Elektrische Stellzylinder von A-Drive verbessern Effizienz

Manfred Brucksch-Richter, Manager Business Development bei der A-Drive Technology GmbH

A-Drive Technology hat sich auf Aufgabenstellungen spezialisiert, die nicht mit Antriebstechnik „von der Stange“ gelöst werden können. Es entwickelt für seine Kunden komplette intelligente Lösungen mit Komponenten führender Hersteller, die für höchste Qualität, Funktionalität und Zuverlässigkeit stehen. Mit einem neuen mechatronischen Antriebskonzept konnte auch das Unternehmen Commodore Technology aus Bloomfield, NY, die Leistungsfähigkeit und Effizienz seiner Maschinen steigern. Commodore Technology stellt Tray Packer her, also Maschinen zum Verpacken von Lebensmitteln aller Art. Die Schale (Tray) ist üblicherweise aus expandierbarem Polystyrol (EPS) gefertigt, besser bekannt als Styropor. Die extrem leichten EPS-Verpackungen bestehen zu 98 Prozent aus Luft und nur zu zwei Prozent aus Polstyrol und sind daher gut für Lebensmittel geeignet, denn sie isolieren gegen Kälte oder Wärme. Auf den Anlagen des Unternehmens werden im Tiefziehverfahren aus einer durchlaufenden Folie mit einem beheizten Werkzeug Polystyrol-Schalen gefertigt. Dieser thermische Prozess (Thermoformen) erfordert die Einhaltung genauer Kühl- und Härtezeiten. Um die für die jeweilige Verpackung gewünschte Materialstärke zu erzielen, ist eine konstante, je nach Form und Materialstärke stark variierende Druckkraft notwendig. Hierfür sind Prozessabläufe von höchster Präzision erforderlich, die nur mit hohem regelungstechnischem Aufwand erfüllt werden können. Der Antrieb der Thermoformer bestand bis vor Kurzem aus zwei gegenüber angeordneten Hydraulikzylindern. Mit dieser Antriebstechnik war man im Unternehmen nicht mehr zufrieden und suchte nach einer Alternative. Gefordert war eine nachhaltigere Lösung, mit der sich die ungünstigen Eigenschaften der Hydraulik-Variante vermeiden ließen. Darüber hinaus erhofften sich die Verantwortlichen von einer neuen Antriebstechnik eine höhere Leistung der Anlagen sowie eine Verbesserung der Qualität der EPS-Schalen in Sachen Stabilität.

A-Drive befasst sich bereits seit 1990 zusammen mit seinen Partnern mit der Entwicklung von Mechatronik-Modulen als Alternative zu Hydraulik- und Pneumatikzylindern. Ziel der Entwicklungsarbeit des Antriebsspezialisten ist es, bestehende Systeme zu übertreffen und durch die Optimierung die Mehrkosten auszugleichen, die durch den Einsatz elektrischer Stellzylinder entstehen. Herzstück des für Commodore Technology erarbeiteten neuen Antriebskonzepts sind zwei elektrische Stellzylinder, die eine energie- und umweltfreundliche Alternative zur Hydraulik bieten. Mit dem Einsatz elektrischer Antriebe wurde für den Anwender der Schritt zu einem System zur Prozessverbesserung realisiert. Der neue Antrieb lässt sich in Kraft, Geschwindigkeit und Position sehr gut regeln. Dadurch erzielt man deutliche Verbesserungen der Prozessqualität. „Bei Einsatzfällen mit kurzen Verfahrwegen von 100 bis 300 mm bei gleichzeitig sehr hohen Vorschubkräften haben elektrische Systeme heute bereits in vielen Branchen Pneumatik und Hydraulik vollständig ersetzt“, so Kurt Metz, Produktmanager Servoantriebe bei A-Drive. Als optimale Lösung für die Thermoformer erwies sich der Stellzylinder Typ FT35–0410 der Marke Exlar. Merkmale dieses Stellzylinders sind der hoch belastbare Rollengewindetrieb und die Motoranbindung mittels Zahnriemen und Übersetzung 2:1. Zur Anwendung im Lebensmittelbereich wird der Zylinder hier in einer Food-Grade-Ausführung aus der Aluminium-Legierung ALMgSi0,5 oder aber mit lebensmittelechter Lackierung eingesetzt. Sein Rollengewindeantrieb erweist sich in rauer Industrieumgebung als besonders zuverlässig: Die hohe Zahl der Kontaktpunkte, die geführten Rollen und das Planentenprinzip ergeben einen sehr steifen Präzisionsantrieb mit Bestnoten bei Beschleunigung und Geschwindigkeit. Betrieben wird der elektrische Stellzylinder von einem Servomotor. Die Motoranbindung über Zahnriemenantrieb mit Übersetzung 1:2 erhöht die Kraft. Durch die hohe Kontaktzahl des Rollengewindetriebes liegt die dynamische Tragzahl höher als z. B. bei Kugelgewindetrieben.

Insgesamt überzeugt diese Antriebslösung durch eine Reihe von Verbesserungen. Der vereinheitlichte Servomotor hat, zusammen mit dem Konzept „Motor extern“, den Vorteil, dass Verfügbarkeit und Service vereinfacht und damit Kosten reduziert werden. Auch lässt sich dadurch der Aufwand für die Integration in die Maschine und das Gesamtsystem verringern. Der Einsatz des elektrischen Stellzylinders reduziert das Risiko von Kontaminierung und macht die Maschine umweltfreundlicher. Die gute Regelbarkeit der Stellzylinder ermöglicht einen stabilen Prozess des Thermoformens. Zudem wurden die Flexibilität und die Einsatzbreite des Tray Packers verbessert, da sich jetzt verschiede Schalentiefen ohne Umrüstung auf einer Maschine herstellen. „Die zuvor verwendeten Hydraulikzylinder erlaubten nur eine stufige Einstellung des Verfahrwegs. Jetzt ist eine exakte stufenlose Regelung möglich, mit der sich die Verfahrwege perfekt an die jeweiligen Schalentiefen anpassen lassen“, erklärt der Experte. Die präzisere Positionsregelung reduziert die Zykluszeiten und erhöht damit weiter die Leistungsfähigkeit der Thermoformer: Der Ausstoß der Anlagen wurde von 20 auf 37 Einheiten um 85 Prozent gesteigert. Auch der für einen thermischen Prozess kritische Zeitablauf lässt sich jetzt genau auf die mit Sensoren erfassten Temperaturen abstimmen. Der geringere Materialeinsatz, zusammen mit der schnelleren Aushärtung der EPS-Verpackungen, trägt ebenso zu einer Steigerung des Ausstoßes bei. Zudem bietet die veränderte Antriebstechnik weitere Vorteile: Das bei Hydraulikantrieb nie vollständig zu vermeidende Leckagerisiko besteht nun nicht mehr. Dadurch lassen sich die im Lebensmittelbereich besonders strengen Hygienevorgaben sowie bestehende Umweltanforderungen leichter erfüllen.

„Die Umrüstung der Thermoformer auf den elektrischen Stellzylinder rechnet sich. Das Antriebssystem mit dem elektrischen Stellzylinder erweitert das Anwendungsspektrum der Anlagen und erhöht den Output. Durch reduzierte Wartungskosten und verlängerte Laufzeiten ergeben sich für die Anwender der Thermoformer weitere Einsparungen. Damit werden die auf den ersten Blick höheren Kosten für den Stellzylinder schnell kompensiert“, fasst Metz zusammen. Und weil das ausgearbeitete Paket überzeugt, denkt man beim US-amerikanischen Maschinenbauunternehmen bereits an das nächste gemeinsame Projekt: Zukünftig ist die Umstellung auf kompakte Stellzylinder der Baureihe GSX mit hoher Kraftdichte geplant, um die Baugröße der Anlagen weiter zu reduzieren. jg