Mehrachs-Servoumrichter Moviaxis von SEW, Bild: SEW
Bei einer der schnellsten Anlagen der Welt zur Verpackung von Laminatdielen synchronisiert Classen Industries den Vorschub mit 25 Servoantrieben, die durch einen Mehrachs-Servoumrichter Moviaxis von SEW gespeist werden. Bild: SEW

Stetige Automatisierung und der vermehrte Einsatz von Robotik sorgen für steigende Beliebtheit von Servomotoren in weiten Teilen der Industrie. Denn die hochperformanten Elektromotoren eignen sich besonders für die präzise Steuerung von Bewegungsabläufen. Lag das jährliche Marktvolumen im Jahr 2014 bei knapp sechs Milliarden Euro (acht Milliarden inklusive Servoantrieben), so wird bis zum Jahr 2020 bei gleichmäßigen Steigerungsraten ein Wachstum um insgesamt mehr als 30 Prozent erwartet. Den mit etwa 43 Prozent größten Anteil am Weltmarkt verzeichnet derzeit die Asien-Pazifik Region mit Schwerpunkten in China, Japan, Indien, Indonesien und Südkorea. In dieser Region wird mit einem überdurchschnittlichen Wachstum von über sieben Prozent pro Jahr gerechnet, sodass bis 2020 sogar fast die Hälfte aller Motoren dort zum Einsatz kommen könnte. Grund hierfür ist der gegenüber Europa und USA vergleichsweise stark wachsende Industrialisierungsgrad. Die Globalisierung fordert auch dort stetige Effizienzsteigerung bei dem Ausbau der Kapazität, was zusätzlich dazu führt, dass veraltete Technik durch neue ersetzt wird.

Den Asientrend mit steigender Automatisierung hat man bei SEW-Eurodrive frühzeitig erkannt. „Auch in den klassischen sogenannten Schwellenländern spielen Kostenreduzierungen immer häufiger eine Rolle und die Attraktivität deutscher Maschinen und Anlagen überall auf der Welt ist ungebrochen. Qualität setzt sich auch an dieser Stelle durch, manchmal erst im zweiten Anlauf. Selbst wenn die chinesischen Wachstumszahlen nicht mehr zweistellig sind, so nimmt der Markt doch enorm viele Maschinen und Anlagen auf. Vorteilhaft für uns ist die eigenständige Präsenz am lokalen Markt“, weiß Gregor Dietz, Marktmanager Motoren bei SEW.

CMP63S-Servomotoren, Bild: SEW
Zum Antrieb einzelner Förderbänder in einer Zuführeinheit kommen CMP63S-Servomotoren zum Einsatz. Bild: SEW

Wachstum durch sinkende Preise

Die einfache Installation gepaart mit niedrigen Wartungskosten und höherer Stromeffizienz, aber auch der kleiner werdende Preisunterschied zu Schrittmotoren, sprechen für den Einsatz von Servomotoren. Dabei wird Gleichstrom-Geräten insgesamt ein höheres Wachstum vorausgesagt als den mit Wechselstrom betriebenen. Die Automobil- und Transportindustrie wird weiterhin als stärkster Abnehmer für Servomotoren gesehen. Dies gilt nicht nur für die Fertigung, sondern auch für den Bedarf in Elektro- und Hybridfahrzeugen selbst. Weitere Branchen, die zum Wachstum des Marktes beitragen, sind die Nahrungsmittelindustrie, Medizin- und Gesundheitswesen, Halbleiter und Elektronikbranche sowie die Verpackungsindustrie.

Torquemotoren mit Hohlwelle, Bild: Hiwin
Sind höhere Drehmomente und niedrigere Drehzahlen wie etwa bei Werkzeugmaschinen notwendig, so kommen Torquemotoren mit Hohlwelle zum Einsatz: hier getriebelosen TMRW-Synchron-Servomotoren von Hiwin. Bild: Hiwin

Das Feld der Anbieter von Servomotoren ist stark inhomogen, weltweit führend sind Baldor, Siemens, Rockwell Automation, Mitsubishi und Yaskawa. Doch auch deutsche Traditionsunternehmen wie SEW-Eurodrive, die mit 500 Forschern die Neu- und Weiterentwicklung von Produkten vorantreibt, behaupten sich am Markt.

Kunden stammen aus unterschiedlichsten Branchen und setzen die Servomotoren zur Erhöhung von Leistung und Verfügbarkeit ihrer Maschinen ein. Steigt die geforderte Dynamik, wechseln die Abnehmer von ungeregelten zu geregelten Antrieben. Drehzahlgeführte Asynchronmotoren werden häufig zur Realisierung von Einsparungspotenzialen eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit der Servotechnik wird den Anforderungen der Kunden entsprechend entwickelt und ausgebaut. Die Stückzahlträger sind Servomotoren mit kleineren bis mittleren Drehzahlen und Leistungen. Durch modernste Wicklungen und formgebende Magnettechnik sind die Servomotoren der Baureihe CMP von SEW massenträgheitsarm und damit hochdynamisch. Sieben Baugrößen decken bis zu 320 Newtonmeter Spitzendrehmoment ab. Längenoptimierte synchrone Servomotoren, wie der mit Größe 63 kürzeste von drei möglichen Baulängen, können auf engstem Raum eingesetzt werden. Die Steckverbinder für den Anschluss erleichtern die kundenseitige Verdrahtung und lassen sich variabel um bis zu 180 Grad drehen.

Verpackungsmaschinen wie die der Firma Wolf in Lich-Birklar, die pulverförmige oder feste Produkte zuverlässig voneinander separieren und in Schlauchbeutel verpacken, nutzen zum Antrieb der einzelnen Förderbänder in den Zuführeinheiten CMP63S-Servomotoren. Bei einer der schnellsten Anlagen der Welt zur Verpackung von Laminatdielen in Baruth/Mark synchronisiert Classen Industries den Vorschub mit 25 Servoantrieben, die durch den Mehrachs-Servoumrichter Moviaxis von SEW gespeist werden.

Unkonventionelle Lösungen

Cyber Dynamic Line von Wittenstein, Bild: Wittenstein
Die bürstenlose Cyber Dynamic Line von Wittenstein kommt den Trends zu Miniaturisierung und höherer Leistungsdichte entgegen. Bild: Wittenstein

Wichtige Themen für Kunden sind neben Energieeffizienz der Motoren die Sicherheitsanforderungen der europäischen Gesetzgeber, bei denen alte Konzepte mit einfacher Abschaltung des Drehmomentes unter Berücksichtigung von kürzeren Wiedereinschaltzeiten und schwerkraftbelasteten Antrieben überarbeitet und diversifiziert werden müssen, aber auch neue Anwendungsfelder, bei denen Explosionsschutz gefordert ist. Manchmal sind aber auch unkonventionelle Lösungen gefordert, wie ein Beispiel zeigt, bei dem explosiver Wasserstoff aus einem Schiff geborgen werden musste: Die Feuerwehr befestigte eine Hilti-Bohrmaschine mit einem Vakuumkissen am Schiffsrumpf. Für den linearen Vorschub des Geräts sorgte ein Adapter, der samt einem mit Spiroplangetriebe und Fremdlüfter ausgestatteten CMP-Servomotor am Bohrständer befestigt wurde.

Bei Wittenstein, einem weiteren deutschen Hersteller, sieht man sich speziell mit der Baureihe der bürstenlosen Cyber Dynamic Line für den Trend zu Miniaturisierung und höherer Leistungsdichte gewappnet. Die dreiphasig, permanenterregten Servomotoren sind in Baugrößen von 17 bis 40 Millimeter Außendurchmesser mit einem Spektrum von 35 Millinewtonmeter bis zu 12 Newtonmeter Drehmoment erhältlich.

Speziell in einem Umfeld mit hohen Anforderungen an Hygiene werden reinigungsmittelbeständige und bis IP69X abgedichtete Varianten eingesetzt, die auf EHEDG-Regeln (European Hygienic Engineering and Design Group) abgestimmt sind. Daten des 12-Bit-Absolutwertgebers können über die BISS-C-Schnittstelle ausgelesen werden. Aufgrund ihrer Dynamik von 9,42 bis 5,00 x 105 s-2 eignen sie sich gut für präzise Dosierung und exakte Abfüllung oder für Greiftätigkeiten.

Den größten Einsatz finden diese Servomotoren mit 35 Prozent Anteil in der Automation der industriellen Fertigung, gefolgt von den Branchen Nahrungsmittel und Verpackung mit 25 Prozent; Robotik mit 15 Prozent sowie Halbleiter- und Elektronikfertigung sowie Mess- und Prüftechnik mit jeweils zehn Prozent. Nur etwa fünf Prozent kommen in der Medizinbranche zum Einsatz. Wachstum wird vorrangig in der Robotik aufgrund der steigenden Automatisierung und im Halbleiterbereich durch die zunehmende Digitalisierung erwartet. Da Europa bereits eine Vorreiterrolle spielt, wird das Wachstum stärker in Asien und den USA gesehen.

Höhere Drehmomente

Sind für die Automatisierung höhere Drehmomente und niedrigere Drehzahlen wie etwa bei Werkzeugmaschinen notwendig, so kommen Torquemotoren mit Hohlwelle zum Einsatz. Der große Bruder der Servomotoren arbeitet meist mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor. Die aktuelle UL-zertifizierte Baureihe der getriebelosen TMRW-Synchron-Servomotoren von Hiwin erzielt je nach Baugröße konstante Drehmomente von 7,5 bis 925 Newtonmeter, die in Spitzen von maximal einer Sekunde auch bei dem fünffachen Wert liegen können. Die hohen Dauermomente können durch die in den Stator integrierten Kühlkanäle erreicht werden, sodass keine zusätzliche Prozesswärme in der Werkzeugmaschine anfällt.

Werkzeugmaschinen stehen vermehrt Konkurrenz gegenüber, denn der Trend für 3D-Drucker ist ungebrochen und auch hier kommen Servomotoren zum Einsatz. Mit Mechaduino wurde ein Open-Source-Projekt der Firma Tropical Labs aus Washington gestartet, das über die Crowdsourcing-Plattform Kickstarter erfolgreich finanziert wurde. Der kostengünstige und als indus-trietauglich bezeichnete Servomotor mit geschlossenem Regelkreis erzielt dank 14b-Geberrückführung eine hohe Rasterauf-
lösung. Er eignet sich auch für den Einsatz in CNC-Maschinen oder kundenspezifischen Anwendungen.

Der als industrietauglich bezeichnete Servomotor von einem Start-up entwickelt, Bild: Mechaduino
Crowdsourcing: Der kostengünstige und als industrietauglich bezeichnete Servomotor ist von einem Start-up entwickelt worden. Bild: Mechaduino

Robotik als Treiber

Derzeit wird angenommen, dass etwa 90 Prozent der industriellen Roboter mit Servomotoren ausgestattet sind. In China allein wird erwartet, dass bis zum Jahr 2019 fast eine dreiviertel Million Servomotoren in der Industrie eingesetzt werden. Dieser Markt wird derzeit zur Hälfte von japanischen Herstellern dominiert. Mit Estun Automation und Inovance versuchen zwei chinesische Firmen sich diesen mit eigener Entwicklungsleistung entgegen zu setzen.

Fünf Motoren pro Bein, Bild: Exoesqueleto
Fünf Motoren pro Bein sollen Kindern mit Lähmungen helfen, wieder laufen zu können. Bild: Exoesqueleto

Einen starken Trend für Roboter sieht man in China auch für Verbraucher. Daher verwundert es nicht, dass der chinesische Arm des IT-Schwergewichts Intel das Technologie-Startup Ingdan.com aus Shenzen dabei unterstützt, mit japanischen Robotik-Zulieferern eine weltweite Plattform von Eco-System-Partnern aufzubauen. Über die Plattform sollen Ressourcen aus Forschungslaboren mit Chipherstellern und chinesischen Startups aus der Roboterbranche verknüpft werden, um kostengünstige Produkte auf den Markt bringen zu können. Dieses Jahr sollen noch etwa 300 Zulieferer und gut 1000 Startups an die Plattform angebunden werden.

Auch in Einsatzgebieten mit medizinischen und gesundheitlichen Aspekten ergeben sich neue Möglichkeiten. Im Juni 2016 wurde an der Universitätsklinik von Utah in Salt Lake City das von Siemens Healthineers entwickelte Röntgengerät Multitom Rax in Betrieb genommen. Dank zwei unabhängig voneinander über Servomotoren ansteuerbaren Roboterarmen, wovon je einer mit Röntgenkamera und Flachbilddetektor ausgestattet ist, können erstmalig dreidimensionale Röntgenbilder unter natürlicher Belastung der zu diagnostizierenden Körperteile erzeugt werden. Da sich Gelenke und Rückgrat im Stehen unter Belastung des eigenen Körpergewichts anders darstellen als in liegender Position des Patienten, kann mit dem neuen System eine akkuratere Diagnose erstellt werden.

Hilfe durch Servomotoren

Motorisierte Exoskelette, die dank Servomotoren genau abgestimmte Bewegungen ausführen können, werden zur Unterstützung von gesundheitlich beeinträchtigten Personen eingesetzt. So wurde vom spanischen National Research Council (CSIC) und seinem Technologie-Bereich Marsi Bionics eine Gehhilfe für Kinder entwickelt, die unter spinaler Muskelatrophie (SMA), einem Muskelschwund, bei dem motorische Nervenzellen im Vorderhorn des Rückenmarks absterben, leiden.

Das Exoskelett ist derzeit für Kinder im Alter von drei bis vierzehn Jahren gedacht. Die Einschränkung ergibt sich aus dem aktuellen Design, das fünf unterstützende Motoren für jedes Bein vorsieht, um dem Kind das Stehen und Laufen zu ermöglichen.

Am Imperial College in London wird derzeit an einem Exoskelett für Parkinson-Patienten getüftelt, um Zittern auszugleichen. An dem 3D-gedruckten Rahmen für den Arm ist auf Höhe von Handgelenk und Ellbogen jeweils ein kleiner Servomotor samt Positionssensor angebracht. Ein Beschleunigungs- und Bewegungssensor werden am Handrücken befestigt.
Das nur 350 Gramm leichte Gerät erkennt die rhythmischen Zuckungen des Patienten, woraufhin die Aktuatoren präzise Gegenbewegungen erzeugen und auf den Arm übertragen, um das Zittern zu eliminieren. Dank der bisherigen Sensordaten konnten die Entwickler Alltagsbewegungen wie das Gehen, Laufen, Zeigen oder Trinken entwickeln, die der Prototyp bereits mit einer 70-prozentigen Wahrscheinlichkeit erkennt. Denkbar ist auch, weitere Aktivitäten wie Schreiben und Essen in die Software zu integrieren. jl