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Hydraulische Pressen Was Sie über die Sicherheit hydraulischer Pressen wissen sollten

Autor / Redakteur: Prof. Manfred Wanzke* / Jan Vollmuth

Die derzeit geltenden Kriterien für die Sicherheit von hydraulischen Pressen sind ungenügend, warnt Autor Prof. Manfred Wanzke. Der Artikel erklärt, wo hier typische Fehlerquellen liegen und welche Auswirkungen sie haben können.

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Ein von Wanzke entwickeltes hydraulisches Antriebssystem erkennt automatisch jeden ungewollten Bewegungsablauf des Stößels und verhindert das Durchführen der Funktion.
Ein von Wanzke entwickeltes hydraulisches Antriebssystem erkennt automatisch jeden ungewollten Bewegungsablauf des Stößels und verhindert das Durchführen der Funktion.
(Bild: Wanzke)

Hydraulische Pressen werden seit Jahrzehnten in der spanlosen Fertigung eingesetzt und werden hydraulisch angetrieben und gesteuert. Die ersten hydraulischen Maschinen, die in der gesamten Entwicklungsphase gebaut wurden, wurden bis in die 50er Jahre mit Handhebelventilen und Fußhebelventilen gesteuert. Diese werden teilweise bis heute für einfachste Anwendungen gebaut.

Auf einheitliche Anschlussbilder geeinigt

Mit der Entwicklung der Ventiltechnik haben elektromagnetisch gesteuerte Ventile in hydraulische Steuerungen Einzug genommen. Diese Ventile waren werkseigene Entwicklungen und konnten nicht gegen andere Fabrikate ausgetauscht werden. Die fortlaufende Entwicklung der hydraulischen Komponenten schaffte eine Einigung unter den Ventilherstellern, indem man sich auf einheitliche Anschlussbilder geeinigt hat unter der Bezeichnung „Cetop“, die bis heute gültig ist.

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Durch das Fehlen von intelligenten hydraulischen Regelkomponenten wurden bis dahin hydraulische Pressen gebaut, die nur für die Zwecke von Biegen, Tiefziehen, Prägen und Verpressen genutzt wurden. Dies war Stand der Technik bis in die 1970er Jahre. In der fortlaufenden Entwicklung von hydraulischen Komponenten sind Regelventile hinzugekommen, die die Möglichkeit schufen, hydraulische Pressen dahingehend zu bestücken, dass diese für Stanzarbeiten in allen Bereichen der spanlosen Fertigung einsetzbar wurden. In der Hauptsache ging es darum, den Stößel so anzutreiben, damit der sogenannte Schnittschlag beim Durchtrennen der zu stanzenden Werkstoffe vermieden wird.

Sicherheitsproblematik Nachlaufzeit

Aufgrund der Schaltzeiten der Ventile gab es (und es gibt dieses Problem immer noch) beim Schalten zwischen der Bewegung Auf und Ab Nachlaufzeiten. Diese sind gefährlich, weil sie unkontrollierbar sind. In der Regel haben, je nach Größe, Ausführung und Antriebsart, hydraulisch angetriebene Pressen Nachlaufwege nicht selten bis zu 50 mm und mehr im Abwärtshub. Um diese Problematik zumindest teilweise zu beheben sind Vorspannelemente für die Gegendruckerhaltung eingebaut. Diese mindern die Presskraft und bringen damit eine höhere Erwärmung des Hydrauliköls mit sich. Damit ist eine weitere Leistungsminderungsquelle geschaffen, nämlich der Einsatz von Kühlern mit Luft oder Wasser.

Jahrzehntelang galt die Meinung und Vorschrift, dass zwei in Reihe geschaltete Ventile, versehen mit zusätzlichen Endstellungsüberwachungen (elektrisch oder elektronisch) die Sicherheit für die Stößelfunktion gewährleisten. Dies ist ein großer Irrtum, da es eine Vielzahl von Komponenten im Antriebsstrang gibt, die mechanisch miteinander verbunden sind und die Hauptursache für Fehlfunktionen und damit die Ursache für große Schäden und bedauerlicherweise für Verletzungen sind.

Neue Sicherheitsstandards und Normen enthalten Schwachstellen

Die neuen Sicherheitsstandards und Normen an hydraulischen Pressen sind nach wie vor mit Unsicherheiten und Schwachstellen behaftet, wie in den Schaltplänen dargestellt wird.

Bild 1: Schaltplan für eine Presse mit Eilgangszylindern, Plunger und Nachsaugtechnik, wie er von namhaften Hydraulikherstellern zu hunderten produziert wird. Bei einem Versagen des Druckbegrenzers (1), der Flanschdichtung (2), der Kolbendichtung (3), der Dichtstelle zwischen Kolben und Stange (4) ODER der Leitung (5) wird sich der Stößel unkontrolliert abwärts bewegen. Zudem reicht das Versagen eines Eilgangszylinders, um die Kontrolle über den Stößel zu verlieren. Die erhöhten Schaltzeiten von Sitzventilen, wie sie zum Absichern des Stößels eingesetzt werden, verstärken das Sicherheitsrisiko.
Bild 1: Schaltplan für eine Presse mit Eilgangszylindern, Plunger und Nachsaugtechnik, wie er von namhaften Hydraulikherstellern zu hunderten produziert wird. Bei einem Versagen des Druckbegrenzers (1), der Flanschdichtung (2), der Kolbendichtung (3), der Dichtstelle zwischen Kolben und Stange (4) ODER der Leitung (5) wird sich der Stößel unkontrolliert abwärts bewegen. Zudem reicht das Versagen eines Eilgangszylinders, um die Kontrolle über den Stößel zu verlieren. Die erhöhten Schaltzeiten von Sitzventilen, wie sie zum Absichern des Stößels eingesetzt werden, verstärken das Sicherheitsrisiko.
(Bild: Wanzke Umformtechnologie GmbH)

In den graphischen Darstellungen Bild 1 und 2 wird dargestellt, welche Ursachen für ein unkontrolliertes Bewegen des Stößels gegeben sind. Die mit einem X gekennzeichneten Stellen sind Gefahren, die gegeben sind und werden nicht durch ein Sicherheitskonzept für einen prozesssicheren Ablauf eines Hubes der Presse erkannt.

Bild 2: Schaltplan nach ISO 16092-3 für einen doppeltwirkenden Zylinder mit Nachsaugtechnik. Dieser besitzt keine Absicherung gegen Überdruck im Eilgang aufwärts. Durch die Druckübersetzung zwischen Eilgangs- und Arbeitsgangfläche können bei einem Fehler extreme Überdrücke entstehen, welche die Leitung (6) sprengen. Sobald die Leitung zwischen Ventil 4 und Zylinder7 versagt kann der Stößel ungebremst fallen, ohne dass ein Fehler erkannt wird.
Bild 2: Schaltplan nach ISO 16092-3 für einen doppeltwirkenden Zylinder mit Nachsaugtechnik. Dieser besitzt keine Absicherung gegen Überdruck im Eilgang aufwärts. Durch die Druckübersetzung zwischen Eilgangs- und Arbeitsgangfläche können bei einem Fehler extreme Überdrücke entstehen, welche die Leitung (6) sprengen. Sobald die Leitung zwischen Ventil 4 und Zylinder7 versagt kann der Stößel ungebremst fallen, ohne dass ein Fehler erkannt wird.
(Bild: Wanzke Umformtechnologie GmbH)

Bild 2 zeigt eine normgerechte Ausführung gemäß ISO 16092-3 (Werkzeugmaschinen-Sicherheit - Pressen - Teil 3: Sicherheitsanforderungen für hydraulische Pressen (ISO 16092-3:2017); Deutsche Fassung EN ISO 16092-3:2018), welche eine schwerwiegende Gefahrenquelle enthält: Der Eilgang aufwärts ist nicht durch einen Druckbegrenzer gesichert, damit ist eine Überlastung möglich.

Bild 3: Schematischer Schaltplan einer Wanzke ECO-Servopresse mit Vier-Kammer-Zylinder. Dieser besitzt vier hydraulische Kammern, wodurch ein Maximum an Präzision, Geschwindigkeit und Sicherheit ermöglicht wird.
Bild 3: Schematischer Schaltplan einer Wanzke ECO-Servopresse mit Vier-Kammer-Zylinder. Dieser besitzt vier hydraulische Kammern, wodurch ein Maximum an Präzision, Geschwindigkeit und Sicherheit ermöglicht wird.
(Bild: Wanzke Umformtechnologie GmbH)

Bild 3 zeigt das von Wanzke entwickelte hydraulische Antriebssystem, das automatisch jeden ungewollten Bewegungsablauf des Stößels erkennt und verhindert. Herzstück der neuen Arbeitsprozesssicherheit ist der Vier-Kammer-Zylinder. Alle Funktionen, die zur Durchführung eines sicheren Hubes bestimmend sind, wie Drücke, Positionen, Zeiten und Geschwindigkeiten, werden überwacht und permanent den gewählten Funktionsabläufen gegenübergestellt. Damit ist der aktive Hub nach unten als Eilgang und Arbeitsgang komplett kontrolliert und geregelt, ebenso wie der Rückhub, der auch mit Nennkraft gefahren werden kann. Damit wird auch der Kraft-Weg-Verlauf in der Ab- und Aufwärtsbewegung kontrolliert. Die gesamte Steuerung ist inklusive Ventilen, Kolben und Sensoren als Monoblock aufgebaut.

Dieses Antriebskonzept, das für alle Anwendungsbereiche der spanlosen Fertigung nutzbar ist, übertrifft die Sicherheitsanforderungen der Normen deutlich. So ist zusätzlich zur Monoblockbauweise, welche Leitungsbrüche ausschließt, der Stößel mehrfach hydraulisch und mechanisch gesichert. Der Nachlauf des Stößels, welcher bei herkömmlichen hydraulischen Systemen eine Gefahrenquelle darstellt, ist beim Vier-Kammer-Zylinder durch das nahezu verlustfrei arbeitende Hydrauliksystem fast vollständig eliminiert. Dadurch sind auch kürzeste Hübe mit hohen Hubzahlen möglich.

Ein weiterer Vorteil: Im Hydrauliksystem entsteht praktisch keine schädliche thermische Belastung, wodurch ein Kühler entfällt. Dies ist auch ein Zeichen für den hohen Wirkungsgrad der Wanzke ECO-SPS-Servopressen, welcher bei realen 85 % liegt. So erreicht eine Wanzke-Presse mit 7,5 kW die gleiche Arbeitsleistung wie eine konventionelle Presse mit 30 kW Antriebsleistung und einem Wirkungsgrad von 20%.

Gesteigerte Sicherheit plus reduzierter Energiebedarf

Neben der gesteigerten Sicherheit bringt dieses System somit großes Einsparpotenzial bei Energiebedarf und –kosten. Ein weiterer Vorteil für die Umwelt ist das durch den Wegfall der Nachsaugtechnik auf ca. 8 % reduzierte Ölvolumen. Zusätzlich gibt es keinerlei Ölverschmutzung und Kondenswasserbildung im Hydrauliköl, wodurch sich die Ölwechselintervalle um Jahre verlängern. Dies gewährleistet der geschlossene Ölkreislauf. Bezeichnend für das System ist auch die Fähigkeit, unter Nennkraft an jedem Punkt im Hub stehen bleiben zu können, was nicht nur neue Möglichkeiten in der Fertigung von Bauteilen bietet, sondern zusätzliche Sicherheitsreserven schafft.

Das durch F&E-Arbeiten erworbene Wissenspotenzial ist abrufbar. Experten der Firma Wanzke sind gerne bereit, an Interessierte das Fachwissen über die moderne Pressen- und Umformtechnologie weiterzugeben. Dieses basiert auf der Erfahrung aus über fünf Jahrzehnten unfallfreiem Betrieb bei unseren Kunden in der praktischen Anwendung der Umformtechnologie. Nutzungsrechte für das patentierte Vier-Kammer-Zylindersystem können auf Lizenzbasis erworben werden.

* Prof. Manfred Wanzke ist General Manager bei Wanzke Umformtechnologie GmbH

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