Ersatz für pneumatische Bremsen High-Speed Bremsen durch smart Materials

Autor / Redakteur: Bernd Rachor und Alexander Czechowicz / Stefanie Michel

Wenn pneumatische Systeme beispielsweise in Werkzeugmaschinen wegfallen, muss eine andere Lösung für die Klemmsysteme in Linearführungen gefunden werden. Eine Möglichkeit mit hoher Krafterzeugung sind Formgedächtnislegierungen, die solche Linearbremssysteme blitzschnell machen.

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Bild 1: Alternative zur pneumatisch betriebenen Klemmung: Hema testet mit den Prototypen Linclamp G-SMA (links) und Linclamp K-SMA (rechts) zwei unterschiedliche Konzepte mit Formgedächtnislegierungen.
Bild 1: Alternative zur pneumatisch betriebenen Klemmung: Hema testet mit den Prototypen Linclamp G-SMA (links) und Linclamp K-SMA (rechts) zwei unterschiedliche Konzepte mit Formgedächtnislegierungen.
(Bild: ZAF - Zentrum für angewandte Formgedächtnistechnik)

In Linearführungen spielen Klemmsysteme zum Schutz von Mensch und Maschine eine große Rolle. Sie sollen den linearen Verfahrschlitten in Gefahrensituationen, aber auch in programmierten Situationen schnell, zuverlässig und präzise anhalten. Robuste und zuverlässige Systeme auf Basis pneumatischer Federstahlmembranen haben sich auf dem Markt durchgesetzt. So sind Produkte der Linclamp-Serie von Hema Maschinen- und Apparateschutz hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Flexibilität bekannt.

Prototypen von Klemmsystemen nutzen Formgedächtnislegierungen

Mit den neuen Herausforderungen an Miniaturisierung, Elektrifizierung und Digitalisierung von Werkzeugmaschinen geht allerdings der Trend zum Wegfall pneumatischer Systeme. Eine zukünftige Perspektive hat nun die Firma Hema in exklusiver Zusammenarbeit mit dem Zentrum für angewandte Formgedächtnistechnik entwickelt: Die Linclamp K-SMA und die Linclamp G-SMA sind zwei Prototypenreihen, deren Hauptantrieb durch Formgedächtnislegierungen anstatt mit pneumatischen Elementen realisiert wurde.

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Doch was sind Formgedächtnislegierungen überhaupt? Formgedächtnislegierungen (FGL) sind smarte Materialien, die beim Überschreiten einer kritischen Temperatur linear eine Phasenumwandlung durchführen. Dadurch kommt es zu einer Änderung der Gestalt, die mit einer enormen Krafterzeugung einhergeht. Bild 2 zeigt ein einfaches Beispiel: Der unscheinbare Draht wird in ein Becken mit 90 °C warmem Wasser gelegt. Nach nur 34 ms ist er bereits in eine vorher eingeprägte Form, die einer Büroklammer, umgewandelt.

Zwei Konzepte für den Klemmvorgang

Diesen Effekt zeigt Bild 3 schematisch: Hier wird ein gerader FGL-Draht mit einer Stahlfeder vorgespannt. Erhitzt man das System (durch warme Medien oder durch elektrischen Stromfluss), wandelt es sich in eine Kurzform des Drahtes. Hierbei ändert sich der elektrische Widerstand dieses smarten Werkstoffes so stark, dass man diesen als Zustands- oder Wegsensor direkt mit verwenden kann.

Der Effekt wird heutzutage in Elektronikprodukten wie Tablets, Ventilsteuerungen oder Türschließsystemen in Serie eingesetzt, wobei die Zyklenzahlen 250.000 Schaltvorgänge überschreiten. Die beiden entwickelten Prototypenreihen nutzen unterschiedliche Konzepte zur Realisierung des Klemmvorgangs.

Im Linclamp G-SMA wird ein flexibler FGL-Drahtaktor in einem Bowdenkabel eingesetzt, um ein komplexes mechanisches Getriebe zu schalten. Dieses Getriebesystem formt eine Stellbewegung von 15 mm Hub und 80 N Kraft in eine Bremskraft von 2 kN und einen Bremsweg bis zu 0,3 mm je Bremsbacke. Über ein Kondensatorsystem, welches auf den FGL-Draht entladen wird, wird die Auslösereaktion erzeugt. Die Entladung erfolgt auf Steuerbefehl der übergeordneten Anlagensteuerung hin oder bei Stromausfall. Durch die Elektrifizierung des FGL-Drahtes erwärmt sich dieser auf eine Temperatur von über 110 °C innerhalb von weniger als 40 ms. Dabei erzeugt er die Stellbewegung, die für die Bremskraftentwicklung notwendig ist.

Prototyp mit mehreren Drahtaktoren aktiviert Bremse in 20 ms

Im Linclamp K-SMA werden zwei unterschiedliche FGL-Drahtaktortypen eingesetzt (siehe Bild 5). Eine Vorspannkraft in Höhe von bis zu 4 kN wird durch zwei 2 mm dicke FGL-Drahtaktoren (Kraftaktoren) erzeugt. Diese halten die Bremse aktiv offen. Um sie auf konstanter Temperatur zu halten, werden sie über hierfür speziell entwickelte Heizelemente energieeffizient und geregelt auf Sollniveau gehalten. Durch einen dritten FGL-Draht (Auslöseaktor) wird eine komplexe Entriegelungsmechanik nach einem Kugelschnappprinzip aktiviert, die eine Verbindung zwischen der Vorspannkraft und der Bremsmechanik trennt. Da der Auslöseaktor mit einem sehr dünnen FGL-Draht betrieben wird, benötigt dieser nur einen vergleichsweise geringen Stromimpuls, um die Entriegelung zu schalten.

In Testversuchen zeigte sich, dass besonders die Linclamp K-SMA Prototypenserie eine Aktivierungszeit der Bremseinheit von weniger als 20 ms ermöglicht, was im Bereich von etwa 10 % der heutigen Aktivierungszeit liegt. Gleichzeitig setzen beide Entwicklungspartner auf das Potenzial zukünftiger Systeme in Geräten ohne Pneumatikanlagen.

Einsatz in linearen Verfahrtischen

Ein erstes mögliches Einsatzszenario hat das Projektteam auch schon vorgesehen: Bei Tischkreissägen werden lineare Verfahrtische oft durch Menschenhand verschoben. Um hier ein Sicherheitsbremssystem zu betreiben ist nicht immer ein Druckluftkompressor vorhanden. Daher müssen hier rein elektrische Schutz- und Bremssysteme eingesetzt werden. Bild 5 zeigt das Einsatzszenario: Ein Positionssensor stellt über eine RFID oder optische Auswertung fest, ob eine Benutzerhand sich dem Kreissägeblatt nähert. Unterschreitet der Abstand eine Sicherheitsvorgabe, bremst der Verfahrtisch ab, sodass eine gefährliche Näherung der Hand an die Kreissägezähne nicht möglich wird. Die Bremsung erfolgt rein elektrisch und kann sowohl zur Sicherheitsauslösung als auch zu einer haptischen Rückmeldung einer voreingestellten Schnitttiefe eingesetzt werden.

Das Zentrum für angewandte Formgedächtnistechnik (ZAF) auf der Hannover Messe 2017: Halle 2, Stand A09 (Landesgemeinschaftsstand Nordrhein-Westfalen)

* Dipl.-Ing. Bernd Rachor ist zuständig für Entwicklung & Konstruktion Klemmsysteme bei der Hema Maschinen- und Apparateschutz GmbH in Seligenstadt; Dr.-Ing. Alexander Czechowicz ist Bereichsleiter Formgedächtnistechnik am ZAF - Zentrum für angewandte Formgedächtnistechnik an der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. in 42859 Remscheid

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