Chancen und Risiken 1

Aktuelle Umfrage: Hydraulik in Werkzeugmaschinen

Welche Rolle wird zukünftig die Hydraulik in spanenden Werkzeugmaschinen einnehmen? Diese Frage richteten wir an Hydrauliker, Werkzeugmaschinenbauer und Institute. Vorab nur soviel: Die Meinungen könnten unterschiedlicher nicht sein. Die im Vorfeld der Stuttgarter Fachmesse AMB bekannt gewordene Nachricht wird der Hydraulikszene gar nicht gefallen haben und selbst in der Werkzeugmaschinenbranche schlug sie wie eine Bombe ein: Grob zeigt das weltweit erste Bearbeitungszentrum ohne jegliche Hydraulik, das heißt alle Werkstücke können bei diesem BAZ elektromechanisch gespannt und alle Werkzeuge elektromechanisch gelöst werden.

Mithilfe der Elektromechanik erzielen die Bearbeitungszentren nach Grob-Aussage noch bessere Flexibilität, höhere Verfügbarkeit und eine weitere Verbesserung der Energiebilanz. „Der Wirkungsgrad der Hydraulik ist geringer und die Energiebilanz der Elektromechanik einfach besser,“ erklärt Grob-Entwicklungsbereichsleiter Alfred Höbel die entscheidenden Vorteile der neuen, von dem Mindelheimer Unternehmen zum Patent angemeldeten Entwicklung.

Die weiteren Vorzüge beim Einsatz von Elektromechanik: Das Lösen der Werkzeuge geschieht deutlich leiser, verhindert die harten Schläge, die bei jedem Werkzeugwechsel auch das Spindellagersystem treffen und – ganz entscheidend – die Nebenzeiten werden noch einmal reduziert.

Präsentiert wurde diese hydraulikfreie Ausführung in Stuttgart an einer Grob-Standardmaschine G350 mit Siemens-Steuerung 840 sl MDynamics und einer Grob-Motorspindel HSK-63 mit 18 000 min-1. Ein Integralbauteil aus Aluminium wie es im Airbus zu finden ist, wurde mit beeindruckender Schnittgeschwindigkeit vor Ort zerspant.

Zweites Beispiel: Eberhard Beck, Leiter der Abteilung Steuerungstechnik bei der Firma Index-Werke, referierte unlängst im Rahmen einer Tagung, bei der es um die Effizienz der Antriebstechnik in Werkzeugmaschinen ging. Und eigentlich müssten seine Aussagen jeden Betreiber von Werkzeugmaschinen aufhorchen lassen.

So ergaben Energieverbrauchsmessungen unterschiedlicher Index-Maschinen, dass etwa nur die Hälfte der aus dem Netz entnommenen Energie der Zerspanung dient, die andere Hälfte verbrauchen die Peripherieeinheiten. Hinzu komme die häufige Überdimensionierung der Antriebe, die zu erhöhten Verlusten auch im Produktivbetrieb führe. Als ein Gegenmittel sieht Beck den Wechsel bei den Antrieben an.

Aus Energiesicht habe sich hier der Wechsel von Asynchronmotoren zu Synchronantrieben bewährt. Von hydraulischer Antriebstechnik ist auch hier nicht die Rede. Das führt dann schon zwangsläufig zu der Frage: Welche Rolle wird zukünftig die Hydraulik in spanenden Werkzeugmaschinen noch einnehmen? Univ. Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, Leiter des Instituts für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen, prognostiziert die zukünftigen Chancen für die fluidische Antriebs- und Steuerungstechnik so: „Es müssen die Vorteile der Fluidtechnik klar zum Tragen kommen und dann sind auch servohydraulische Lösungen etabliert.

Ich darf in diesem Zusammenhang an die Vorschubantriebe von Sechsspindlern erinnern. Hier ist die Kompaktheit ausschlaggebend. Es würde auch niemand auf die Idee kommen, große Pressen mit elektromechanischen Antrieben auszurüsten. Schließlich ist die Lenkung der Flüsse bei großen Drücken in Ventilen an den Steuerkanten einfacher und effizienter zu leisten als durch Flächenpressungen in Spindel-Mutter-Systemen.“

Dass die Hydraulikbranche intensiv daran arbeitet, verloren gegangenes Terrain wieder zurück zu erobern, verdeutlichen unter anderem zwei Forschungsvorhaben, die derzeit im Forschungsfonds Fluidtechnik abgewickelt werden: Sicherheit geregelter Antriebe der Fluidtechnik (Laufzeit vom 1. Januar 2008 bis 30. Juni 2011) und energieeffiziente elektrohydraulische Antriebe kleiner Leistung (Laufzeit vom 1. Januar 2009 bis 30. Juni 2011).

VDMA-Mann Peter-Michael Synek ergänzt: „Das erstgenannte Vorhaben mit direktem Bezug zur Werkzeugmaschine hat die Entwicklung von neuen Sicherheitskonzepten für moderne geregelte hydraulische Antriebe am Beipiel eines CNC-Mehrspindel-Drehautomaten zum Ziel. Das zweite Vorhaben befasst sich mit der Verbesserung beziehungsweise Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit elektrohydraulischer Antriebe kleiner Leistung. Eine Applikation im Umfeld einer Werkzeugmaschine ist hier durchaus denkbar.“

Beide Vorhaben werden vom Institut für Fluitechnik der TU Dresden betreut und vom Forschungsfonds Fluidtechnik eigenfinanziert durchgeführt. Dass sich der Einsatz von Hydraulik für spanende Werkzeugmaschinen in den vergangenen Dekaden gravierend geändert hat, bilanziert auch Bert Brahmer. Der Geschäftsführer von Voith Turbo H + L Hydraulic resümiert: „Noch vor einigen Jahren waren hydraulische Achsen den elektromechanischen Antrieben auch als Bearbeitungsachsen weit überlegen in puncto Standfestigkeit und Leistungsdichte. Hier ist die Entwicklung der elektrischen Antriebe so weit fortgeschritten, dass sich hydraulische Achsen nur noch bei hohen Anforderungen an die Lebensdauer oder Umweltbedingungen rechtfertigen. Als Beispiel seien hier vielachsige Maschinen für hochvolumige Teilefertigung genannt, beispielsweise Rundtaktmaschinen. Die mittlerweile verfügbaren Produkte für dezentrale Antriebe mit Feldbusschnittstelle machen die Hydraulik als Plug-and-play-Lösung nach wie vor interessant.“

Prinzipbedingte Vorteile

Ein weiteres Beispiel ist seiner Meinung nach die Funktion Spannen. Die hydraulischen Lösungen hierfür seien etabliert und funktionssicher. Auch hier gäbe es zwar elektromechanische Ansätze, die aber noch relativ jung seien und sich noch zu bewähren hätten. Sehr vorteilhaft sei die Hydraulik darüber hinaus bei exotischen Anwendungen wie beispielsweise dem Gewichtsausgleich für Vertikalachsen.

Brahmer: „Obwohl es sich hierbei um kein klassisches Antriebsproblem handelt, ist die Kombination des Gewichtsausgleichs mit einer sicheren Bremse ein interessantes Beispiel für die vorteilhaften Eigenschaften der Hydraulik. Gegenüber einer hydraulischen Lösung wird die rein elektromechanisch ausgerüstete Maschine als sexy empfunden, beziehungsweise so vermarktet.“

Tatsächlich aber hat die Hydraulik einige prinzipbedingte Vorteile, welche ihren Einsatz auch bei fortgeschrittener Entwicklung der elektromechanischen Antriebe in vielen Fällen immer noch rechtfertigt. Hydraulische Antriebe sind standfest und überlastsicher, ermöglichen extreme Leistungsdichte am Aktuator und sind die natürliche Lösung für Linearbewegungen mit hohen Kräften.

Auf die Frage, welche Rolle zukünftig die Hydraulik in spanenden Werkzeugmaschinen einnehmen wird, antwortete Heiko Schwindt, Leiter Vertrieb und Branchenmanagement Werkzeugmaschinen und Automobil, Bosch Rexroth: „Das Anwendungsspektrum von Werkzeugmaschinen umfasst eine enorme Bandbreite an Bearbeitungstechnologien. Hier gilt es, für jede spezifische Anwendung das optimal auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmte Technologiepaket herauszuarbeiten. Die Hydraulik bleibt auch in Zukunft unverzichtbar.“

Die Vorteile der Hydraulik liegen für den Rexroth-Diplomingenieur auf der Hand: hohe, einfach kontrollierbare Kraftdichte auf kleinstem Raum – unverzichtbar zum Spannen, Halten und Bewegen, ebenso wie zur Unterstützung der elektrischen Antriebstechnik bei vertikalen Achsen. Das optimale Zusammenspiel von Hydraulik, Kühlschmierstofftechnik, elektrischer Steuerungs- und Antriebstechnik und der Pneumatik birgt ganz neue Potenziale, auch im Hinblick auf Kosteneinsparungen.

Welche Herausforderungen die Fluidtechnik meistern muss, beschreibt Schwindt so: „Die Herausforderung besteht in der Entwicklung energiesparender und geräuscharmer Systeme. Durch die Kombination von Hydraulik und Elektrik lassen sich beispielsweise bis zu 70 Prozent Energie einsparen. Rexroth treibt die Bündelung des vorhandenen technologieübergreifenden Know-hows voran und setzt die Forderungen nach höherer Energieeffizienz und geringeren Emissionen in die Tat um.“

Fakt ist: Energieeffizienz und Total Cost of Ownership (TCO) prägen heute die Diskussion um den Einsatz von Hydrauliksystemen in der spanenden Werkzeugmaschine. Umweltaspekte sowie die Sauberkeit am Arbeitsplatz nähren den Wunsch nach einer hydraulikfreien Maschine. Entscheidend ist, mit welchen Lösungen die Forderungen nach umweltfreundlichen und kostengünstigen Systemen in dem jeweiligen Einsatzfall umgesetzt werden können. Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, detailliert die Vor- und Nachteile der hydraulischen Komponenten mit den elektromechanischen Komponenten zu vergleichen.

Berthold Waldenmaier, Market Sales Manager Machine Tooling, Parker Hannifin, hat das getan: „Bei elektromechanischen Komponenten wird Energie nur dann verbraucht, wenn sie aktiv sind. Sie werden dezentral eingesetzt und nahezu jede Funktion wird durch einen separaten Motor angesteuert. Die hydraulischen Aggregate sind heute häufig permanent in Betrieb und verursachen so einen höheren Energiebedarf. Durch den Einsatz frequenzgeregelter Antriebe kann dieser erheblich reduziert werden.

Zusätzliches Einsparpotenzial bietet eine optimierte Maschinensteuerung, die Aggregate nur bei Bedarf zuschaltet. Die Hydraulik kann sowohl zentral als auch dezentral eingesetzt werden. Die Auslegung erfolgt entsprechend dem spezifischen Einsatzbereich der Werkzeugmaschine und ermöglicht somit kostengünstige und raumsparende Realisierungen von Nebenfunktionen.“

Deutliche Fortschritte in der Komponentenentwicklung

Waldenmaier weist insbesondere darauf hin, dass die Entwicklung der Hydraulikkomponenten weiter voran schreite, sodass auch in Bezug auf umweltfreundliche und saubere Systeme deutliche Fortschritte zu verzeichnen seien. Der Parker-Mann konkretisiert: „Benötigte Ölvolumina werden reduziert, Leckagen an Bauteilen werden geringer und die eingesetzten Öle umweltfreundlicher. Auch in der Zukunft wird es ein Zusammenspiel zwischen Hydraulik und Elektromechanik geben.

Der Einsatz optimaler Steuerungs- und Regelungssysteme wird eine deutliche Verbesserung des Energieverbrauchs zeigen und damit die Vorteile der Hydraulik in den spezifischen Anwendungsgebieten der Werkzeugmaschinen unterstreichen. Die klassischen Einsatzgebiete wie Spannfunktionen und Gewichtsausgleich werden auch in nächster Zeit von der Hydraulik bestimmt. Eine hohe Leistungsdichte, eine kompakte Bauweise und die Weiterentwicklung der Hydraulikbauteile sichern zukünftig den Einsatz der Hydraulik. In Kombination mit intelligenten elektronischen Systemen werden die Vorteile noch besser nutzbar.“

Michael Knobloch, Leiter Marketing & IT, Hawe Hydraulik, ist fest davon überzeugt, dass die Hydraulik in spanenden Werkzeugmaschinen auch weiterhin eine wichtige Rolle einnehmen wird. Das hat seinen Aussagen zufolge mehrere Gründe: „Zum einen bietet Hydraulik eine hohe Leistungsdichte, die besonders bei Spannaufgaben und für den Gewichtsausgleich zum Tragen kommt. Werden hydraulische und elektrische beziehungsweise elektronische Funktionen durch mechatronische Komponenten kombiniert, erhöht sich die Leistungsfähigkeit zusätzlich.“

Für Hydraulik-Lösungen spricht Knobloch zufolge außerdem die zunehmende Notwendigkeit von energieeffizienten Werkzeugmaschinen. „Wir bieten dafür eine energiesparende Kombination aus leckagefreien Wegesitzventilen und Kompakt-Pumpenaggregaten, die für den Einsatz in Werkzeugmaschinen auf Abschaltbetrieb ausgelegt werden.

Ein weiterer Vorteil von Hydraulik-Lösungen ist ihre Flexibilität, da sie in integrierte Steuerungskonzepte eingebettet werden können. Auch vor dem Hintergrund der mit der ISO EN DIN 13849 eingeführten Systematik der Sicherheitsbetrachtung bietet die Hydraulik ihre Vorteile. Hydraulik-Komponenten erreichen hohe MTTFd-Werte und bilden damit die Voraussetzungen zum Erreichen des notwendigen Performance Levels.“

Die Hydraulik wird auch weiterhin ihre Rolle im Bereich der Werkzeugmaschinen einnehmen, davon ist auch Dr. Michael Fried überzeugt. Der Geschäftsführer der Firma Röhm sieht die Funktionsdichte des Mediums als einen der wesentlichen Vorteile. Daher werde die Hydraulik auch in Zukunft in einigen Einsatzfeldern nicht substituiert werden können. Und dennoch gilt: Der Markt fordert Lösungen, um Energie effizienter und damit verantwortungsvoller zu nutzen.

„Deshalb werden sich vermehrt elektrische und elektromechanische Komponenten durchsetzen“, betont Dr. Fried und fügt hinzu: „Die Energie für die Hydraulik muss ständig vorgehalten werden, das heißt selbst im Leerlauf verbraucht das Aggregat Energie. Der Vorteil einer elektrischen Spannung ist, dass die Energie sozusagen on demand, also nur während des eigentlichen Arbeitshubes verbraucht wird.“

Ein weiterer Vorteil der elektrischen Spannsysteme sei dem Röhm-Chef zufolge die Steuer- und Regelbarkeit durch die direkte Anbindung an die Maschinensteuerung. „Hier bietet sich der Vorteil, dass neben der Befehle Spannen und Lösen auch weitere Möglichkeiten der Abfrage und der Regelbarkeit, wie zum Beispiel das Erhöhen des Spanndruckes während der Bearbeitung oder das Definieren von Wegen und Hüben, zur Verfügung stehen.“

Dr. Fried bringt es auf den Punkt: „Röhm ist mittlerweile in der Lage, ein komplettes Programm, das e-Quipment, zur Umsetzung der hydraulikfreien Maschine anbieten zu können.“ Fazit der Geschichte: Es gibt in der Tat einzelne Stimmen, die der Hydraulik zukünftig in der Werkzeugmaschine keine Chance mehr geben. Aber auch hier gilt: Totgesagte leben meist länger. Und: In der Hydraulikindustrie hat es immer schon pfiffige Konstrukteure und Entwickler gegeben, die sich so schnell nicht geschlagen geben. Fest steht aber zugleich: die Zeiten der Monokulturen sind endgültig vorbei.

Das denkt der Redakteur

Keine Meinung?

Schade, dass Institute keine Meinung haben. Ganz nach dem Prinzip: Wer sich Fragen nicht stellt, kann keine falschen Antworten geben. Im Sinne der Neutralität wollten wir in unsere Umfrage neben Werkzeugmaschinenhersteller und Hydrauliker auch Institute einbinden. Dass uns ein in diesem Branchensegment aktiver Entwicklungsdienstleister einen Korb gibt, weil er keine potenziellen Kunden vergraulen will, ist ja noch nachvollziehbar.

Aber wenn auf diesem Gebiet tätige und obendrein bekannte Institute wie das PTW der TU Darmstadt oder das WZL der RWTH Aachen der Frage nach der Zukunft der Hydraulik in Werkzeugmaschinen ausweichen, ist das schon merkwürdig. Resümee unserer Umfrage: Die Hydraulik fährt in unruhigen Gewässern. Doch es gab und gibt in der Fluidtechnik-Szene immer schon kreative Köpfe, die so schnell die Leinen nicht loslassen.

Kontakt: franz.graf@mi-verlag.de