Lineares Antriebssystem Eine Revolution in der Aktorik

Naxture soll die Aktorik revolutionieren. Dazu inspiriert hat die menschliche Hand, deren Muskeln extrem wenig Leistung auf kleinem Raum benötigen, um hohe Kraft oder Geschwindigkeit aufzubringen – ganz flexibel nach Bedürfnis.

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Die menschliche Hand ist extrem flexibel, kann kraftvoll zupacken oder schnell greifen. All das mit weniger als zwanzig Watt Leistung, die auf kleinstem Raum in der Muskulatur des Unterarms entsteht. Das sollte doch mit Aktorik auch möglich sein – dachten sich die Aktor-Experten von Metismotion.

Leistungsspektrum der menschlichen Hand bisher nicht abbildbar

Betrachtet man allerdings den derzeitigen Stand der Technik, der bei Roboterhänden oder der Prothetik vorherrscht, holt einen die Realität schnell ein. Die Hand weist 27 Bewegungsfreiheitsgrade auf – mit technischer Antriebstechnik erreicht man entweder nur einen Bruchteil der Freiheitsgrade oder kommt an die benötigten Kräfte nicht heran. Zudem liegt die Leistungsversorgung meist im Kilowattbereich. Hinzu kommt, dass die menschliche Hand einerseits fähig ist, ein rohes Ei festzuhalten, und andererseits auf einer Baustelle stundenlang einen Presslufthammer betätigen kann. Dieses Leistungsspektrum war in der Aktorik bisher nicht abbildbar.

Bei Metismotion fing man daher an, sich immer mehr mit dem Aktorik-Thema zu beschäftigen. Wo sind die konzeptionellen Unterschiede zu anderen Antriebstechniken wie der Elektromagnetik, Hydraulik und Pneumatik?

Ein Elektromotor eignet sich ideal dazu, über ein sehr breites Drehzahlspektrum ein hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen. Das kann die Hand gar nicht. Denn entweder man greift etwas mit einer gewissen Kraft, aber reduzierter Geschwindigkeit – oder man bewegt sich schnell, aber mit geringer Krafteinwirkung. Bei Anwendungen, bei denen eine hohe Kraft und eine hohe Geschwindigkeit benötigt werden, sind der Elektromotor oder auch hydraulische und pneumatische Antriebssysteme überlegen.

Aktorik bringt viel Kraft bei wenig Leistung auf

Wann kommt jetzt also die Aktorik nach Vorbild des menschlichen Muskels ins Spiel? In industriellen Anwendungen ist es nicht immer der Fall, dass man sowohl eine enorme Kraft als auch eine hohe Geschwindigkeit gleichzeitig benötigt. Bleiben wir wieder bei der menschlichen Hand als Beispiel: Greift diese nach einer Kaffeetasse, benötigt sie zunächst eine hohe Geschwindigkeit, um zur Tasse zu gelangen. Zum dann folgenden Greifen ist keine Geschwindigkeit notwendig, aber Kraft, um die Tasse zu halten. Physikalisch gesehen muss dafür kaum Leistung aufgebracht werden. Sollen diese Anforderungen aber mit einem elektromagnetischen Antriebssystem abgebildet werden, benötigt man dennoch extreme Leistungsreserven. Das bedeutet, das System wird sehr groß, schwerfällig, mit hohen Trägheitsmomenten – also insgesamt sehr ineffizient.

Ein konkretes Beispiel dafür ist die Robotik. Hier muss man mit konventionellen Antriebssystemen oft mit hohen Übersetzungen arbeiten. Getriebe müssen daher meist sehr groß dimensioniert werden – oft sogar überdimensioniert. Das kostet Bauraum und bringt Gewicht mit sich – zwei Eigenschaften, die man in der Robotik gar nicht gebrauchen kann.

Ziel von Metismotion war es also, ein Antriebskonzept zu entwickeln, das von Grund auf eine sehr niedrige Leistung benötigt, gleichzeitig aber die Arbeitspunkte „hohe Geschwindigkeit“ oder „hohe Kraft“ bedienen kann.

So entstand Naxture. Ein Lösungsbaukasten für ein Antriebssystem, das die Kraft-Geschwindigkeitskennlinie eines menschlichen Muskels imitiert. Die Besonderheit: Naxture kombiniert die Vorzüge von Festkörperaktorik mit Mikrohydraulik. Das heißt, sehr hohe Kraft- und Leistungsdichte, Robustheit sowie hohe Dynamik und Präzision der Aktorik vereinen sich mit einem längeren Bewegungsbereich, also größeren Hüben – dank Mikrohydraulik.

Denn Festkörperaktorik verfügt nur im Bereich einiger zehn Mikrometer über ein gutes Leistungspotenzial. Die Mikrohydraulik erweitert diesen Bereich auf mehrere zehn Millimeter. Zudem ist man frei in der Skalierung der Arbeitspunkte. Kraft- und Geschwindigkeitsanforderungen können dank der Hydraulik einfach adaptiert werden. So haben es die Aktor-Experten von Metismotion geschafft, die Kraft-Geschwindigkeitskennlinie eines menschlichen Muskels nachzubilden – eine Revolution in der Aktorik.

Aktor arbeitet selbstständig am idealen Arbeitspunkt

„Das spannende an dem Konzept ist, dass sich die Anwendung selbst den idealen Arbeitspunkt sucht. Man muss keinen Modus umschalten oder Kraft bzw. Geschwindigkeit regeln“, erklärt Patrick Fröse, Geschäftsführer der Metismotion GmbH. „In dem Moment, in dem der Aktor eine Gegenkraft erfährt, reduziert sich die Geschwindigkeit auf diesem Punkt und der Arbeitspunkt stellt sich ein. In dem Moment, in dem keine Gegenkraft mehr vorhanden ist, wird automatisch mit einer höheren Geschwindigkeit gearbeitet.“ Das System bewegt sich somit immer im Optimum der Leistungsabnahme im Kennfeld des Aktors – so wie es der menschliche Muskel eben auch macht.

Ein interessanter Nebeneffekt: Im Betrieb fallen mit nur einigen Kelvin quasi keine hohen Temperaturen an. Dies sieht in der Elektromagnetik ganz anders aus. Wird bei wenig Geschwindigkeit viel Kraft oder ein hohes Drehmoment erzeugt, wird viel nicht benötigte Energie einfach in Wärme umgewandelt. Die typischen Temperaturprobleme in Anwendungen mit Elektromotoren sind weitreichend bekannt. Bei Naxture entfällt diese Thematik der Wärmeabfuhr und Kühlung komplett.

Metismotion hat mit Naxture nicht nur einen revolutionären Aktor entwickelt, sondern hat das gesamte System in Standardmodulen aufgebaut und bringt damit eine serienreife Plattform auf den Markt, die es ermöglicht, Kunden schnell und einfach individuelle Aktor-Lösungen zusammenstellen zu können.

Folgende Module stehen zur Verfügung:

• 1. Elektrohydraulischer Wandler – ist das Kraftwerk jedes Naxture-Aktors.

• 2. Flusssteuereinheit – hier werden Funktionen konfiguriert, die dynamischen Eigenschaften des Systems bestimmt und die Zusammenschaltung mehrerer elektrohydraulischer Wandler in Funktionen übersetzt.

• 3. Antriebseinheit – ist die Schnittstelle zum Kundensystem (entweder mechanische Leistungeentnahme, z. B. durch einen Kolbenzylinder, oder Einbindung in das vorhandene hydraulische System des Kunden).

• 4. Aktrogehäuse – verbindet den elektrohydraulischen Wandler mit den Elementen der Fluidsteuereinheit und der Abtriebseinheit; die Geometrie lässt sich flexibel anpassen.

• 5. Elektronik – Schnittstelle zwischen Kundensystem und Aktor; das Modul nimmt Spannungsversorgung und Steuersignale für eine bedarfsgerechte Ansteuerung auf.

Metismotion bloggt: aktuelle Trends und Highlights

Auf der Webseite von Metismotion veranschaulichen konkrete Auslegungsbeispiele die Technik hinter Naxture und verdeutlichen, wo der Aktor seine Vorzüge vor allem ausspielt.

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Elektrohydraulische Kompaktzylinder können nicht mithalten

„Vor allem bei nicht-linearen Kraft-Geschwindigkeitsanforderungen können wir extrem kompakt bauen, weil wir nur die Leistung benötigen, die mechanisch wirklich notwendig ist“, betont Patrick Fröse. Selbst die derzeit am Markt aufstrebenden elektrohydraulischen Kompaktzylinder können mit dieser Baugröße nicht mithalten. „Die Kombination aus Präzision, Robustheit, Kompaktheit und langer Lebensdauer machen Naxture einzigartig“, fasst der Geschäftsführer die Vorteile noch einmal zusammen.

Im Sommer 2021 wurde Naxture auf dem Markt gelauncht. Wer neugierig geworden ist, kann auf der Webseite des Unternehmens mithilfe eines Mustertools Beispielkonfigurationen ausprobieren. Oder sich durch mögliche Anwendungsbereiche scrollen und sich dabei inspirieren lassen, wo die einzigartige Technologie des menschlichen Muskels in der Industrie Einzug halten könnte.

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