Stellzylinder Raffiniertes elektrisches Antriebskonzept ersetzt Hydraulik

Autor / Redakteur: Manfred Brucksch-Richter / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Ein Antriebskonzept mit elektrischen Stellzylindern anstelle der Hydraulik macht Verpackungsmaschinen von Commodore Technology flexibler, leistungsfähiger und effizienter.

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Die extrem leichten EPS-Verpackungen bestehen zu 98 % aus Luft und nur zu 2 % aus Polystyrol und sind daher optimal für Lebensmittel geeignet.
Die extrem leichten EPS-Verpackungen bestehen zu 98 % aus Luft und nur zu 2 % aus Polystyrol und sind daher optimal für Lebensmittel geeignet.
(Bild: rufar - Fotolia)

Commodore Technology aus Bloomfield, NY, stellt Tray Packer her, also Maschinen zum Verpacken von Lebensmitteln aller Art. Jeder kennt die darauf produzierten Schalen aus dem Supermarkt, in denen Fisch, Fleisch, Wurst, Obst oder Gemüse frisch und portioniert angeboten werden. Auch Fast Food- und Take Away-Gerichte werden in solche Verpackungen, die sich in verschiedensten Geometrien herstellen lassen, abgefüllt.

Die Schale (Tray) ist üblicherweise aus expandierbarem Polystyrol (EPS) gefertigt, besser bekannt als Styropor. Die extrem leichten EPS-Verpackungen bestehen zu 98 % aus Luft und nur zu 2 % aus Polstyrol und sind daher optimal für Lebensmittel geeignet, denn sie isolieren hervorragend gegen Kälte oder Wärme.

Auf den Anlagen aus dem Hause Commodore Technology werden im Tiefziehverfahren aus einer durchlaufenden Folie mit einem beheizten Werkzeug Polystyrol-Schalen von unterschiedlichsten Formaten und Formen gefertigt. Dieser thermische Prozess (Thermoformen) erfordert die Einhaltung genauer Kühl- und Härtezeiten. Um die für die jeweilige Verpackung gewünschte Materialstärke zu erzielen, ist eine konstante, je nach Form und Materialstärke stark variierende Druckkraft notwendig. Hierfür sind Prozessabläufe von höchster Präzision erforderlich, die nur mit hohem regelungstechnischem Aufwand erfüllt werden können.

Nachhaltigere Lösung gesucht

Der Antrieb der Thermoformer von Commodore Technology bestand bis vor Kurzem aus zwei gegenüber angeordneten Hydraulikzylindern. Mit dieser Antriebstechnik war man im Unternehmen nicht mehr zufrieden und suchte nach einer Alternative.

Gefordert war eine nachhaltigere Lösung, mit der sich die ungünstigen Eigenschaften der Hydraulik-Variante, beispielsweise mögliche Flüssigkeitsleckagen sowie eine hohe Wartungsfrequenz, vermeiden ließen. Zudem erhofften sich die Verantwortlichen von einer neuen Antriebstechnik eine höhere Leistung der Anlagen sowie eine Verbesserung der Qualität der EPS-Schalen in Sachen Stabilität.

Ein neues mechatronisches Antriebskonzept erfüllt nun alle Wünsche des US-amerikanischen Unternehmens: Die Hydraulik entfällt und die Verpackungsmaschinen sind leistungsfähiger effizienter als zuvor.

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Mechatronik-Module als Alternative zu Hydraulik- und Pneumatikzylindern

Das Systemhaus für Antriebstechnik A-Drive Technology GmbH befasst sich bereits seit 1990 zusammen mit seinen Partnern mit der Entwicklung von Mechatronik-Modulen als Alternative zu Hydraulik- und Pneumatikzylindern.

Die Bandbreite hydraulischer und pneumatischer Systeme lässt sich nicht mit nur einer Antriebstechnologie sinnvoll ersetzen, um Vorteile zu erschließen. Ziel der Entwicklungsarbeit von A-Drive ist es, bestehende Systeme zu übertreffen und durch die Optimierung die Mehrkosten auszugleichen, die durch den Einsatz elektrischer Stellzylinder entstehen.

Prozessqualität verbessern

Das komplette Antriebskonzept wurde von der A-Drive Technology GmbH, dem Systemhaus für Antriebstechnik aus Taunusstein, entwickelt. Das Herzstück sind zwei elektrische Stellzylinder, die eine energie- und umweltfreundliche Alternative zur Hydraulik bieten. Mit dem Einsatz elektrischer Antriebe ermöglichte A-Drive ein System, das zu Prozessverbesserungen führt. Der neue Antrieb lässt sich in Kraft, Geschwindigkeit und Position ausgezeichnet regeln. Dadurch verbessert sich die Prozessqualität deutlich. „Bei Einsatzfällen mit kurzen Verfahrwegen von 100 mm bis 300 mm bei gleichzeitig sehr hohen Vorschubkräften haben elektrische Systeme heute bereits in vielen Branchen Pneumatik und Hydraulik vollständig ersetzt“, erläutert Kurt Metz, Produktmanager Servoantriebe bei A-Drive.

Als optimale Lösung für die Thermoformer von Commodore Technology erwies sich der Stellzylinder Typ FT35-0410 der Marke Exlar. Merkmale dieses Stellzylinders sind der hoch belastbare Rollengewindetrieb sowie die Motoranbindung mittels Zahnriemen und Übersetzung 2:1.

Stellzylinder für Lebensmittelbereich konstruiert

Zur Anwendung im Lebensmittelbereich wird der Zylinder hier in einer Food-Grade-Ausführung aus der Aluminium-Legierung ALMgSi0,5 (alternativ ALMG3) oder aber mit lebensmittelechter Lackierung eingesetzt. Sein Rollengewindeantrieb erweist sich in rauer Industrieumgebung als besonders zuverlässig: Die hohe Zahl der Kontaktpunkte, die geführten Rollen und das Planetenprinzip ergeben einen extrem steifen Präzisionsantrieb mit Bestnoten bei Beschleunigung und Geschwindigkeit.

Mithilfe von zwei elektrischen Stellzylindern der FT-Serie von Exlar konnte A-Drive bei Commodore Technologies deutliche Verbesserungen in der Prozessqualität erreichen.
Mithilfe von zwei elektrischen Stellzylindern der FT-Serie von Exlar konnte A-Drive bei Commodore Technologies deutliche Verbesserungen in der Prozessqualität erreichen.
(Bild: A-Drive)

Betrieben wird der elektrische Stellzylinder von einem Servomotor. Die Motoranbindung über Zahnriemenantrieb mit Übersetzung 1:2 erhöht die Kraft und schützt gleichzeitig den Gewindetrieb im Falle einer Kollision. Aufgrund der hohen Kontaktzahl des Rollengewindetriebes liegt die dynamische Tragzahl weit höher als beispielsweise bei Kugelgewindetrieben. Wartung und Nachschmierung des Zylinders erfolgen besonders anwenderfreundlich durch eine Inspektionsöffnung mit Schmiernippel.

Insgesamt überzeugt diese Antriebslösung durch eine Reihe von Verbesserungen: Der vereinheitlichte, bereits in anderen Achsen bei Bloomfield eingesetzte Servomotor hat, zusammen mit dem Konzept „Motor extern“, den Vorteil, dass Verfügbarkeit und Service vereinfacht und damit Kosten reduziert werden. Auch lässt sich dadurch der Aufwand für die Integration in die Maschine und das Gesamtsystem erheblich verringern.

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Mechatronik-Module als Alternative zu Hydraulik- und Pneumatikzylindern

Das Systemhaus für Antriebstechnik A-Drive Technology GmbH befasst sich bereits seit 1990 zusammen mit seinen Partnern mit der Entwicklung von Mechatronik-Modulen als Alternative zu Hydraulik- und Pneumatikzylindern.

Die Bandbreite hydraulischer und pneumatischer Systeme lässt sich nicht mit nur einer Antriebstechnologie sinnvoll ersetzen, um Vorteile zu erschließen. Ziel der Entwicklungsarbeit von A-Drive ist es, bestehende Systeme zu übertreffen und durch die Optimierung die Mehrkosten auszugleichen, die durch den Einsatz elektrischer Stellzylinder entstehen.

Umweltfreundliche Maschine

Der Einsatz des elektrischen Stellzylinders reduziert das Risiko von Kontaminierung und macht die Maschine umweltfreundlicher. Die exzellente Regelbarkeit der Stellzylinder ermöglicht einen stabilen Prozess des Thermoformens.

Darüber hinaus wurden die Flexibilität und die Einsatzbreite des Tray Packers verbessert, da jetzt verschiedene Schalentiefen ohne Umrüstung auf ein und derselben Maschine hergestellt werden können. „Die zuvor verwendeten Hydraulikzylinder erlaubten nur eine stufige Einstellung des Verfahrwegs. Jetzt ist eine exakte stufenlose Regelung möglich, mit der sich die Verfahrwege perfekt an die jeweiligen Schalentiefen anpassen lassen“, erklärt Metz.

Ausstoß der Anlage um 85 % gesteigert

Die präzisere Positionsregelung reduziert die Zykluszeiten und erhöht damit weiter die Leistungsfähigkeit der Thermoformer: Der Ausstoß der Anlagen wurde von 20 auf 37 Einheiten um enorme 85 % gesteigert. Auch der für einen thermischen Prozess kritische Zeitablauf kann jetzt genau auf die mit Sensoren erfassten Temperaturen abgestimmt werden. Insgesamt führt dies dazu, dass trotz einer leichten Reduzierung der Materialstärke die Stabilität der Schalen deutlich verbessert wurde. Der geringere Materialeinsatz, zusammen mit der schnelleren Aushärtung der EPS-Verpackungen, trägt ebenso zu einer Steigerung des Ausstoßes bei.

Neben der erhöhten Leistungsfähigkeit der Anlagen bietet die veränderte Antriebstechnik weitere Vorteile: Bei Hydraulikantrieben lässt sich ein Leckagerisiko nie vollständig vermeiden. Dieses Risiko besteht beim neuen Antriebskonzept nun nicht mehr. Dadurch lassen sich die im Lebensmittelbereich besonders strengen Hygienevorgaben sowie bestehende Umweltanforderungen leichter erfüllen. Durch diese Veränderung bei gleichzeitig entsprechend großzügig dimensionierten Zylindern konnte der Wartungsbedarf der Commodore-Thermoformer deutlich reduziert werden.

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Das Systemhaus für Antriebstechnik A-Drive Technology GmbH befasst sich bereits seit 1990 zusammen mit seinen Partnern mit der Entwicklung von Mechatronik-Modulen als Alternative zu Hydraulik- und Pneumatikzylindern.

Die Bandbreite hydraulischer und pneumatischer Systeme lässt sich nicht mit nur einer Antriebstechnologie sinnvoll ersetzen, um Vorteile zu erschließen. Ziel der Entwicklungsarbeit von A-Drive ist es, bestehende Systeme zu übertreffen und durch die Optimierung die Mehrkosten auszugleichen, die durch den Einsatz elektrischer Stellzylinder entstehen.

Weitere Optimierungen geplant

„Die Umrüstung der Thermoformer auf den elektrischen Stellzylinder rechnet sich auf ganzer Linie. Das geregelte Antriebssystem mit dem elektrischen Stellzylinder erweitert das Anwendungsspektrum der Anlagen und erhöht den Output. Durch reduzierte Wartungskosten und verlängerte Laufzeiten ergeben sich für die Anwender der Thermoformer weitere Einsparungen. Damit werden die auf den ersten Blick höheren Kosten für den Stellzylinder schnell kompensiert“, fasst Metz zusammen.

Und weil das ausgearbeitete Paket durch Effizienz und Nachhaltigkeit überzeugt, denkt man bei Commodore Technology bereits an das nächste gemeinsame Projekt: Zukünftig ist die Umstellung auf besonders kompakte Stellzylinder der Baureihe GSX mit extrem hoher Kraftdichte geplant, um die Baugröße der Anlagen weiter zu reduzieren.

Auch sind durch die jetzt optimierte Auslegung geringere Kräfte erforderlich, die den Einsatz eines kleineren Stellzylinders erlauben. Außerdem wird darüber nachgedacht, dezentrale Technik zum Einsatz zu bringen, die die Installationskosten der Maschinen weiter reduzieren soll. (sh)

* Manfred Brucksch-Richter ist Manager Business Development bei der A-Drive Technology GmbH in Taunusstein

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