High-Tech-Materialen steigern die Produktivität
Der Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) kann die Dynamik und die Genauigkeit von Positionier- und Handling-Systemen deutlich erhöhen. Wie das funktioniert, zeigen wir anhand einer CFK-Auslegerachse
Herkömmliche Antriebssysteme für Handling-Anlagen werden im Maschinenbau klassisch als Aluminium- oder Stahlkonstruktion mit Gantry-Anordnung konzipiert. Hauptkomponenten sind zwei parallel verlaufende Grundachsen (X), eine Querachse (Y) und eventuell eine höhenverstellbare Achse (Z). Für den Betrieb sind zahlreiche Antriebseinheiten nötig. So bedarf der synchrone Betrieb der Grundachsen, zwei Antriebssysteme mit Motor und Servoverstärker. Zudem ist die Zugänglichkeit der Systeme z.B. bei einem Service- oder Wartungsfall aufgrund der Konstruktion sehr aufwendig und nur eingeschränkt möglich. Durch die Verwendung von CFK (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) in Antriebssystemen ergeben sich neuartige Konstruktionen, die zusätzlich zu den Materialeigenschaften den Produktionsprozess der Maschine hinsichtlich Dynamik und Präzision enorm verbessern.
Seit vielen Jahren beschäftigt sich die JAT (Jenaer Antriebstechnik GmbH) mit dem Leichtbau und entwickelt und produziert Antriebssysteme für Automatisierungs- und Handling-Aufgaben mit CFK-Auslegerachsen.
Der T-förmig Aufbau, bestehend meist aus einer Linearmotorachse, die als Träger der CFK-Auslegerachse fungiert, ist für diesen neuartigen Aufbau charakteristisch. Ausschlaggebend für diese innovative Konstruktion sind die Materialeigenschaften des Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes. CFK-Bauelemente zeichnen sich durch minimales Gewicht bei maximaler Festigkeit aus. Verglichen mit Aluminium sind Gewichteinsparungen bis 40 % möglich. Durch die verminderte bewegte Masse und der daraus resultierenden höheren Dynamik lässt sich die Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Energieeinsparung erhöhen.
Die Festigkeit des CFK-Werkstoffes mit 2000 N/mm2 ist um ein vielfaches größer als Aluminium (190 N/mm2) und Stahl (490 N/mm2) und gewährleistet ein vibrations- und schwingungsfreies Verfahren mit Positioniergenauigkeiten im einstelligen Nanometerbereich. Produktionslinien mit höchster Positionierpräzision sind umsetzbar, Ausschussraten, die durch Ungenauigkeit entstehen, entfallen fast vollständig. Zudem müssen bei herkömmlichen Antriebssystemen durch die Schwingungen häufig Abklingzeiten eingehalten werden oder die Drehzahlen reduziert werden. Bei dem Einsatz des CFKAuslegers entfallen diese Maßnahmen und der Anwender kann in kürzeren Zeiten effizienter produzieren.
T-Konstruktion reduziert Komponenten
Die T-Konstruktion bietet dem Anwender weitere wirtschaftliche Vorteile. Er profitiert von der Komponentenreduktion, so entfällt die zweite X-Achse. Durch die reduzierte bewegte Masse können Antriebseinheiten in kleineren Baugrößen ausgewählt werden und zusätzlich Kosten gespart werden. Der verringerte Bauraum und die Zugänglichkeit des Systems von mehreren Seiten, wirken sich vorteilhaft auf die Implementierung in die Gesamtanlage aus. Zudem sind Installations- oder Servicearbeiten mit wesentlich weniger Aufwand und in größeren Intervallabständen notwendig, im Vergleich zu herkömmlichen Gantry-Systemen. Optimal angepasst an die Applikation finden die CFK-Antriebssysteme der Jenaer Antriebstechnik in den unterschiedlichsten Produktionsmaschinen Einsatz. Pick-and-Place-Systeme, bei denen kleine Massen höchst dynamisch bewegt werden, sind mit Riemenantrieb auf der CFK-Achse ausgestattet. Die Verwendung von Direktlineartechnologie auf dem CFK-Ausleger ermöglicht hochdynamisches geräuscharmes Positionieren und ist für die Automatische Optische Inspektion (AOI) hervorragend geeignet. Zudem ist CFK weitgehend unempfindlich gegenüber Korrosion, wodurch die Antriebssysteme für die Lebensmittelfertigung, die Pharmaindustrie oder die Chemiebranche optimal geeignet sind.
Zusammenfassung
Geht es im Maschinenbau darum, Fertigungsabläufe zu beschleunigen und Qualität zu maximieren, eignen sich Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer mechanischen und thermisch hohen Belastbarkeit ideal für diesen Einsatz. Leichtbau mit CFK in der Antriebstechnik ist nicht mehr wegzudenken. Er fordert jedoch andere Herangehensweisen in der Konstruktion, da Werkstoff- und Bauteilentstehung zusammenfallen und sich bisherige Verarbeitungstechniken ändern müssen.
Die JAT-Kunden profitieren von den Kenntnissen der JAT bezüglich der Einsatzbedingungen, Materialpaarung, Fertigungs- und Verbindungstechniken in Bezug auf den kohlenstofffaserverstärkten Werkstoff. Die Serien-Antriebssysteme werden von der JAT als Baukastensystem gefertigt und stehen dem Kunden daher in kurzer Zeit zur Verfügung.
Vorteile von CFK auf einem Blick
- Minimales Gewicht bei maximaler Festigkeit (Verglichen mit Aluminium sind Gewichtseinsparungen bis 40 % möglich)
- Festigkeit des CFK-Werkstoffes mit 2000 N/mm2 ist um ein Vielfaches größer als Aluminium (190 N/mm2) und Stahl (490 N/mm2) und gewährleistet ein vibrations- und schwingungsfreies Verfahren
- Zudem müssen bei herkömmlichen Antriebssystemen durch die Schwingungen häufig Abklingzeiten eingehalten werden oder die Drehzahlen reduziert werden. Beim Einsatz des CFK-Auslegers entfallen diese Maßnahmen und der Anwender kann in kürzeren Zeiten effizienter produzieren.
- Durch höhere Dynamik ergeben sich deutliche Wettbewerbsvorteile für den Anwender, wie die Steigerung der Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Energieeinsparung