Bewährt und weiter auf Erfolgskurs

Werden die Vorteile elektrischer Linearantriebe im Markt akzeptiert? In welchen Bereichen setzt man nach wie vor meist auf Pneumatik oder Hydraulik? Diese Fragen beantworten im Anbieter-Interview zum Trendteil „Drives & Motion" die Experten von Festo, INA – Drives & Mechatronics, Maccon, Wittenstein und Yaskawa.

eA: Welche technischen Vorteile bietet die elektrische Linearantriebstechnik verglichen mit der Hydraulik und Pneumatik?

Grimm: Direktantriebe überzeugen durch höchste Präzision, Kompaktheit, einfaches Design, vielfältige Möglichkeiten der Systemintegration. Sie sind schnell und einfach in Betrieb zu nehmen und erreichen höhere Endgeschwindigkeiten als herkömmliche Antriebe. Linearantriebe von INA – Drives & Mechatronics sind wartungsfrei, haben ei-ne hohe Regeldynamik, sind im Hub unbegrenzt sowie frei steuer- und regelbar. Auf einer Achse können mehrere unabhängig voneinander frei programmierbare Schlitten integriert werden. Unsere Direktantriebe sind energieeffizienter als Pneumatik- und Hydrauliklösungen. Sie eignen sich dadurch insbesondere für saubere Anwendungen in der Halbleiter- und Nahrungsmittelindustrie, aber auch für Bereiche mit Vakuumanforderungen und für Reinraumanwendungen.

Luik: Die elektrische Linearantriebstechnik erlaubt technisch gesehen eine einfachere Regelung der Prozessparameter Kraft, Position, Beschleunigung und Geschwindigkeit. In der Anwendung ist die Servopneumatik von Festo jedoch genauso einfach zu bedienen wie die elektrische Antriebstechnik, jedoch aufgrund der Kompressibilität der Luft mit Einschränkungen bzgl. der präzisen Regelung einzelner Parameter verbunden. Gegenüber konventionellen pneumatischen und hydraulischen Antriebssystemen ist die elektrische Antriebstechnik immer mit einem Mehraufwand in Inbetriebnahme und Programmierung verbunden, und hat zudem unter dem Gesichtspunkt der Einstandskosten deutliche Nachteile zu verbuchen. Vorteilhaft für die elektrische Antriebstechnik ist, dass Strom grundsätzlich überall vorhanden ist und Hydraulikaggregate und Druckluftnetze mit Investitions- und Wartungskosten verbunden sind. Von Seiten der Energieffizienz ist immer eine applikationsspezifische Beurteilung zu treffen. Diese hängt von vielen Faktoren wie Fahrprofilen, bewegter Masse, Antriebstechnologie sowie Gesamtwirkungsgrad des eingesetzten Antriebssystems ab. Selbst innerhalb der elektrischen Linearantriebstechnik ergeben sich bei Zahnriemen, Zahnstange, Gleitspindel, Kugelspindel, Lineardirektantrieben erhebliche Unterschiede. In der Regel verfügt die elek- trische Linearantriebstechnik über einen schnelleren Kraftaufbau, hat jedoch erhebliche Nachteile in der Energiedichte (F/kg).

Hopper: Der Linearmotor bietet Vorteile insbesondere bezüglich Dynamik und Genauigkeit sowie aufgrund der geringen mechanischen Abmessungen. Für den Anwender ist es auch vorteilhaft, die Anlage nur mit Strom versorgen zu müssen und nicht zusätzlich mit Luft. Hinzu kommt auch die Energiebetrachtung: Obwohl Linearantrie-be nicht unbedingt weniger Energie verbrauchen, benötigen sie sehr wohl weniger, wenn sie nichts tun. Je nach Anwendung sind elektrische Antriebe in der Summe erheblich sparsamer als luft- bzw. hydraulischbetriebene.

Stührenberg: Der elektrische Linearantrieb lässt sich in aller Regel in Form eines einfachen geschlossenen PI-Ortsregelkreises voroptimiert realisieren, sodass er besonders seine Vorteile ausspielen kann, wenn u.a. Forderungen nach Präzision, Dynamik, sanftes Inpositionlaufen, Energieeffizienz, stabiles Zwischenpositionieren ohne mechani-schen Anschlag, exaktes Einhalten von programmierten Verfahrprofilen über Zeit unabhängig von wechselnden Lasten und Reibungen einzuhalten sind. Durch Voroptimierung und stabile Regelungscharakteristik lassen sich unschlagbar kurze Inbetriebnahme-Zeiten erreichen.

Wiechert: Bei hydraulischen und pneumatischen Stellantrieben wird elektrische Energie indirekt in mechanische Bewegung umgesetzt, was systembedingt einen niedrigen Wirkungsgrad zur Folge hat. Die eingesetzten Verdichter (Kompressor oder Hydraulikpumpe) sind laut, benötigen relativ viel Stellfläche und erzeugen Abwärme. Beide Systeme sind recht wartungsintensiv. Ihre Regelbarkeit und die Regelgüte sind begrenzt. Zudem sind die Servoventile empfindlich und störanfällig. Leckage führt zu zusätzlichem Energieverlust. Speziell bei den hydraulischen Systemen besteht die Gefahr, dass Hydrauliköl austritt und die Umwelt schädigt. All diese Nachteile haben elektrische Linearmotoren nicht.

eA: Wo liegen derzeit noch Entwick- lungsdefizite bzw. Probleme in der Anwendung?

Grimm: Der Direktantrieb (Linearmotor oder Torquemotor) als solches ist schon jetzt ein hoch entwickeltes technisches Produkt, das je nach Anwendungsanfor- derung gezielt in seinen elektrischen, aber auch räumlichen Spezifikationen verändert und angepasst werden kann. Gerade durch die Spezialisierungen in den Bereichen Reinraumtauglichkeit, Vakuumtauglichkeit und elektronischer Typenschlüssel, aber auch durch das Thema Energieeffizienz werden die Direktantriebe in Zukunft noch stärker als bisher in den Fokus der Aufmerksam- keit rücken.

Luik: Die Mehrzahl der Lieferanten betrachtet elektrische Linearantriebstechnik stand Heute aus Sicht der Komponentenebene. Lieferanten, die im Gegensatz dazu das Gesamtsystem aus Antriebsmechanik, Motor und Steuerungstechnik abdecken, können dem Anwender eine erhebliche Zeitersparnis bei der Projektierung, Konstruktion und Inbetriebnahme anbieten. Außerdem lässt sich nur durch die Betrachtung des Gesamtsystems eine Überdimensionierung einzelner Komponenten vermeiden und damit ein Kostenvorteil erzielen. Steigern lassen sich diese Synergieeffekte durch eine Zusammenarbeit mit Lieferanten, die möglichst viele Antriebstechnologien unter einem Dach vereinen. Neben einer applikationsgerechten Auswahl der richtigen Technologie aus einem breiten Antriebsportfolio, ermöglicht dies Zeiter-sparnisse durch einfachere Konstruktion und Inbetriebnahme.

Hopper: Aus meiner Sicht liegen die Hauptprobleme bei der Anwendung dieser Technik in der optimalen Anbindung bzw. vollwertigen Integration des Antriebs in die Zielmechanik. Dies gilt insbesondere für den Linearmotor. Erst wenn der Motor Bestandteil der Maschine wird, können seine Vorteile bezüglich Dynamik, Genauigkeit und der geringeren mechanischen Abmessungen voll genutzt werden.

Stührenberg: Probleme in der Anwendung und der Rechtfertigung für den elektrischen Linearantrieb ergeben sich dann, wenn beispielsweise keine Präzision und keine programmierbare Positionierung nötig sind, wenn von A nach B gegen Festanschlag gefahren werden kann oder wenn kleinster Bauraum gefordert wird.

Wiechert: Grundsätzliche Entwicklungsdefizite und Probleme in der Anwendung sind mir nicht bekannt. Mögliche Probleme, z.B. aufgrund hoher magnetischer Anziehungskräfte, können häufig konstruktiv gelöst werden. Unsere Kunden schätzen unser umfangreiches Anwendungswissen und binden uns daher immer rechtzeitig in die Konstruktion ihrer Maschinen ein. Gemeinsam können so optimale Lösungen erarbeitet werden. Natürlich gibt es immer auch etwas zu verbessern. Daran arbeiten wir ständig. Wir betrachten stets das gesamte Linearantriebssystem, bestehend aus Motion Controller, Servoverstärker, Linearmotor bzw. Encoder und stimmen die einzelnen Komponenten optimal aufeinander ab. Nur so lassen sich höchste Positioniergenauigkeiten und kürzeste Positionierzeiten erreichen.

eA: In welchen Anwendungsfeldern bzw. Branchen zeigt sich eine besondere Affinität zu den Linearantrieben und wo kann sich diese Technologie nur schwer durchsetzen?

Grimm: Vor allem in der Halbleiterindustrie setzte sich die Direktantriebstechnologie anfangs durch. Dies wird auch weiterhin so bleiben und in dem Maß mit vorangetrieben, wie sich diese Industrie selbst entwickelt. Es sind aber auch verstärkt in den letzten Jahren die Bereiche des klassischen Maschinenbaus zu nennen, die auf Vorteile von Direktantrieben wie Kompaktheit und Krafteffizienz gepaart mit Dynamik setzen. In der Zukunft werden sich weitere Branchen der Direktantriebstechnik widmen – Branchen, in denen vor allem Wirtschaftlichkeit und höchste Anforderungen an Technologie gefragt sind. Hier sind vor allem die Konsumgüter und die Automobilindustrie zu nennen.

Luik: Bei steigenden Anforderungen an die Umrüstflexibilität von Anlagen und Maschinen steigt naturgemäß der Anteil elektrischer Linearantriebstechnik an. Diese Anforderungen lassen sich weniger nach Branchen, sondern mehr nach regionalen Unterschieden differenzieren. So steigt gerade in Ländern mit vergleichsweise hohen Lohnkosten auch der Anteil an Maschinen mit hoher Umrüstflexibilität für die Produktion vergleichsweise kleiner, schnell wechselnder Produktionsserien.

Hopper: Wegen der genannten Vorteile ist der Linearmotor überwiegend dort zum Einsatz gekommen, wo hohe Stellgeschwindigkeiten mit Präzisionsbewegungen gekoppelt sind. In bestimmten Bereichen des Maschinenbaus, z.B. Bestückungsmaschinen, ist diese Lösung mittlerweile die Norm.

Stührenberg: Anwendungsfelder für elektrische Linearantriebe zeigen sich überall da, wo präzise und dynamische Bewegungen, Positionierungen, exakte Verfahrprofile unabhängig von Lastwechseln einzu-halten sind, beispielsweise in Werkzeugmaschinen oder Verpackungsmaschinen; allgemein kann man sagen im gesamten industriellen Maschinenbau. Im Umkehrschluss eignen sich elektrische Linearantriebe nur bedingt in Branchen, wo Anforderungen an Präzision und Dynamik gering sind und wo höchste Kräfte auf kleinem Bauraum entwickelt werden müssen, z.B. in Baumaschinen.

Wiechert: Unsere größten Kunden finden sich im Werkzeugmaschinenbau, im Bereich Halbleitertechnik, bei der Elektronik-Ferti-gung und der Produktion von Flachbildschirmen. Steigende Nachfrage spüren wir bei Maschinen zur Herstellung von Solarzellen, bei Verpackungs-, Druck-, Holz- und Glasbearbeitungsmaschinen, in der Medizintechnik sowie bei Mess- und Prüfmaschinen. Hier konkurrieren wir allerdings nicht mit hydraulischen oder pneumatischen Lösungen, sondern mit Linearantrieben auf Basis von Servomotoren und Kugelrollspindeln, Zahnstangen oder Zahnriemen. Bei geringeren Leistungsanforderungen entscheiden sehr häufig die Preise und nicht die Kosten über den gesamten Lebenszyk-lus der Maschine.

eA: Wie wird sich der Markt für elektrische Linearantriebe mittelfristig entwickeln, auch unter den Gesichtspunkten Energieeffizienz und rein elektrisch betriebene Maschinen?

Grimm: Der Maschinenbautrend hin zu frei programmierbaren Achsen in kompakter Bauweise ist nicht neu. Aber noch immer und vor allem getrieben durch aktuelle Themen sind die Faktoren Rohstoffe, Verfügbarkeit, kompakte und Raum sparende Bauformen sowie mehr Leistung der Maschinen. Hier liegen die Herausforderungen für die Entwickler der Direktantriebstechnologie. Der Direktantrieb wird sich auch zunehmend in Bereichen des täglichen Lebens durchsetzen.

Luik: Energieeffizienz ist schon heute ein wichtiges Thema und wird sich weiter in der Bedeutung verstärken. Daraus abgeleitet ist künftig vermehrt ein differenzierter Einsatz der verschiedenen Antriebstechnologien zu erwarten. Dies bedeutet, Anbieter elektrischer Linearantriebstechnik sind gefordert, weiterhin verstärkt in energieeffiziente Komponenten zu investieren und Anwendern das Thema durch Auslegungshilfen transparent zu machen. Der Schlüssel für energieeffiziente Anlagen liegt dabei primär in der richtigen Auslegung von Antriebssystemen, energieeffiziente Komponenten allein können nur einen untergeordneten Beitrag leisten.

Hopper: Ich denke wir haben die rasan-teste Entwicklung hinter uns. Es gibt aber zwei Ansätze für das weitere Wachstum: Der Linearaktuator als einfacher Positionierantrieb anstelle vom Pneumatikzylinder bietet eine höhere Flexibilität und Stellgenauigkeit; der Lineartrieb mit Elektromotor und Spindel kann erheblich höhere Kräfte stemmen (bis über 10 000 N) – für die Automation und den allgemeinen Maschinenbau wird diese Lösung punktuell die Hydraulik verdrängen.

Stührenberg: In allen Branchen, wo hohe Anforderungen an Sauberkeit (Reinraum-anforderungen), Präzision und Dynamik, Energieeffizienz, stoßfreies sanftes, aber trotzdem schnelles, Zeit sparendes Inpo- sitionfahren eine Rolle spielen, wird sich der elektrische Linearantrieb überproportional durchsetzen. Auf der anderen Seite zeichnet sich ab, dass für viele nicht so anspruchsvolle Standardanwendungen Millionen von Anwendungsmöglichkeiten für die Hydraulik und Pneumatik weiterhin bestehen bleiben werden.

Wiechert: Die Produktion fordert, dass die Produktivität und die Lebensdauer einer Maschine erhöht und gleichzeitig der Energieverbrauch gesenkt wird. Nur mit moderner Mechatronik, dem interdisziplinären Zusammenwirken mechanischer, optischer, elektronischer und informationstechnischer Elemente, lassen sich diese Vorgaben realisieren. Der elektrische Linearantrieb ist ganz klar ein Element moderner Mecha-tronik. Die Themen ‚ Energieeffizienz' und ‚Total Cost of Ownership' werden Kauf-entscheidungen zukünftig stärker beeinflussen. Wir rechnen daher mittelfristig mit weiterem, kräftigen Wachstum in diesem Markt.

zg