Bild: Igus
Nervenstränge für die intelligente Maschine

Die Umsetzung von Industrie 4.0 stellt hohe Anforderungen an die Energiezuführung in der Werkzeugmaschinenbranche und fordert die Komponentenlieferanten heraus, entsprechende hochflexible Leitungen und vibrationsarme Energieketten in Leichtbauweise bereit zu stellen.

LUKAS CZAJA, KÖLN 

Der Autor Lukas Czaja ist Internationaler Branchenmanager für Werkzeugmaschinen bei der Igus GmbH, Köln  


Das Kernziel der „vierten industriellen Revolution“ ist eine ressourceneffiziente Produktion unter höchstem Qualitätsanspruch durch optimale Prozessparameter. Zum Erreichen dieses ambitionieren Ziels greifen Entwicklungen von Industrie 4.0 den Gedanken des selbstoptimierten Fertigungsprozesses in der so genannten „Smart Factory“ auf. Realisiert wird dies durch intelligentes Mitdenken der Maschine, um neben einer hohen Qualität auch eine hohe Flexibilität und Verfügbarkeit sicherzustellen. Hierfür werden Prozessparameter kontinuierlich messtechnisch generiert und ausgewertet. Auf Abweichungen im Fertigungsprozess reagiert die Maschine autonom in Form einer Selbstdiagnose. Optimierte Maschinenparameter werden automatisch in den Fertigungsprozess zurückgeführt. Dieser Prozessschritt wird als Selbstkonfiguration bezeichnet. Ein menschliches Eingreifen ist nicht mehr notwendig. Die Grundlage für Industrie 4.0 ist eine hochpräzise Messtechnik zur kontinuierlichen Datengenerierung und eine intelligente Vernetzung der Maschinen untereinander. Die Anforderungen an die Ethernet-Kommunikation steigen. Die vergleichsweise preisgünstigen, fest verlegten Ethernet-Kabel sind nicht für bewegte Anwendungen ausgelegt und haben unter den wachsenden Anforderungen nur eine sehr begrenzte Lebensdauer.


Im Zuge des steigenden Automatisierungsgrades wird die Anzahl und Geschwindigkeit der Bewegungen an der Maschine zunehmen. Die dynamischen Anforderungen an die Leitungen und die damit verbundenen Energieketten steigen. Zudem setzt die Werkzeugmaschinenbranche verstärkt auf kompakte Bauweisen, um möglichst platzsparende Maschinen anbieten zu können. Hierfür werden Leitungen benötigt, die auch unter höchster Biegebeanspruchung sicher in Energieketten geführt werden können. Ein weiterer Trend ist die Kombination verschiedener Verfahren in einer Werkzeugmaschine. So verfügen Werkzeugmaschinenhersteller beispielsweise über CNC-5-Achsen-Bearbeitungszentren mit Drehtischen, die die komplexe Dreh- und Fräsbearbeitung des Werkstücks in einer Aufspannung ermöglichen.

 

Hochflexible Leitungen für neue Herausforderungen


Um die Smart Factory real werden zu lassen, wird sich der Anteil der Automatisierung in der Fertigung weiter beschleunigen. Das bedeutet zwangsläufig eine hohe Anzahl an Bewegungen von Maschinen, Handlings etc. Diese werden heute zum größten Teil mit Energie und Daten über Energieketten versorgt und das mit einer ständig wachsenden Anzahl. Doch gerade bei der auf Ethernet basierenden Kommunikationstechnik muss umgedacht werden. Wenn in der Vergangenheit der Netzwerktechniker auf mechanisch relativ einfach aufgebaute Leitungen zurückgreifen konnte und diese auch sicher im Büro funktionieren, so werden diese in bewegten Anwendungen in der Industrie nicht die benötigte Sicherheit bieten. Denn diese für die feste Installation recht preiswerten Ethernet- oder auch Lichtwellenleiterleitungen sind nicht für bewegte Einsätze konstruiert und haben daher unter diesen Bedingungen nur eine sehr begrenzte Lebensdauer.


Dies erfordert hochflexible Lösungen im Bereich der Energiezuführung. Denn bewegte Leitungen sind hohen Streck- und Stauchkräften beim Biegeprozess ausgesetzt. Diese Kräfte wirken auf die Adern und führen langfristig zum sogenannten Korkenziehereffekt. Die Lebensdauer der Leitungen wird hierdurch erheblich reduziert. Die hohe Lebensdauer der Igus Chainflex-Leitungen ist auf die firmeneigene Forschung, Entwicklung und Tests im 1750 m² großen Testlabor in Bezug auf die Schnittstelle zwischen Energieketten und energiekettentauglichen Leitungen zurückzuführen. Der Kölner Kunststoffspezialist entwickelte einen speziellen Außenmantel, der im Reibkontakt zwischen Leitungen und der Energiekette hoch abriebfest ist. Zudem werden die Adern in kurzen Schlaglängen um ein hoch zugfestes Kernelement bündelverseilt.


Igus hat den Trend in der industriellen Anwendung vor einem Jahrzehnt erkannt und entwickelte als einer der ersten Anbieter Ethernet-CAT5- und -CAT6-Leitungen für dauerbewegte Industrieanwendungen. Inzwischen umfasst das Angebot an flexiblen, kupferbasierten Ethernet-Leitungen 23 verschiedene Typen. Speziell für den Werkzeugmaschinensektor werden „BUS.PUR“-Typen angeboten. Diese sind öl- und hydrolysebeständig, halogenfrei und verfügen über PUR-Außenmäntel mit UL/CSA-Zulassung. Darüber hinaus können Betreiber oder Planer von Smart Factories mit „Chainflex“ noch einen Schritt weiterdenken: Denn gerade in der industriellen Welt sind bei kupferbasierten Leitungen immer das Thema EMV-Schutz sowie die Längenlimitierung zu bedenken. Außerdem wird das Datenvolumen in der Zeit von Industrie 4.0 eher zu- als abnehmen. Für hochdynamische Anwendungen in Werkzeugmaschinen ist die Familie „CFLG.LB“ ideal. Mit über 30 Millionen Hüben in Radien von 5xd getestet, bietet diese Familie Lösungen mit 2,4 oder 6 Gradientenfasern. Zudem bietet sie den großen Vorteil, dass Stecker direkt auf die aramidgeschützten Festadern gecrimpt werden können. Dadurch entfallen teure Aufteiler oder Spleißboxen, womit die Konfektionierungskosten um bis zu 65 Prozent reduziert werden können.

 

Vibrationsreduzierung durch den Einsatz von E-Ketten


Eine große Herausforderung für die Werkzeugmaschinenbranche liegt in der Reduzierung von Vibrationen an den Maschinenkomponenten. Diese haben einen negativen Einfluss auf die Genauigkeit des Fertigungsprozesses. Sowohl die Oberflächengüte als auch die Maßund Formgenauigkeit des bearbeiteten Werkstücks werden beeinträchtigt und gleichzeitig die Prozessstabilität eingeschränkt. Dies führt neben einer mangelnden Fertigungsqualität zu einem hohen Werkzeugverschleiß und langfristig zu Maschinenstillstandszeiten.

Vibrationsarme Energieketten sind eine Voraussetzung, um die Schwingungsamplituden selbsterregter Schwingungen gering zu halten und die ambitionierten Ziele von Industrie 4.0 zu erreichen. Die meisten Energieketten sind mit einer Bolzen-Bohrung-Verbindung ausgestattet. Dieser Standard garantiert eine feste Verbindung der Kettenglieder bei dynamischen Anwendungen. Beim Abrollen der Energieführung tritt der sogenannte Polygoneffekt auf. Die Kette läuft im Biegebereich nicht vollständig rund ab. Es kommt zu Abwinkelungen der Kettenglieder. Aus einem für die Bewegung optimalen Kreis wird ein Vieleck (Polygon). Hieraus resultieren Vibrationen, die zu hohen Schwingungsamplituden führen können. Die meisten Produzenten von Qualitätsenergieketten setzen zur Optimierung des Polygoneffekts auf eine kleine Teilung der Kettenglieder. Die Igus GmbH verfolgt ebenfalls die Kleinteiligkeit als Konstruktionsprinzip, hat aber darüber hinaus ein elastisches Federelement aus Hochleistungskunststoff als Verbindungskomponente der Kettenglieder entwickelt. Das Federelement bewirkt eine verbesserte Rundlaufgeometrie. Die Energiekettenserien E3, E6 und E6.1 sind mit dem Federelement ausgerüstet. Der Polygoneffekt wird auf ein Minimum reduziert. Die Konsequenzen sind eine extrem niedrige Geräuschentwicklung und ein beinahe vibrationsloser Lauf der Energiekette auch bei hohen Beschleunigungen.

Eine Studie des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen hat das Schwingungsverhalten von Energieführungsketten getestet. Hierbei wurden die beiden Igus Energieketten E6 und die Serie 380 aus dem E4/00-Standardprogramm sowie drei vergleichbare Energieketten anderer Anbieter untersucht. Die erfassten Signale wurden im Zeit- wie im Frequenzbereich ausgewertet. Im Zeitbereich gibt der gleitende Effektwert, auch RMS-Wert genannt, die Schwingungsenergie am Messort an. Der RMS-Wert ist für die beiden igus-Energieketten am geringsten (Quelle: RWTH Aachen). Es wurde ein im Durchschnitt 28 Prozent geringerer Wert an Vibrationen im vergleich zu anderen Energieführungen gemessen. Das Energiekettensystem E6 ist aktuell die geräusch- und vibrationsärmste Lösung im Bereich der Energieketten.

 

Mit Leichtigkeit die Energieeffizienz erhöhen


Zur Sicherstellung der Wettbewerbsfähigkeit sind energieeffiziente Maschinenkomponenten erforderlich. Je mehr Masse zu beschleunigen ist, desto mehr Energie ist dafür erforderlich. Für den Richtungswechsel schwerer Massen wird eine hohe Beschleunigungsenergie benötigt. Der Leichtbau war bislang vor allem in den Mobilitätsbranchen ein wichtiges Thema. Insbesondere bei hochdynamischen Anwendungen rückt der Leichtbau vermehrt in den Fokus der Werkzeugmaschinenhersteller. Zur Umsetzung der Wechselhübe einer Energiekette muss Antriebskraft in Form von Zug-Schub- Kraft aufgebracht werden. Die Firma Igus setzt auf Energieketten in „Light“-Ausführungen, die bis zu 30 Prozent leichter als abmessungsgleiche Produkte und dennoch hochstabil sind. igus Leichtbaulösungen benötigen weniger Antriebskraft, sind günstiger als die Standardprodukte und tragen über einen geringen Energiebedarf zur Energieeffizienz und über entsprechend kleine dimensionierte Motoren zur Kompaktbauweise bei.


Auch die chainflex-Leitungen reduzieren das Gewicht. Durch Einsatz von hochwertigen Mantel- und Isolierwerkstoffen kann zwischen 5 und 30 Prozent Gewicht eingespart werden. Dies reduziert die Antriebskraft um 17 Prozent. Hochwertige, abriebfeste Mantelwerkstoffe ermöglichen es, besonders dünnwandig zu extrudieren, was zu Gewichtseinsparungen von bis zu 18 Prozent führt. Zudem ist unter Verwendung hochwertiger Materialien bei den Isolierwerkstoffen eine hohe elektrische Performance bei kleinen elektrischen Querschnitten möglich. Dadurch sind Gewichtsreduktionen bis zu 30 Prozent realisierbar.


Die Werkzeugmaschinenhersteller profitieren insgesamt bei der Auslegung der Energiezuführung von der langjährigen Erfahrung von Igus im Bereich der Hochleistungskunststoffe für bewegte Anwendungen. Die 2 Milliarden Testhübe pro Jahr im größten Testlabor der Branche ermöglichen die Vorhersage von Lebensdauerwerten – und damit eine besonders hohe Prozesssicherheit für den Werkzeugmaschinen-Kunden. 

www.igus.de

 

Titelthema aus dima 6/2014:

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