Marcel M?ller, Baumüller Nürnberg GmbH
2024-08-21T12:31:18+02:00
Antriebstechnik
Baumüller

Elektrisches Antriebskonzept für Spritzgie?maschinen

Kunststoffe aufbereiten, wiederverwenden und dabei den Ressourceneinsatz zu reduzieren, ist eine nachhaltige L?sung, die allerdings auch einige Herausforderungen mit sich bringt. Wie Ihnen energieeffiziente, pr?zise und dynamische ?Automatisierungsl?sungen helfen, den Energie- und Materialverbrauch zu senken, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Trend-Entwicklung

Kunststoff kommt weltweit in rauen Mengen zum Einsatz. Mehr als 300 Millionen Tonnen des Werkstoffs werden j?hrlich verbraucht. Eine Verdreifachung dieser Zahlen soll bis 2050 m?glich sein. Dies sind die Ergebnisse einer aktuellen Analyse von McKinsey & Company. Doch das Neumaterial wird weniger. Immer mehr Kunststoff-Verarbeiter denken um und verwenden recyceltes Material. Der Anteil sogenannter Rezyklate soll bis 2050 auf rund 50 Prozent ansteigen.

Durch die Klimaerw?rmung und die eingeleiteten Ma?nahmen der Politik zur Erfüllung weltweiter Klimaziele bekommen die Themen Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft einen deutlichen Schub. Die Verarbeitung von Rezyklat, das Design und der Einsatz von dünnwandigen Produkten zur Materialreduktion oder beispielweise die Substitution von schweren metallischen Werkstoffen durch Kunststoffe im Bereich der E-Mobilit?t werden konsequenter umgesetzt. Diese und weitere Ma?nahmen sollen dabei helfen den CO₂-Aussto? zu reduzieren.

Kunststoffe aufbereiten, wiederverwenden und dabei den Ressourceneinsatz zu reduzieren, ist eine nachhaltige L?sung, die allerdings auch einige Herausforderungen mit sich bringt. Wie Ihnen energieeffiziente, pr?zise und dynamische ?Automatisierungsl?sungen helfen, den Energie- und Materialverbrauch zu senken, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Schon seit vielen Jahren legt Baumüller seinen Fokus verst?rkt auf die Entwicklung energieeffizienter Antriebskonzepte für die Spritzgussindustrie. Der effiziente Umgang mit Ressourcen war bei Baumüller schon immer ein wichtiges Thema. Nicht nur die Pionierarbeit im Bereich der Direktantriebstechnik ist hier von Bedeutung, sondern auch die erste vollelektrische Spritzgie?maschine in Europa. Diese wurde Ende der 90er Jahre mit Antriebstechnik von Baumüller umgesetzt. Damals kamen bereits Servoantriebe zum Einsatz, die über einen gemeinsamen Zwischenkreis miteinander verbunden waren und dadurch sehr energieeffizient arbeiteten.

Darauf aufbauend wurde das L?sungsportfolio für die energieeffiziente Synchronantriebstechnik kontinuierlich weiterentwickelt und ausgebaut.

Ergebnis ist ein breites Portfolio an Servoumrichtern in Kombination mit rückspeisef?higen Systemen, intelligente Software- und Simulationsl?sungen sowie Synchrontechnologie und Direktantriebstechnik. Die Produkte der Antriebstechnik leisten einen wichtigen Beitrag, um energieeffizient und pr?zise zum Teil sehr komplexe Kunststoffteile zu fertigen.

Elektrifizierung auf dem Vormarsch

Baumüller bietet ein breites L?sungsportfolio für die Elektrifizierung von Achsen, um hybride und vollelektrische Spritzgussmaschinen umzusetzen. Schnelllaufende Maschinen zur Herstellung von Kunststoffverpackungen beispielsweise sind mit kompakter, energieeffizienter und leistungsstarker Anreihtechnik in Kombination mit dynamischen Servomotoren ausgerüstet. Die Pr?zision der elektrischen Antriebstechnik und die kurzen Wiederanlaufzeiten nach dem Rüsten leisten einen Beitrag zur Verringerung des Materialeinsatz. Auch für die Herstellung von Medizinprodukten unter Reinraumbedingungen wird diese kompakte Antriebstechnik eingesetzt. ?berschüssige Energie zurück zu speisen, ist mit dem Antriebskonzept ebenfalls m?glich.

Auf hybriden oder vollelektrischen Maschinen werden zum Beispiel auch Hochvoltkomponenten elektrischer Verbindungstechnik und auch komplexe Kunststoffbauteile für das Interieur oder Exterieur der Automotive-Industrie produziert. Solche L?sungen sind für die E-Mobilit?t von entscheidender Bedeutung. Der Ersatz schwerer, metallischer Bauteile wie etwa Stahl durch Kunststoff ist für den Leichtbau wichtig. Damit lassen sich Reichweiten von Elektrofahrzeugen erh?hen. Auch das ist ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz.

Für die effiziente Auslegung der einzelnen Antriebskomponenten kommen verschiedene Simulationswerkzeuge zum Einsatz. Damit lassen sich Zeit, Kosten und Energie sparen. Denn die Software erm?glicht u.a. eine optimale Auslegung der Antriebskomponenten und eine schnellere Inbetriebnahme und Antriebsoptimierung der Spritzgussmaschine.

Chassis eines Elektrofahrzeuges mit Antriebsstrang und Hochvoltkomponenten

System-Vorstellung

Für die Spritzgussindustrie bietet Baumüller verschiedenste Systeml?sungen an. Wann welches System sinnvoll ist, entscheidet in erster Linie das Produkt, das auf der Maschine produziert wird und damit die Maschinenkonfiguration. Die Anzahl der zu elektrifizierenden Achsen spielt dabei eine wichtige Rolle.

Das flexible Servoumrichter-Portfolio erm?glicht die Kombination der entsprechend ben?tigten Antriebsachsen mit einer Einspeise- oder Rückspeiseeinheit. Zudem ist auch eine Kombination der Antriebsachsen der ?Anreihtechnik mit einem Monoger?t ohne separate Einspeiseeinheit m?glich, wenn beispielweise eine sehr leistungsstarke Antriebsachse erforderlich ist. Dabei agiert das Monoger?t sowohl als Einspeiseeinheit für den Achsverbund als auch als Servoantrieb. Die jeweiligen Systeme arbeiten in einem gemeinsamen Zwischenkreis-Verbund zusammen, womit ein energieeffizienter Betrieb m?glich ist.

Clever zwischengespeichert

Der kompakte Antriebsverbund mit mehreren Antrieben l?sst sich infolge seiner Skalierbarkeit optimal auf den Leistungsbedarf der Spritzgie?maschine abstimmen. Der Abruf kurzfristiger Spitzenleistungen bei einzelnen Antrieben muss zudem nicht mehr zwingend aus dem Netz erfolgen. Stattdessen kann die Energie innerhalb des Zwischenkreisverbundes verteilt werden. Dies führt zu einer besseren Energieeffizienz des gesamten Verbunds. Durch die Reduktion der aufgenommenen Netzleistung k?nnen Einspeiseeinheiten kleiner dimensioniert werden. Die Minimierung der thermischen Verlustleistung bspw. durch Verzicht oder Downsizing von Bremswiderst?nden optimiert die Auslegung der Kühlaggregate. Dies spart zus?tzlich Platz und senkt die Kosten für Schaltschrank und Einspeiseeinheit.

Optional kann zur Zwischenspeicherung überschüssiger Energie ein Kapazit?tsmodul in den Zwischenkreis eingebunden werden. Damit kann bei Netzausfall oder beim Bremsvorgang der Antriebsachsen, Energie gespeichert und bei Bedarf wieder bereitgestellt werden. Zum anderen ist es nach einem Netzausfall oder einer St?rung m?glich, in Abh?ngigkeit der vorhandenen Restenergie, die Antriebsachsen in eine definierte Position zu bewegen. Damit k?nnen Besch?digungen vermieden und ein Wiederanlaufen der Maschine beschleunigt werden.

Antriebstopologie mit Einspeiseeinheit für vollelektrische Maschinen

Die Anreihtechnik mit Ein- /Rückspeiseeinheit ist die ideale L?sung für vollelektrische Spritzgie?maschinen. Grund dafür ist der geringe Platzbedarf im Schaltschrank. Zus?tzlich profitiert das System von einer hohen Leistungsdichte, flexibler Erweiterbarkeit sowie einer pr?zisen Regelung und hohen ?berlastf?higkeit. Die hochperformanten Leistungsteile sind in den Kühlarten Luft, Wasser und Coldplate verfügbar. ?ber ein integriertes Drive-Connect-System lassen sich einzelne Module einfach entfernen oder hinzufügen, ohne den Antriebsverbund zu l?sen. So profitiert der Maschinenbauer von einem geringen Installationsaufwand und kurzen Inbetriebnahme- und Servicezeiten.

Antriebstopologie mit zwei Einspeiseeinheiten für gr??ere vollelektrische Maschinen

Bei gro?en Leistungsbedarfen k?nnen mehrere Einspeiseeinheiten parallel geschaltet werden. Eine L?sung, die sich für leistungsstarke Spritzgussmaschinen eignet.

Der Einsatz einer Rückspeiseeinheit erm?glicht neben der Energieversorgung der Leistungsmodule auch eine sinusf?rmige Rückspeisung überschüssiger Bremsenergie ins Netz. Dieses rückspeisef?hige System tr?gt damit zus?tzlich dazu bei den Energieverbrauch zu senken.

Antriebstopologie mit Rückspeiseeinheit für vollelektrische Maschinen

Die Anreihtechnik kombiniert mit Monoeinheit in einem Zwischenkreis-Verbund ist beispielsweise bei der Elektrifizierung von wenigen Achsen in Kombination mit einer leistungsstarken Antriebsachse sinnvoll. Ausgangsbasis ist h?ufig ein bereits realisierter servo-hydraulischer Antrieb, welcher durch weitere elektrische Achsen erg?nzt wird. Dabei wird die gro?e, leistungsstarke Monoeinheit über eine intelligente Verbindungstechnik direkt mit der Anreihtechnik verknüpft. Dies spart Platz im Schaltschrank und l?sst sich leicht umsetzen, da beide Ger?tetypen die gleiche Firmware nutzen. Der Elektrifizierungsgrad von servo-hydraulischen Maschinen l?sst sich damit wirtschaftlich infolge des geringen Engineering-Aufwands und des Wegfalls einer separaten Einspeisung erh?hen.

Bei servo-hydraulischen Maschinen mit einer elektrischen Achse wird eine leistungsstarke Monoeinheit in Kombination mit einem kompakten und dynamischen Servomotor eingesetzt.

Dabei werden die Vorteile der hydraulischen Leistungsübertragung mit der Regelgüte und Dynamik energieeffizienter, elektrischer Antriebstechnik plus intelligenter Software kombiniert. Auf diese Weise l?sst sich viel Energie sparen. Im Bereich der Kunststoffspritzgussmaschinen hat sich der servo-hydraulische Antrieb bereits zu einem Standard etabliert.

Antriebstopologie mit Monoeinheit für Servohydraulik und weiteren elektrischen Achsen

? Hydraulik vs. Servohydraulik |
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Automationsl?sung für Servohydraulik

Alle drei Antriebsl?sungen sind sowohl kompakt als auch skalierbar und erm?glichen eine hohe Leistungsdichte. Infolge der identischen Reglerfirmware sinken zudem Aufwendungen für Projektierung, Wartung bis hin zum Service, w?hrend des Lebenszyklus der Maschine. ??

Intelligenz im Servoumrichter hilft bei hoch dynamischen Bewegungen weiterhin extrem pr?zise zu arbeiten und erm?glicht es bei Fehlermeldungen extrem schnell zu reagieren. Zudem k?nnen durch die integrierte programmierbare softdrivePLC einfache Verknüpfungen von digitalen I/Os,? Technologiefunktionen oder Datenanalysen direkt im Antrieb realisiert werden. Ein Beispiel ist die Technologiefunktion Servohydraulik, welche eine sehr dynamische und intelligente Druck- und Volumenstromregelung erm?glicht. Die Vorteile der antriebsintegrierten Intelligenz und schnellen Regelung lassen sich auch für elektromechanische Achsen wie beispielsweise Gantry-Funktionen anwenden.

Der Einsatz von ProSimulation erm?glicht für die erw?hnten Topologien zudem eine effiziente Antriebsdimensionierung, verkürzte Inbetriebnahme-Zeiten und eine verbesserte Servicequalit?t. Durch das Simultaneous Engineering lassen sich Entwicklungszeiten verkürzen sowie Anschaffungs- und Lebenszykluskosten reduzieren.

Ausgew?hlte Funktionalit?ten und Features

Auch das Thema Digitalisierung ist ein wichtiger Katalysator, um die Klimaziele zu erreichen. Durch Vernetzung lassen sich die Potentiale der Antriebstechnik und somit der Spritzgussmaschine voll aussch?pfen. Besonders wichtig dabei sind moderne Kommunikationsschnittstellen. Ethernet-basierte Feldbusse beispielsweise erm?glichen eine vertikale Integration in die Steuerungsarchitektur der Maschine. Die b maXX-Servoantriebe sind für g?ngige Bussysteme einsetzbar.

Feldbussysteme der Servoantriebe

Zudem tragen zahlreiche Reglerfunktionalit?ten dazu bei, dass die Spritzgie?maschine rund um die Uhr perfekte Ergebnisse liefert. Eine hohe Maschinenverfügbarkeit, die bessere Wiederholgenauigkeit in der Produktion und weniger Materialeinsatz infolge kürzerer Anlaufzeiten nach dem Rüsten sind konkrete Vorteile.

Beispiel Spritzgussmaschine

F?llt der Geber w?hrend des Schlie?vorgangs der Spritzgussform aus, kann es infolge des unkontrollierten Zufahrens der Schlie?e zu gro?en Sch?den am kostenintensiven Schlie?werkzeug der Spritzgussmaschine kommen. Dies kann je nach Schadensbild zu einem l?ngerfristigen und teuren Produktionsausfall führen. Die zum Patent angemeldete Funktion ?Fehlerreaktion auf Geberbruch“ wurde entwickelt, um genau dieses Problem zu l?sen. Die Reglerfirmware in den Servoumrichtern prüft alle Mikrosekunden den Status des Gebers.

Im Falle eines Geberfehlers schaltet sie automatisch von der Closed-loop-Regelung in den U/f-Betrieb um. Anschlie?end wird sofort, je nach Parametrierung des Reglers, das System abgebremst und zum Stillstand gebracht. Gleichzeitig kann über den Feldbus eine Information an die Steuerung gesendet werden. Diese sorgt dafür, dass die Maschine geregelt und synchron herunterf?hrt. So wird der Schlie?vorgang ohne Sch?den beendet und die Maschine kommt zum Stehen.

Gantry - Antriebsl?sung

Die Bewegung der Einspritzachsen wird bei gr??eren Spritzgussmaschinen h?ufig über zwei Gantry-Achsen realisiert. So l?sst sich die Kraft auf zwei Achsen aufteilen. F?llt eine Achse aus, und die andere f?hrt weiter, verkantet sich die Einspritzachse. Dies kann mechanische Sch?den zur Folge haben. Hohe Reparaturkosten und Produktionsausf?lle k?nnen entstehen. Die ?Gantryfunktion mit synchroner Fehlerreaktion“ vermeidet das Verkanten. Beide Achsen agieren - selbst bei Fehlern - immer synchron, also zeit- und bewegungsgleich. Dies passiert automatisch nach Erkennen eines Fehlers und ohne zeitliche Verz?gerung. Sobald der Fehler beseitigt wurde, k?nnen die Achsen wieder im Gantry-Betrieb weiterverfahren. So k?nnen Sch?den an der Mechanik erst gar nicht entstehen.

Auch die Regler-Funktion ?PWM-Frequenzumschaltung“ ist für den Einspritzvorgang sinnvoll. Sie kommt beim Druck- bzw. Drehmomenthaltevorgang bei kleinen Drehzahlen zum Einsatz und verl?ngert die Lebensdauer der IGBT-Einheiten. Weiterer Vorteil sind die verringerten IGBT-Verluste und die verl?ngerte Drehmoment- bzw. Druckhaltedauer. Durch das Herunterschalten der Standard-Pulsweitenmodulation von 4 auf 2 kHz kann das Moment l?nger gehalten werden.

Den Maschinenbediener zu schützen, hat oberste Priorit?t. Daher wird die Maschine mithilfe von antriebsintegrierten Safety-Funktionen überwacht. Bei Gefahren wird sie mithilfe des Reglers geregelt heruntergefahren und abgeschaltet. Neben der verfügbaren Funktion STO erm?glicht beispielweise die Funktion Safe Limited Speed (SLS) eine sicher begrenzte Geschwindigkeit. Diese und weitere Sicherheitsfunktionen k?nnen über eine Hardwareverdrahtung oder über ein sicheres Protokoll des Feldbusses (FSoE = Fail Safe over EtherCAT) angesteuert werden.

Haben Sie noch Fragen?

Marcel M?ller
Branchenmanager Kunststoffmaschinen