Linear - Neuigkeiten
05.10.2010
Elektromechanik statt Hydraulik: Kugelgewindetriebe ermöglichen höhere Präzision und größere Dynamik beim Spritzgießprozess
Wenn hohe Präzision gefragt ist, werden Kunststoff-Spritzgussteile immer häufiger auf vollelektrischen Maschinen gefertigt. Möglich ist dies nur, weil hochpräzise, leistungsfähige und energieeffiziente Linearantriebe für die Einspritz-. Schließ- und Auswerfeinheit zur Verfügung stehen. Weiterhin zeichnet sich beim Hochgeschwin-digkeits-Spritzgießen ein deutlicher Trend zu voll- oder teilelektrischen Spritzguss-maschinen ab. An diesen Entwicklungen hat NSK maßgeblichen Anteil.
Bereits vor mehr als zehn Jahren zeigten europäische Kunststoffmaschinenherstel-ler die ersten „vollelektrischen“ Maschinen, die die typischen Hydraulikantriebe der Einspritzaggregate sowie der Schließachsen und Auswerfereinheiten durch elektromechanische Linearantriebe ersetzten. Heute liegt der Marktanteil voll-elektrischer Spritzgussmaschinen bei ca. 12 bis 15%; der Anteil elektromechani-scher Einspritzachsen ist deutlich höher.
Treibende Kraft
Dass führende Hersteller dabei Kugelgewindetriebe von NSK in Verbindung mit gut regelbaren Servomotoren einsetzen, liegt darin begründet, dass sich NSK sehr frühzeitig mit dieser Thematik befasst und spezielle, hochbelastbare Kugelgewin-detriebe für den Einsatz in Kunststoffmaschinen und Pressen entwickelt hat.
NSK entwickelte die erste Generation leistungsstarker Kugelgewindetriebe entwi-ckelt, mit denen sich die Hydraulikzylinder der Einspritzaggregate und der Schließachsen (die die beiden Werkzeughälften zusammenfahren und –halten) substituieren ließen. Es folgten weitere Baureihen, die sich u.a. durch höhere dy-namische Kapazitäten, höhere zulässige Axialkräfte und niedrigere Lebenszyklus-kosten („Total Cost of Ownership“) auszeichnen.
Leistungsmerkmale der Hochleistungsspindeln
Inzwischen steht mit den HTF-Schwerlastspindeln eine Baureihe zur Verfügung, die nochmals höhere Dynamik und Spitzenlastkapazitäten bietet. Die Hochlast-Kugelgewindetriebe der Serien HTF, HTF-SRC und HTF-SRD zeichnen sich durch ein optimales Verhältnis des Kugeldurchmessers zur Gewindesteigung aus. Die Laufbahngeometrie der Gewindespindel und der Mutter sowie die vom Her-steller spezifizierte Materialspezifikation und deren Paarung (Mutter-Kugel-Spindel) wurden bei der Entwicklung dieser Baureihe optimiert.
Mit diesen Kugelgewindetrieben können dynamische Axialkräfte bis 100 t pro Antrieb dargestellt werden. Bei den leistungsstärksten Spritzgießmaschinen, für die NSK zurzeit die HTF-Serie liefert, handelt es sich um Vierspindler mit bis zu 3000 t Schließkraft. Im größeren Leistungsbereich (ab 500 t) kommen vor allem im europäischen Markt auch Hybridmaschinen zum Einsatz, bei denen die Schließachsen noch hydraulisch ausgeführt sind, die anderen Linearantriebe z.B. für die Auswerfeinheit und das Spritzaggregat hingegen mit Kugelgewindetrieben realisiert werden. Weiterführende Hybridlösungen verwenden heute schon Kugel-gewindetriebe als Antriebselement der hochtonnagigen Schließeinheiten.
Von Grund auf für hohe Belastungen entwickelt
Ein wesentliches Merkmal der HTF-Serie ist die besondere Bauform der Mutter. Hierbei standen die Beurteilung der einzelnen Kugelbelastungen und die Defor-mation aller im Eingriff befindlichen Bauteile im Vordergrund. Eine optimierte Balance der Kugelverteilung über den gesamten Tragumfang wurde mit der von NSK patentierten Verteilung der einzelnen Kugelumläufe erfolgreich umgesetzt.. Der Kundennutzen liegt im möglichen Downsizing (Verwendung einer kleineren Baugröße), oder aber in einer höheren zu erwartenden Lebensdauer bei Beibehal-tung der ursprünglichen Abmessung.
Neu entwickelte Kugelführungen und -rückführungen
Speziell für den Hochlastbereich und somit für die gesamte HTF-Serie hat NSK eine patentierte Kugelführung entwickelt, die auch unter ungünstigen Umge-bungsbedingungen den direkten Kugel-Kugel-Kontakt verhindert. Auf diese Wei-se kann vorzeitiger Verschleiß vermieden werden, der dadurch bedingt ist, dass Moment- bzw. Radialbelastungen auf die Mutter wirken. Dies hätte negative Auswirkungen auf die Betriebssicherheit der Linearachse. Gleichzeitig führt die S1-Technologie – so heißt das Kugeldistanzsystem - zu einer deutlichen Reduzie-rung der Geräuschemission.
Bei der Kugelrückführung hat intensive Entwicklungsarbeit zusätzlich zu einer höheren dynamischen Kapazität geführt. Die für die HTF-Serien SRC und SRD neu entwickelten Formteile in der Kugelrückführung reduzieren durch tangentia-les Abgreifen der Wälzkörper die Irritationen des Kugelübergangs aus dem Trag-bereich in den Rückführungskanal. Diese Neuentwicklung steigert den für Kugel-gewindetrieb charakteristischen Kennwert dn (mittlerer Spindeldurchmesser x Drehzahl) auf 160.000, was z. B. bei der Type HTF-SRC 63x25 (Durchmesser x Steigung) einer Verfahrgeschwindigkeit von 930 mm/s entspricht. Spitzenge-schwindigkeiten von 1.600 mm/s können mit der Type HTF-SRD in der Abmes-sung 50x40 realisiert werden. Zudem führt die optimierte Geometrie zu einer Ge-räuschreduzierung um bis zu 8 dB(A).
Neues Dichtungskonzept
Geringstmögliche Reibung auf der einen, minimaler Schmiermittelaustrag auf der anderen Seite: In diesem Spannungsverhältnis steht die Entwicklung neuer Dich-tungskonzepte für Linearantriebe. Unter dieser Maßgabe hat NSK das A1- Kon-zept entwickelt, das in der Tat für einen signifikant geringeren Schmiermittelaus-trag aus der Mutter sorgt. Neben den offenkundigen Umweltaspekten bietet das A1-Dichtungskonzept auch ökonomischen Nutzen, denn ein geringerer Austrag vermindert den Schmiermittelverbrauch. Darüber hinaus verringern sich die Be-triebskosten über die Verlängerung der nötigen Wartungs- bzw. Schmierintervalle der mit A1-Dichtungen ausgestatteten HTF-Schwerlastspindeln.
Fazit: Vorteile für elektromechanische Antriebe
Die Hersteller von hochwertigen Spritzgießmaschinen registrieren einen deutli-
chen Trend hin zu elektrischen Maschinen. Die weltgrößte Kunststoffmesse „K“, die in November 2010 in Düsseldorf stattfindet, wird diesen Trend bestätigen, für den es mehrere gute Gründe gibt. Erstens arbeiten die Maschinen mit elektrischen Linearantrieben energieeffizienter, weil bei Hydraulik immer Energie vorgehalten bzw. gespeichert werden muss, was konstanten Energieverbrauch nach sich zieht.
Zweitens kann man mit elektrisch betriebenen Spritzgießmaschinen eine höhere Präzision erzielen. Deshalb verwendet man für die Produktion von extrem dünn-wandigen Teile wie z.B. Handy-Lichtfilter inzwischen zumeist Maschinen mit elektrischer Schließeinheit, die zudem – und das ist der dritte Vorteile – eine hohe Beschleunigung und Endgeschwindigkeit erreichen und somit kürzere Zykluszei-ten ermöglichen.
Ausblick in die Zukunft
Viertens bauen diese Maschinen kompakter, weil sie gänzlich ohne Hydraulikag-gregat auskommen. Fünftens muss sich der Betreiber nicht um die Pflege des Hydraulikmediums kümmern, und es besteht auch kein Leckage- und Brandrisiko.
Das sind gute Gründe für wachsende Marktanteile von vollelektrischen Spritz-gussmaschinen. Deren Einsatzmöglichkeiten werden auch durch die Entwick-lungsanstrengungen der Antriebshersteller erweitert: Flüssigkeitsgekühlte HTF-Mutternsysteme schaffen die Voraussetzung für den Einsatz von Kugelgewinde-trieben für translatorische Antriebe selbst bei zunehmend höherer Leistungsdichte