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Um die Smart Factory real werden zu lassen, wird sich der Anteil der Automatisierung in der Fertigung weiter erhöhen. Bild: iStock, karandaev
Anforderungen an Energiezuführungen

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Flexible Ketten statt Korkenzieher

Text: Lukas Czaja, Igus
Energieketten und ihre verwendeten Leitungen unterliegen bei Werkzeugmaschinen besonders harten Anforderungen. So werden eine hohe Fertigungsqualität, Effizienz und eine kompakte Bauweise gefordert. Flexible, leichte und vibrationsarme Ketten mit Leitungen ohne Korkenziehereffekt sind daher Pflicht.

Um die Smart Factory real werden zu lassen, wird sich der Anteil der Automatisierung in der Fertigung weiter erhöhen. Das bedeutet zwangsläufig eine hohe Anzahl an Bewegungen von Maschinen und Handlings. Diese werden größtenteils mit Energie und Daten über Energieketten versorgt. Doch gerade bei der auf Ethernet basierenden Kommunikationstechnik muss umgedacht werden. Die mechanisch einfach aufgebauten Leitungen funktionieren zwar sicher im Büro, für bewegte Anwendungen in der Industrie bieten sie aber nicht die benötigte Sicherheit und weisen eine begrenzte Lebensdauer auf.

Das erfordert flexible 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, was die Lebensdauer der Leitungen erheblich reduziert. Chainflex-Leitungen von Igus haben eine hohe Lebensdauer, die auf firmeneigener Forschung, Entwicklung und Tests der Schnittstellen zwischen Energieketten und energiekettentauglichen Leitungen basiert. Der Hersteller von Kunststoff-Energieketten entwickelte einen speziellen Außenmantel, der im Reibkontakt zwischen Leitungen und der Energiekette hoch abriebfest ist. Zudem werden die Adern in kurzen Schlaglängen um ein zugfestes Kernelement bündelverseilt.

Vibrationsreduzierung dank e-Ketten

Eine Herausforderung für die Werkzeugmaschinenbranche liegt außerdem in der Reduzierung von Vibrationen an den Maschinenkomponenten. Sowohl die Oberflächengüte als auch die Maß- und Formgenauigkeit des bearbeiteten Werkstücks werden davon beeinträchtigt, und die Prozessstabilität wird 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. 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.

Igus verfolgt das Konstruktionsprinzip der kleinen Teilung der Kettenglieder, hat aber auch ein elastisches Federelement aus Hochleistungskunststoff als Verbindungskomponente entwickelt. Das Federelement bewirkt eine verbesserte Rundlaufgeometrie. Die Energiekettenserien E3, E6 und E6.1 sind damit ausgerüstet. Der Polygoneffekt wird auf ein Minimum reduziert. Die Konsequenzen sind eine sehr 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. 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 E6 am geringsten. Es wurde ein im Durchschnitt 28 Prozent geringerer Wert an Vibrationen im Vergleich zu anderen Energieführungen gemessen. Das System ist laut Studie auch die geräusch- und vibrationsärmste Lösung.

Leichtbau für weniger Antriebskraft

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. Igus nutzt Energieketten in Light-Ausführungen, die bis zu 30 Prozent leichter als abmessungsgleiche Produkte und dennoch sehr stabil sind. Die Leichtbaulösungen benötigen weniger Antriebskraft, sind günstiger als Standardprodukte und tragen mit einem geringen Energiebedarf zur Energieeffizienz und über entsprechend kleine dimensionierte Motoren auch zur Kompaktbauweise bei.

Auch die Chainflex-Leitungen reduzieren das Gewicht. Durch Einsatz von hochwertigen Mantel- und Isolierwerkstoffen kann zwischen fünf 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.

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