Elektrozylinder Miniatur-Steckverbinder automatisiert fertigen mit E-Antrieben von Ortlieb

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Eine neuartige Spritzgießanlage zur Herstellung von Miniatur-Steckverbindern stellte die Maschinenbauer vor besondere Herausforderungen – vor allem, als es um den Automatisierungsprozess ging. Einen entscheidenden Beitrag dazu lieferte Antriebstechnik von Ortlieb.

Gut 95 Prozent der feinwerktechnischen Bauelemente, Steckverbinder-Systeme und Baugruppen der der H&B Electronic GmbH & Co. KG sind spezifisch auf die Anwendung und den späteren Einsatz zugeschnitten. Bei zu produzierenden Jahresstückzahlen von wenigen Tausend bis zu mehreren Millionen Stück dieser sogenannten Kunststoff-Metall-Hybridteile „bieten wir das komplette Spektrum der Kontaktierungstechnik – nicht von der Stange, sondern entwickelt im Kundenauftrag“, betont Hans Böhm, Geschäftsführer und Gesellschafter der H&B Electronic GmbH & Co. KG.

Schlüssel zum Erfolg ist für Böhm seit über 20 Jahren die Ausbildung eigener Mitarbeiter. Einer von ihnen ist Thomas Weinmann, der vor 23 Jahren schon sein duales Studium bei H&B absolvierte und jetzt als Leiter des Sondermaschinenbaus für die neue Anlage verantwortlich ist. Unter seiner Anleitung konzipierte, konstruierte und montierte Dennis Baral als erstes großes Projekt nach seinem Mechatronikstudium eine Sonderspritzgießmaschine. Bei der Umsetzung des Projekts suchte Baral nach hochpräzisen Komponenten, etwa zur Realisierung anspruchsvoller linearer Bewegungen innerhalb der Anlage. Fündig wurde er bei der Firma Ortlieb, einem Spezialisten für elektrische Antriebstechnik, deren mechatronische Antriebe bereits seit längerer Zeit für H&B eine Kerntechnologie darstellen.

Kontaktierungssystem für unterschiedliche Gehäusegrößen und -formen

H&B bekam von einem langjährigen Kunden den Auftrag zur Entwicklung einer elektrischen Kontaktierung für Industriesensoren. Gesucht wurde eine Lösung, um interne Elektronik beispielsweise von Lichtschranken anzuschließen. Typischerweise geschieht dies über M8/M12-Steckerschnittstellen, alternativ über einen Leitungsabgang. Die große Herausforderung bestand darin, ein Kontaktierungssystem zu entwickeln, das auf unterschiedliche Gehäusegrößen und -formen anwendbar ist.

Herausgekommen ist ein neuartiges Bauteil, dessen Herstellung jedoch den Spezialisten aus Deckenpfronn anfangs großes Kopfzerbrechen bereitete – standen sie doch vor der Aufgabe, vier ca. sechs Millimeter lange gestanzte Kontakte in ein Spritzgießwerkzeug einzusetzen, um daraus ein Bauteil mit den Abmaßen Ø 5 × 6 Millimeter zu fertigen. Schnell herrschte Einigkeit, dass dies mit den am Markt verfügbaren Spritzgießmaschinen nicht möglich ist, so wurde letztlich ein eigenes Werkzeug- und Maschinenkonzept erarbeitet. Die Besonderheit: das komplette Spritzgießwerkzeug wird nach dem Spritzvorgang aus der Spritzgießanlage entnommen.

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So funktioniert der Spritzvorgang der Miniatur-Steckverbinder

Zu Beginn des Produktionszyklus liegt das Werkzeug geöffnet und gut zugänglich außerhalb der Anlage. Die vier Kontakte werden in die untere Werkzeughälfte eingelegt, die obere wird aufgesetzt. Das zusammengesetzte Werkzeug dreht nun mit Hilfe eines Drehtischs in die Spritzgießanlage bis zur Spritzposition, wo ein eigens angeflanschtes Spritzaggregat das Einspritzen der Kunststoffschmelze übernimmt. Nach dem Abkühlen des Kunststoffs wird das Werkzeug wieder auf den Drehtisch abgelassen. Der Tisch dreht eine Station weiter. Dort wird das fertige Bauteil entnommen und das Werkzeug steht für den nächsten Zyklus bereit.

Der Serac-Antrieb von Ortlieb hebt dabei das Spritzgießwerkzeug aus dem Drehtisch. Da das Werkzeug gegen einen Festanschlag gedrückt wird, musste das Team zusätzliche konstruktive Maßnahmen vorsehen, um den Serac-Antrieb vor Überlast zu schützen. Die Lösung ist ein eingebautes Tellerfeder-Paket, von H&B selbst konzipiert. Neben dem Überlastschutz ermöglicht dieses Paket zusätzlich eine reproduzierbare und definierte Zuhaltekraft und verhindert somit sicher ein Öffnen des Spritzgießwerkzeugs beim Einspritzen des Kunststoffs durch den Spritzdruck.

Anlage lässt sich stufenweise erweitern – je nach Produktionsmenge

Das erarbeitete Konzept ermöglicht eine stufenweise Erweiterung der Anlage und erlaubt es, bestmöglich auf steigende Produktionsmengen zu reagieren. So wurde zum Serienstart zunächst die Vor- und Nachbereitung der Spritzgießwerkzeuge manuell durchgeführt. Geplant ist, angepasst an die Anlaufkurve der Serienproduktion, diese Tätigkeiten in weiteren Ausbaustufen sukzessive durch Teilautomatisierungen zu ersetzen.

Bei der kompletten Umsetzung der neuen Maschine kam H&B die Firmenphilosophie der eigenen Fertigungstiefe zugute. Diese besagt, dass möglichst alle Prozesse, die für die Herstellung der Produkte von Relevanz sind, inhouse beherrscht sein sollen. So findet man alle Gewerke von Entwicklung und Konstruktion über Beschaffung der Einzelkomponenten, eigenen Formen- und Werkzeugbau, Steuerungsbau, Programmierung bis hin zum Sondermaschinenbau vor Ort in Deckenpfronn. Das schafft kurze Wege, Kompetenz und schnelle Lösungsmöglichkeiten. Was nicht selbst gebaut wird, wird auf Basis guter Erfahrungen von langjährigen Zulieferern wie Ortlieb zugekauft.

Mechatronische Antriebstechnik von Ortlieb Präzisionssysteme

Die Ortlieb Präzisionssysteme GmbH & Co.KG bietet kundenorientierte, wirtschaftliche und präzise Produktlösungen in der mechatronischen Antriebstechnik. Mit hoher Fachkompetenz liefert das Unternehmen aus Zell unter Aichelberg in der Region Stuttgart seinen Kunden flexibel und schnell qualitativ hochwertige Antriebssysteme, auch Sonderlösungen mit höchster Kraftdichte „Made in Germany“.

Das hat auch H&B erkannt und hat bereits seit Jahrzehnten etwa 20 Antriebe von Ortlieb in seinen Fertigungsanlagen im Einsatz. „Prinzipiell wäre auch Hydraulik in unserer neuen Automatisierungslinie möglich gewesen“, so Weinmann, „aber die Vorteile der Serac-Elektrozylinder haben klar überzeugt.“ Sie können schnell anfahren, dennoch langsam weiterfahren, Rampen umsetzen, verschiedene Fahrprofile abbilden und natürlich die notwendige Kraft liefern und halten. Hydraulikzylinder dagegen erfordern eine aufwändige Installation, teure Ventiltechnik und verursachen häufig Schmutz und Lärm.

Ortlieb bietet mit der Baureihe Serac eine große Vielfalt an Elektrozylindern. In den 90er-Jahren ursprünglich für die Weltraumtechnik entwickelt ersetzen sie heute vor allem hydraulische Antriebe.

Elektrozylinder mit Planeten-Wälz-Gewindespindel als Herzstück

Die Serac-Elektrozylinder haben als Herzstück eine Planeten-Wälz-Gewindespindel (PWG), welche die Drehbewegung des Motors in eine lineare Bewegung umwandelt. Sie verbindet die Vorteile eines Planetengetriebes mit denen einer Linearspindel. So wird weniger Bauraum benötigt, die Einheit wird leichter und erreicht im Zylinder zusätzlich eine höhere Dynamik. PWGs benötigen kein Fluid, sind im Betrieb fast lautlos, auf jeden Fall aber wesentlich leiser als Hydraulik- oder Pneumatikzylinder und ermöglichen schnellere Taktzeiten. Zudem lassen sie sich µm-genau positionieren – selbst unter Last – und haben eine lange Lebensdauer. Die PWGs in Ortlieb-Antrieben werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen ohne Ausfall und Störungen viele Millionen Lastwechsel erfolgen müssen – auch im rauen 3-Schichtbetrieb.

Die optional integrierbare Wasserkühlung ist gerade bei 3-Schichtbetrieb oder unter Volllast ein Vorteil, können hier doch mitunter kritische Temperaturen erreicht werden, die eine Kühlung notwendig machen.

Auf dieser Technologie basierend ersetzen Serac-Elektrozylinder immer öfter Hydrauliklösungen, so auch in H&B-Anwendungen. Die Leistungsdaten des Antriebs zum Anheben und Zuhalten des Spritzgießwerkzeugs liegen bei Kräften von 8 kN, einem Verfahrweg von 24 mm in 0,15 s und einer Taktzahl von drei Hüben/min. Auch deshalb fiel die Wahl von H&B auf die Baureihe Serac LH30. Diese Baureihe bietet zudem bei einem Hub von 100 mm eine integrierte Verdrehsicherung und eine Haltebremse.

Einfach Integration in jede Steuerung

Auch bei der Programmierung der Applikation bietet der Ortlieb-Antrieb klare Vorteile. „Die Integration eines Fremdmotors hatte ich mir sehr viel schwieriger vorgestellt“, erklärt Daniel Künzler, Programmierer bei H&B. „Tatsächlich ist die Integration des Antriebs aber ganz einfach in jede Steuerung möglich. Man muss nur die Motorschnittstelle plus den Drehgeber definieren“, betont Künzler. Ist die absolute Position festgelegt, werden Parameter wie Beschleunigung, Verzögerung oder Geschwindigkeit über die Programmierung definiert. Der Kunde von Ortlieb hat hier viel Flexibilität. Er kauft den Antrieb und kann die Integration dann in jede beliebige Steuerung vornehmen. Lediglich die Konfigurationsdatei des entsprechenden Motors muss neu generiert werden. Über den entsprechenden Motorhersteller, in diesem Fall Ortlieb, geht das aber meist problemlos.

Jede Position lässt sich bei den Ortlieb-Antrieben individuell programmieren: Sowohl mit hoher Beschleunigung als auch insgesamt mit hoher Geschwindigkeit lässt sich die nächste Position anfahren. Sogar das Drehmoment lässt sich nebenbei überwachen. So ist in jeder Position ersichtlich, welche Leistung der Antrieb gerade abruft. Für die vorliegende Anwendung bedeutet dies einen großen Vorteil, lässt sich doch die Zuhaltekraft des Spritzgießwerkzeugs ohne aufwändige Kraftmessung mittels Drehmomentüberwachung überprüfen. Bei einer Abweichung des Drehmoments gibt die Maschine eine Fehlermeldung aus. Der Zuhaltevorgang wird gestoppt.

Linearantrieb

Ortlieb stellt neuen Elektrozylinder und angepasste Baureihe vor

Fahrprofile abzubilden heißt schnell und präzise reagieren zu können

Die Möglichkeit, Fahrprofile mit Serac abzubilden, stellt einen entscheidenden Vorteil beim Ausheben des Werkzeugs in der Spritzstation dar. Denn einerseits ist es hier aus Taktzeitgründen wichtig, das Spritzgießwerkzeug möglichst schnell auszuheben. Andererseits muss es auf den letzten Millimetern sanft mit der Zentrierung des Spritzaggregats ineinandergreifen.

„Insgesamt konnten wir uns die Zusammenarbeit mit Ortlieb nicht besser vorstellen“, da sind sich Weinmann und Künzler einig. Es gab zwei Probleme, auf die nach Rückfrage durch Ortlieb sofort reagiert wurde. Ein Weiterarbeiten war also ohne Verzögerung möglich. Hier liegt ganz klar die Stärke des Unternehmens, kurze Wege, klar definierte und verfügbare Ansprechpartner.

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