pneumatikzylindern bietet Maccon eine weitere Lösung: „Mit unseren Tubularmotoren beschreiten wir einen Parallelweg“, beschreibt Martin Schnell den Ansatz. Ein Tubularmotor besteht aus einer elektrischen Spule und einer mit Magneten bestückten Kolbenstange. Die Spule bewegt die Kolbenstange axial hochdynamisch und verschleißarm. „Weil der Motor aus sehr wenigen Komponenten besteht, ist er von den Kosten her sehr interessant“, hebt der Antriebsspezialist hervor. Tubularmotoren bewähren sich seit Jahren in der Halbleiterfertigung und finden langsam auch den Weg in die allgemeine Automatisierung, zumal sie sich auch für den Einsatz in Reinräumen und in der Lebensmittelindustrie eignen. Die miniaturisierte Baureihe NL deckt 24/48 VDC ab, die stärkere Green Line höhere Spannungen bis 400 VAC.

Bei kundenindividuellen Lösungen fokussiert sich Maccon auf die Kernkompetenz Elektromotoren und Antriebselektronik. So hat der Antriebsspezialist die Hauptachsenantriebe - Azimuth und Elevation - für das „Giant Magellan Telescope“ (GMT) in Chile entwickelt und realisiert. Kernstück des elektromagnetischen Antriebskonzepts ist ein permanenterregter Synchronmotor mit einem Rotor von rund 20 Metern Durchmesser, der von mehreren linearen Statorsegmenten entlang einer gekrümmten Rotorbahn angetrieben wird. „Unsere Antriebslösungen sind nicht nur auf der gesamten Erde im Einsatz, sondern auch in der Luft und im Weltraum“, lacht der Leiter Technical Sales and Support.

überarbeitet von: Dietmar Poll