Industriestoßdämpfer Maßgeschneiderte Dämpfung für die Automatisierung

Ein Gastbeitrag von Robert Timmerberg M. A.*

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Der Schlüssel für den Erfolg besonders leistungsfähiger Dämpfungselemente im industriellen Einsatz sind Know-how der Stoßdämpfer-Ingenieure, Simulationstechniken sowie jahrzehntelange Weiterentwicklungen in Bereichen der Dichtungs- und Fluidtechnik, wie Industriestoßdämpfer von ACE zeigen.

Die Magnum Industriestoßdämpfer ACE umfassen sechs Produktfamilien mit verschiedenen Modellen, die sich etwa hinsichtlich Energieaufnahme, Bauform oder Temperaturbereich unterscheiden.
Die Magnum Industriestoßdämpfer ACE umfassen sechs Produktfamilien mit verschiedenen Modellen, die sich etwa hinsichtlich Energieaufnahme, Bauform oder Temperaturbereich unterscheiden.
(Bild: ACE Stoßdämpfer GmbH)

Die Automatisierung hat zuletzt rasante Fortschritte gemacht – auch dank leistungsstärkerer Antriebstechnik können Betriebe den Automatisierungsgrad bei Kleinserien und der Prototypen- und Einzelstückfertigung ausbauen. So nutzen viele Unternehmen automatisierte Prozesse, bei denen teils sehr schnelle Bewegungen mit sehr großen Massenkräften ausgeführt werden.

Was aber nützt die beste Antriebs- und Sensortechnik, wenn die kinetische Energie der bewegten Massen zu groß ist, um von den elektrischen Komponenten oder von der Pneumatik unmittelbar verzögert werden zu können? Was, wenn die Anlagen und Maschinen von Stromausfällen oder Hackerangriffen in voller Bewegung lahm gelegt werden?

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Für diese und andere Fälle setzen Konstrukteure hydraulische Komponenten wie Industriestoßdämpfer ein. Die ACE Stoßdämpfer GmbH hat vor fast 60 Jahren nahe Detroit in den USA die ersten einstellbaren Industriestoßdämpfer für Automobilhersteller gebaut. Heute gehört das Unternehmen mit Sitz in Langenfeld zur Stabilus Gruppe und bietet neben Dämpfern auch Komponenten wie Industriegasfedern, Rotationsbremsen, Klemmelemente sowie zahlreiche weitere Lösungen unter anderem zur Entkopplung von Schwingungen an. Die Klein- und Industriestoßdämpfer sind ein zentraler Geschäftsbereich geblieben. Nicht zuletzt, weil das einzigartige Know-how durch die Entwicklungsingenieure in den USA und Europa immer weiter ausgebaut worden ist.

So wird ein Katalogdämpfer zum kundenspezifischen Unikat

Ein Musterbeispiel dafür ist die seit 20 Jahren immer weiterentwickelte Magnum-Serie. Für hohe Ansprüche und Flexibilität konzipiert, besteht sie aus sechs Familien einstellbarer und selbsteinstellender Industriestoßdämpfer mittlerer Baugröße mit insgesamt 17 verschiedenen Grundtypen. Dabei deckt jede Produktfamilie andere Anforderungsbereiche ab. So gibt es spezielle Industriestoßdämpfer mit besonders hohen Energieaufnahmen, kompakter Bauform und stufenlosen Anpassungen genauso wie Modelle für extrem hohe und niedrige Temperaturbereiche.

Außerdem sind Ausführungen in Edelstahl für die speziellen Hygienevorschriften der Lebensmittelindustrie oder Medizintechnik auf Lager vorrätig. Diese unter Anwendern als Stoßdämpfer-Referenzklasse geltenden Komponenten haben eines gemeinsam: sie verzögern weich und konstant über den gesamten Hub. Dies führt zu einer maximalen Schonung der Gesamtkonstruktion und erlaubt ein schnelleres Verfahren von Maschinen und Anlagen. Einen zusätzlichen Pluspunkt des weichen Verzögerns von hydraulischen Dämpfern stellt deutlich leiseres Arbeiten dar.

Bewegungsenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt

Der Schlüssel für diese Vorzüge ist eine einzigartige Dämpfungstechnologie, wobei zunächst die Druckhülse zu nennen ist. Sie sorgt dafür, dass durch die aufschlagende Masse das verwendete Öl in ihr in Bewegung gesetzt und letztlich bei nahezu konstantem hydraulischem Druck Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Der Markt verlangt, dass dies in immer höherer Geschwindigkeit gelingt, da Konstruktionen effizienter und schneller werden sollen.

Um dies bei der Standardproduktfamilie MC33 bis MC64 mit den entsprechenden Gewindegrößen M33x1,5 bis M64x2 zu ermöglichen, verändern die Ingenieure von ACE unter anderem die Drosselbohrungen in der Art, dass das verwendete Öl in kürzester Zeit hinter den Kolben und in den Ausgleichsspeicher gelangt. Neben derlei Ölrückfluss- und Bohrungsoptimierungen spielt bei der Erhöhung der Taktzahlen auch die Hubverkürzung eine entscheidende Rolle. Es gelingt dem Langenfelder Unternehmen zum Beispiel durch die Modifikationen, die bereits guten Werte hinsichtlich Energieaufnahmen pro Hub bei den einzelnen Modellen von 170 Nm bis 6.780 Nm und die Aufprallgeschwindigkeiten von 0,02 bis 5 m/s pro Sekunde noch zu steigern. Konkret sind kundenspezifische Anwendungen mit Aufprallgeschwindigkeiten von 30 m/s und um bis zu 250 Prozent gesteigerten Energieaufnahmen realisiert worden.

Diese Steigerungen lassen sich dank des Know-hows von ACE und des spezifischen hochwertigen Aufbaus der Maschinenelemente nicht nur bei Magnum-Dämpfern, sondern auch bei Kleinstoßdämpfern und Sicherheitsstoßdämpfern von ACE realisieren. Solche Leistungssprünge werden jeweils kundenspezifisch und in enger Abstimmung mit den jeweiligen Anwendungspartnern umgesetzt.

Baukastensystem inklusive einzigartiger Simulationstechniken

In Simulationen am innen liegenden Dichtungspaket und der Druckhülse von Industriestoßdämpfern werden bei ACE individuelle Modifikationen sowie hochwertige und kundenspezifische Lösungen mit dem gewissen Extra bei der Leistung erzielt.
In Simulationen am innen liegenden Dichtungspaket und der Druckhülse von Industriestoßdämpfern werden bei ACE individuelle Modifikationen sowie hochwertige und kundenspezifische Lösungen mit dem gewissen Extra bei der Leistung erzielt.
(Bild: ACE Stoßdämpfer GmbH)

Um individuellen Anforderungen optimal zu entsprechen, setzt ACE neben der jahrzehntelangen Erfahrung und dem Wissen der Ingenieure auf Simulationssoftware. So kann das Forschungs- und Entwicklungsteam aus dem Rheinland eine Vielzahl von Parametern simulieren und ändern. Diverse Werte und Grafiken wie etwa Verzögerungskurven, Zeit-Weg- oder Stützkraft-Weg-Kurven werden Kunden zusätzlich zum individuellen Angebot zur Verfügung gestellt. Dabei fließen neben den Eigenschaften der Dämpfer und deren Verzögerungsverhalten auch andere relevante Komponenten der Konstruktion in die Simulationen mit ein. Dazu gehören an erster Stelle die verwendeten Antriebe, welche die Energie erzeugen, die es im weiteren Verlauf abzubauen gilt. Zweitens werden die Einsatzbedingungen genau beleuchtet.

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Für Anwendungen unter extremen Bedingungen außerhalb des Standardtemperaturbereichs von -12 °C bis 66 °C bietet ACE daher unterschiedliche Öle und Dichtungen, die auf 150 °C im oberen und -50 °C im unteren Bereich ausgelegt werden können. Für die Lebensmittelindustrie können zudem reinraumtaugliche Varianten mit Lebensmittelöl und einer NSFH1-Zulassung angeboten und vorab simuliert werden. Korrosionsgeschützte Varianten aus Edelstahl machen den Einsatz in besonders aggressiven Umgebungen oder Bereichen möglich, in denen das optische Erscheinungsbild zudem wichtig ist. Sonderzubehör rundet die Erweiterung von Einsatzmöglichkeiten ab. So erlauben Bolzenvorlagerungen Beaufschlagungen bis zu einem Winkel von 25 Grad ohne negative Auswirkungen auf Dichtungstechnik und Lebensdauer der Stoßdämpfer. Auch dies lässt sich im Vorfeld exakt berechnen und somit der Erfolg der Maßnahme vorhersagen. Gleiches gilt für die Verwendung von PU-Köpfen für einen zusätzlichen Schallschutz.

Größtmögliches Maß an Individualität in der Automatisierung

Dank dieses einzigartigen Baukastensystems in Kombination mit dem Ingenieur-Know-how und der Simulationssoftware kann ACE mit jeder Auslegung für ein größtmögliches Maß an Individualität in der Automatisierung sorgen und verwandelt auf Kundenwunsch hochwertige Standard-Industriestoßdämpfer in maßgeschneiderte Lösungen.

Dies gilt nicht nur für die genannten Magnum-Komponenten mit Gewinden in den Größen von M33 bis M64: Bei ACE stehen Konstrukteuren zusätzlich zehn Produktfamilien im Bereich der Kleinstoßdämpfer zur Verfügung, die ebenfalls bedarfsgerecht angepasst werden können, wie etwa das Beispiel einer kundenspezifischen Applikation bei einem Handlingsystem in der Mikroelektronik für den Transport von Wafern zeigt: Zehn Kleinstoßdämpfer von ACE schützen hier jede Linearachse.

Tuning für so gut wie jede Konstruktion

Die zehn Produktfamilien von ACE im Bereich der Kleinstoßdämpfer umfassen auch Dämpfungs- und Bremselemente aus Edelstahl, welche die strengen Anforderungen der Halbleitertechnologie und die Hygienevorschriften in der Medizintechnik oder Lebensmittelindustrie erfüllen.

Bestimmte Modelle der kompakten, wartungsfreien, hydraulischen Maschinenelemente arbeiten bei Bedarf auch direkt im Pneumatikzylinder. Sie senken die Belastung dort ebenso gut wie beim Einsatz in Miniaturschlitten, in Handhabungsgeräten und in vielen anderen industriellen Anwendungen.

Für hohe Standzeiten sorgen u. a. innovative Dichtungstechniken und die aus hochfestem, legiertem Stahl massiv und topfförmig aus dem vollen Material gefertigten Stoßdämpferkörper mitsamt Hochdruckhülsen. Neben reichlich Zubehör, wie z. B. Bolzenvorlagerungen, bietet ACE auch noch Sondergewinde, Sonderhübe und auf spezielle Anforderungen zugeschnittene Sonderausführungen.

Im Zuge der kundenspezifischen Anpassung von Kleinstoßdämpfern für bestmöglichen Schutz der Endlagen eines Handlingsystems führt ACE vor der Auslieferung der hydraulischen Maschinenelemente diverse Testläufe auf dem eigenen Prüfstand durch.
Im Zuge der kundenspezifischen Anpassung von Kleinstoßdämpfern für bestmöglichen Schutz der Endlagen eines Handlingsystems führt ACE vor der Auslieferung der hydraulischen Maschinenelemente diverse Testläufe auf dem eigenen Prüfstand durch.
(Bild: ACE Stoßdämpfer GmbH)

Viele Chip-Hersteller arbeiten im Bereich der Handlingsysteme mit firmeneigenen Zulieferunternehmen. Diese können ohne zu hohes Risiko in die Fertigungsprozesse eingeweiht werden und statten ihre Konstruktionen meist mit hochwertigen, bewährten Standardkomponenten für Antriebe, Steuerung und Linearachsen aus. Um letztgenannte durch robuste, mechanische, stromunabhängige Maschinenelemente, die auch in Reinräumen genutzt werden können, bestmöglich zu sichern, kommt es zu Kooperationen mit ACE – auch weil das Unternehmen aus Langenfeld neben vielfältigen Standardprodukten kundenspezifische Lösungen anbietet. Diese passt ein erfahrenes Ingenieurteam von ACE den Erfordernissen der Halbleiterhersteller an, indem jede Komponente per Software präzise ausgelegt und dann im Prüflabor von ACE getestet wird. So stellt man gemeinsam mit den Kunden sicher, dass alle Produktionsachsen wirksam geschützt sind, um Schäden beim Handling auszuschließen.

Enge Zusammenarbeit mit dem Kunden

Für die Chipfertigung werden bei der betreffenden Applikation hochpräzise, reibungsfreie Achsen in dem Handlingsystem verbaut. Die X- und Y-Achse dürfen laut Hersteller im Crashfall ebenso wie die Center-Pole-Achse (CP) nur mit maximal zulässigen Kräften belastet werden, damit die Gesamtanlage nicht beschädigt wird. Entsprechend waren bei dieser kundenspezifischen Applikation die Achsen mit drei verschiedenen Typen aus der Kleinstoßdämpferpalette von ACE auszurüsten: für die Y-Achse vier Kleinstoßdämpfer mit Gewinde M20, die X-Achse vier mit Gewinde M18 und zwei mit Gewindegröße M25 für die CP-Achse.

Zunächst ermittelte ACE zusammen mit dem Kunden für jede der drei Achsen den passenden Dämpfertyp, der den genauen Spezifikationen zu entsprechen hatte, die seitens des Kunden genannt wurden. Zusätzlich wurde den Ingenieuren von ACE die maximal tolerierte Stützkraft im Crashfall vorgegeben. Im Fall der Y-Achse waren es beispielsweise die folgenden Parameter, die jeweils auf einen Dämpfer heruntergebrochen wurden: Masse m = 95,85 kg und Geschwindigkeit v = 1,08 m/s, was einer kinetischen Energie von 55,90 Nm entspricht. Die maximal erlaubte Stützkraft für diese Achse betrug 5.700 Nm.

Weitere Maschinenelemente mit ACE-Dämpfungstechnik

Neben den aufgeführten Klein- und Industriestoßdämpfern gibt es im Unternehmensbereich der Dämpfungstechnik von ACE zahlreiche weitere Lösungen. So ist das Unternehmen auch im Feld der Festköperdämpfer mit hochwertigen und innovativen Lösungen vertreten, wie die Strukturdämpfer der Tubus-Serien zeigen. Dies gilt ebenfalls für Stoßdämpfungsplatten und Palettenstopper.

Alle diese Lösungen lassen sich auf folgenden gemeinsamen Nenner bringen: Mit ihnen wird kinetische Energie in Wärme gewandelt, und die Bewegungen von Massenkräften werden je nach Anwendung optimal verzögert und abgebaut. Dadurch können Konstrukteure Maschinen schneller, leiser, langlebiger, leichter, preiswerter und somit wettbewerbsfähiger sowie profitabler machen.

Bestmöglicher Schutz für alle Achsen

Auf Basis dieser Angaben wurde in der Entwicklungsabteilung von ACE in einem zweiten Schritt das Bohrbild für den bei den genannten Massekräften und der Geschwindigkeit des elektrischen Antriebs in Frage kommenden Kleinstoßdämpfertypen entsprechend simuliert. Dabei gelang es, Energie und Geschwindigkeit gleichmäßig über den gesamten Hub von 14 mm zu verzögern und dabei die maximale Stützkraft auf ca. 5.300 N herunterzubringen. Die vorgegebenen Werte für den bestmöglichen Schutz der beiden anderen Achsen durch mechanische Komponenten konnte ACE ebenfalls erfüllen.

In einem dritten und letzten Schritt wurden die den Simulationsergebnissen entsprechend maßgeschneidert gefertigten Kleinstoßdämpfer nach ausgiebigen Tests an den Hightech-Kunden ausgeliefert.

* Robert Timmerberg M. A., Fachjournalist, plus2 GmbH, Düsseldorf

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