Auslegerachse Wie High-Tech-Materialien die Produktivität von Antriebskomponenten steigern

Autor / Redakteur: Kathleen Stöhr / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Der Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) kann die Dynamik und die Genauigkeit von Positionier- und Handling-Systemen deutlich erhöhen. Wie das funktioniert, zeigt JAT anhand einer CFK-Auslegerachse.

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Der T-förmige Aufbau ist für CFK-Auslegerachsen charakteristisch. Ausschlaggebend für diese neuartige Konstruktion sind die Materialeigenschaften des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes.
Der T-förmige Aufbau ist für CFK-Auslegerachsen charakteristisch. Ausschlaggebend für diese neuartige Konstruktion sind die Materialeigenschaften des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes.
( JAT)

Herkömmliche Antriebssysteme für Handling-Anlagen werden im Maschinenbau klassisch als Aluminium- oder Stahlkonstruktion mit Gantry-Anordnung konzipiert. Hauptkomponenten sind zwei parallel verlaufende Grundachsen (X), eine Querachse (Y) und eventuell eine höhenverstellbare Achse (Z). Für den Betrieb sind zahlreiche Antriebseinheiten nötig. So bedarf der synchrone Betrieb der Grundachsen, zwei Antriebssysteme mit Motor und Servoverstärker. Aufgrund der Konstruktion sind die Systeme z.B. bei Service- oder Wartungsfällen nur eingeschränkt zugänglich. Durch die Verwendung von CFK (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) in Antriebssystemen ergeben sich neue Möglichkeiten im Maschinendesign, die zusätzlich zu den Materialeigenschaften den Produktionsprozess der Anlage hinsichtlich Dynamik und Präzision verbessern.

Antriebssysteme in Leichtbauweise

Seit vielen Jahren beschäftigt sich die Jenaer Antriebstechnik GmbH (JAT) mit dem Leichtbau. Sie entwickelt und produziert Antriebssysteme für Automatisierungs- und Handling-Aufgaben mit CFK-Auslegerachsen.

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Der T-förmig Aufbau, bestehend meist aus einer Linearmotorachse, die als Träger der CFK-Auslegerachse fungiert, ist für die neuartige Bauform charakteristisch. Ausschlaggebend für diese Konstruktion sind die Materialeigenschaften des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes. CFK-Bauelemente zeichnen sich durch minimales Gewicht bei maximaler Festigkeit aus. Verglichen mit Aluminium sind Gewichteinsparungen bis 40 % möglich. Durch die verminderte bewegte Masse und der daraus resultierenden höheren Dynamik lässt sich die Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Energieeinsparung erhöhen.

Die Festigkeit des CFK-Werkstoffes mit 2000 N/mm2 ist um ein Vielfaches größer als Aluminium (190 N/mm2) und Stahl (490 N/mm2) und gewährleistet ein vibrations- und schwingungsfreies Verfahren mit Positioniergenauigkeiten im einstelligen Mikrometerbereich. Produktionslinien mit höchster Positionierpräzision sind umsetzbar, Ausschussraten, die durch Ungenauigkeit entstehen, entfallen fast vollständig. Zudem müssen bei herkömmlichen Antriebssystemen durch die Schwingungen häufig Abklingzeiten eingehalten oder die Drehzahlen reduziert werden. Bei dem Einsatz des CFK-Auslegers entfallen diese Maßnahmen und der Anwender kann in kürzeren Zeiten effizienter produzieren.

T-Konstruktion reduziert Komponenten

Die T-Konstruktion bietet weitere wirtschaftliche Vorteile gegenüber Gantry-Lösungen. Der Anwender profitiert von der Komponentenreduktion, so entfällt beispielsweise die zweite X-Achse. Durch die reduzierte bewegte Masse können Antriebseinheiten in kleineren Baugrößen ausgewählt und zusätzlich Kosten gespart werden. Der verringerte Bauraum und die Zugänglichkeit des Systems von mehreren Seiten, wirken sich vorteilhaft auf die Implementierung in die Gesamtanlage aus. Zudem sind Installations- oder Servicearbeiten im Vergleich zu Gantry-Systemen mit weniger Aufwand und in größeren Intervallabständen möglich.

Optimal angepasst an die Applikation finden die CFK-Antriebssysteme der Jenaer Antriebstechnik in den unterschiedlichsten Produktionsmaschinen Einsatz. Pick-and-Place-Systeme, bei denen kleine Massen höchst dynamisch bewegt werden, sind mit Riemenantrieb auf der CFK-Achse ausgestattet. Die Verwendung der Direktlineartechnologie auf dem CFK-Ausleger ermöglicht hochdynamisches geräuscharmes Positionieren und ist für die Automatische Optische Inspektion (AOI) ideal geeignet. Zudem ist CFK weitgehend unempfindlich gegenüber Korrosion, wodurch die Antriebssysteme für die Lebensmittelfertigung, die Pharmaindustrie oder die Chemiebranche optimal geeignet sind.

Fertigungsabläufe beschleunigen, Qualität maximieren

Geht es im Maschinenbau darum, die Produktivität durch beschleunigte Fertigungsabläufe und maximierte Qualität zu steigern, sind Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer mechanischen und thermisch hohen Belastbarkeit prädestiniert für diesen Einsatz. Der Leichtbau mit CFK in der Antriebstechnik ist nicht mehr wegzudenken. Er fordert jedoch andere Herangehensweisen in der Konstruktion, da Werkstoff- und Bauteilentstehung zusammen fallen und bisherige Verarbeitungstechniken ersetzt werden müssen.

Die JAT-Kunden profitieren von den Kenntnissen der JAT bezüglich der Einsatzbedingungen, Materialpaarung, Fertigungs- und Verbindungstechniken in Bezug auf den kohlenstofffaserverstärkten Werkstoff. Die Serien-Antriebssysteme werden von der JAT als Baukastensystem gefertigt und stehen dem Kunden daher in kurzer Zeit zur Verfügung. (sh)

* Kathleen Stöhr ist Marketing Managerin bei der Jenaer Antriebstechnik GmbH

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