Fluidtechnik-Alternative findet mehr Anhänger 1

Von medizintechnischen Geräten bis zu großen Landmaschinen – immer öfter verdrängen Elektrozylinder hydraulische und pneumatische Linearantriebe. Die elektromechanischen Lösungen sind in vielerlei Hinsicht der Fluidtechnik überlegen. Anhand   von Beispielen aus der Industrie soll es auch belegt werden. Elektrozylinder, Linearaktuatoren, elektrische Aktoren, Hubspindeltriebe, elektrische Stellglieder – die Bezeichnungen sind ähnlich vielfältig wie die Einsatzmöglichkeiten. Das Funktionsprinzip ist jedoch immer dasselbe: ein Elektromotor treibt über ein Getriebe eine Gewindespindel an, auf der eine Mutter in Form eines Trapez- oder Kugelgewindetriebs hin- und herfährt, die wiederum eine Kolbenstange bewegt.

Dieses Prinzip hat sich seit langem in tausenden von Maschinen, Anlagen und Geräten bewährt, die in allen Industriebereichen zum Einsatz kommen.

Grundsätzlich kommen diese Einheiten überall dort zum Einsatz, wo lineare Bewegungen ausgeführt werden müssen. In der Verpackungsindustrie bewegen sie beispielsweise die Arme von Bestückungsmaschinen oder die Schieber zum Auswerfen fehlerhafter Produkte.

In der Prozessindustrie sorgen sie als Stellantriebe für das Öffnen und Schließen von Klappen, Schiebern und Ventilen. In Baumaschinen und landwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen heben und senken sie Arbeitsgeräte, öffnen, verstellen und schließen Auswurfvorrichtungen oder unterstützen die Lenkung.

In der Medizintechnik werden sie eingesetzt, um die Patienten sanft und sicher zu heben, zu transportieren oder in eine bestimmte Position zu bringen. Auch im Bereich der erneuerbaren Energien kommen Elektrozylinder zum Einsatz. Hier treiben sie die Rotorbremsen großer Windkrafträder an oder sorgen in so genannten Tracking-Systemen großer Solarparks dafür, dass die einzelnen Sonnenkollektoren immer genau auf die Sonne ausgerichtet sind. Diese Liste ließe sich für alle Bereiche des täglichen Lebens beliebig erweitern.

In der Vergangenheit kamen für solche Verstellbewegungen in erster Linie hydraulisch oder pneumatisch betriebene Systeme zum Einsatz. Hydraulik- und Pneumatikeinheiten gelten gemeinhin als besonders robust und zuverlässig, sodass sie in vielen Anwendungen oft als alternativlos betrachtet wurden.

In jüngster Zeit etabliert sich jedoch mit den elektromechanischen Aktuatoren eine weitere Technik in den genannten Einsatzbereichen, die dank zahlreicher Vorteile im Begriff ist, den herkömmlichen Lösungen den Rang etwas abzulaufen.

Zu den wichtigsten dieser Vorteile gehören:

  • vereinfachte und platzsparende Installation
  • vereinfachte Steuerung
  • geringerer Energieverbrauch
  • höhere Genauigkeit
  • geringerer Wartungsaufwand
  • geringere Kosten
  • niedrigere Geräuschpegel
  • saubere Umgebung

Im Vergleich zu hydraulischen beziehungsweise pneumatischen Systemen, bei denen Schläuche, Ventile, Filter und vieles mehr für das Druckmedium vorgesehen werden müssen, genügt zum Anschluss eines Elektrozylinders ein einfaches Stromkabel. Ebenso einfach gestaltet sich die Wartung dieser vollständig gekapselten, dauergeschmierten Systeme.

Die ständige Kontrolle verschleißanfälliger Schläuche hydraulischer und pneumatischer Systeme entfällt, Filter müssen nicht überwacht und regelmäßig ausgetauscht werden, es gibt kein Hydrauliköl, das verschmutzt und ebenfalls regelmäßig gewechselt werden muss.

Ein weiterer Vorteil der hermetisch gekapselten Konstruktion ist der hohe Schutz „in beide Richtungen“ – sowohl gegen Verschmutzung durch äußere Einflüsse, beispielsweise im rauen Einsatzbereich landwirtschaftlicher Maschinen, als auch gegen Verschmutzung der Umgebung durch das System selbst, beispielsweise in medizinischen Geräten.

Leckagen, wie bei Pneumatik und Hydraulik prinzipiell möglich, treten bei Elektrozylindern konstruktionsbedingt nicht auf.

Deutlich geringerer Energieverbrauch

Die Ansteuerung der Elektrozylinder bietet zahlreiche Vorteile gegenüber hydraulischen oder pneumatischen Systemen.Die Verstellbewegung kann stufenlos eingestellt werden, sodass innerhalb der Hublänge jede Position angefahren werden kann. Die Signale der integrierten Endschalter können nach außen geführt und problemlos in den Regelkreis einer übergeordneten Steuerung integriert werden.

Im Unterschied dazu müssen bei hydraulischen genauso wie bei pneumatischen Systemen solche Lagerückmeldungen extern realisiert werden, das heißt die Elektronik ist mehr oder weniger ungeschützt den Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Genauso zeichnen sich elektrische Aktuatoren durch einen deutlich geringeren Energieverbrauch aus.

Ihre hohe Effizienz verdanken Elektrozylinder dem Umstand eines fehlenden Puffermediums, durch das zugeführte Energie verloren gehen kann. In der Hydraulik ist das die Hydraulikflüssigkeit, in der Pneumatik die Druckluft.

Durch dieses Puffermedium sinkt unweigerlich der Wirkungsgrad solcher Systeme. Ein direkter Antrieb, wie er im Linearaktuator realisiert ist, erzeugt dagegen aus einer geringeren Antriebsleistung dieselbe oder sogar eine höhere Arbeitsleistung.

Für den Anwender einer landwirtschaftlichen Maschine bedeutet das: mehr Leistung mit weniger Kraftstoff und damit eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit der Maschine. Zum einen entstehen keine Verluste bei der Übertragung der Antriebsenergie, zum anderen verbrauchen diese Systeme im Ruhezustand keine Energie, da sie selbsthaltend konfigurierbar sind.

Im Unterschied dazu muss bei hydraulischen und pneumatischen Systemen permanent eine Pumpe laufen, um auch im Stillstand den benötigten Arbeitsdruck aufrecht zu erhalten. Alle beschriebenen Vorteile bedeuten deutliche Kosteneinsparungen, sowohl für den Hersteller als auch den Anwender der Maschinen.

Für den Maschinenhersteller beginnen diese Einsparungen bereits bei der Planung seiner Konstruktion, da er nur wenig Einbauplatz für die Elektrozylinder und keine besonderen Vorrichtungen zur sicheren Führung von Hydraulik- oder Pneumatikschläuchen vorsehen muss. Außerdem sind durch die geschlossene Bauweise eines Elektrozylinders keine besonderen Maßnahmen zum Schutz des Antriebs in rauen Umgebungen erforderlich.

Für den Anwender einer Maschine mit Elektrozylindern als Antrieb ergeben sich die Kosteneinsparungen ebenfalls durch den Wegfall notwendiger Schutzvorrichtungen sowie durch einen äußerst geringen Wartungsaufwand und den ebenfalls bereits beschriebenen geringeren Energieverbrauch.

Die einfache Realisierung der Steuerung mit nur wenigen Bauteilen bedeutet für den Anwender der Maschine zudem ein deutlich geringeres Ausfallrisiko und ein deutlich reduzierter Bedarf an vorzuhaltenden Ersatzteilen.

Thomson, Anbieter von Aktuatoren für mobile und industrielle Anwendungen und zahlreichen weiteren Antriebssystemen, bietet mit seiner Produktreihe Electrak Pro verschiedene Elektrozylinder speziell für den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen.

Diese Systeme sind serienmäßig mit Leistungsmerkmalen ausgestattet, die bei den Modellreihen anderer Hersteller nur als Sonderoption erhältlich sind. Zu diesen Standardmerkmalen zählen unter anderem die elektronische Lastüberwachung, elektronische Grenzschalter, dynamisches Bremsen, eine Handbetätigung und nicht zuletzt die Schutzklasse IP66.

Auch noch erwähnenswert: Bei der elektronischen Lastüberwachung wird die Leistung des Aktuators permanent durch einen eingebauten Mikroprozessor überwacht.

Der Prozessor stoppt die Bewegung in der Endlage sowie im Falle einer Blockierung bei halbem Hub, unter Überlastbedingungen oder bei zu hoher Einschaltdauer. Außerdem macht er eine Kupplung überflüssig und sorgt für dynamisches Bremsen.