Elektromechanik als Alternative zu hydraulischen Antriebskonzepten

Die Osterwalder AG erweitert stetig ihr Programm an Pulverpressen und setzt dabei Servo-Elektroantriebe statt der bisher verwendeten Hydraulikantriebe ein. Bei der ganz neuen Mehrebenenpresse vom Typ OPP 2000 mit 2000 kN Presskraft kommen Servo-Direktantriebe mit NSK-Kugelgewindetrieben der S-HTF-Baureihe zum Einsatz – ein absolutes Novum, da in diesem Presskraftbereich bisher konventionelle Hydraulikantriebe zwingend erforderlich waren. Das Ergebnis: Die Anlagen benötigen bis zu 80% weniger Energie als hydraulische Pulverpressen und produzieren Pressteile mit deutlich höherer Maßgenauigkeit. Das verringert den Nachbearbeitungsaufwand und senkt erheblich die Prozess- und Materialkosten.

Zahnräder für Kfz-Getriebe und Werkzeuge für die Metallbearbeitung wie  Bohrerspitzen und Wendeschneidplatten: Das sind typische Bauteile, die in großen Stückzahlen mit der Technologie des Pulverpressens gefertigt werden. Eine feine Metallpulverlegierung (Pressmasse) wird in das Werkzeug (Matrize) eingefüllt und unter Druck in Form gebracht. Anschließend wird der „Grünling“ – so heißt das Zwischenprodukt – gesintert und erhält dadurch die gewünschten Eigenschaften z.B. in Bezug auf Härte, Verschleißfestigkeit und Konturgenauigkeit.

Elektromechanische Antriebe haben sich bewährt

In diesem spezialisierten Bereich des Maschinenbaus hat sich die Osterwalder AG in Lyss/Schweiz einen sehr guten Ruf erarbeitet. Das mehr als 130 Jahre alte Unternehmen bietet ein breites Programm an Pulverpressen und hat vor fünf Jahren mit den Baureihen CA-SP Electric und CA-HM Electric eine ganz neue Antriebstechnik in diesem Anwendungsbereich eingeführt: Die „Direct Drive Technology“ (DDT) mit Servo-Elektromotoren und Kugelgewindetrieben ersetzte zunächst im unteren Leistungsbereich die bis dahin dominierenden Hydraulikantriebe. Der Pressvorgang lässt sich nun erheblich feinfühliger einjustieren, da sich elektrische Wegmessgrößen und Einstellkriterien leichter definieren bzw. programmieren lassen als dies bei hydraulischen Antrieben der Fall ist. Außerdem bieten Kugelgewindetriebe eine höhere Steifigkeit als Hydraulikzylinder, die auf-grund der Kompressibilität des Hydraulikmediums ein starkes Einfedern aufzeigen. Deshalb sind die von servoelektrischen Pulverpressen gefertigten Werkstücke homogener und ihre Materialeigenschaften zudem besser einstellbar.

In den servoelektrischen Direktantrieben der Serien CA-SP Electric und CA-HM Electric verwendet die Osterwalder AG schon seit mehreren Jahren die NSK-Kugelgewindetriebe der Serie HTF. Sie erlauben sehr hohe Verfahrgeschwindigkeiten kombiniert mit hoher Präzision und Steifigkeit. Zugleich lassen sich mit ihnen extrem hohe Axialkräfte übertragen, und der Verschleiß ist selbst unter hohen Belastungen und sehr kurzen Taktzeiten (die beim Pulverpressen typischerweise nur drei Sekunden betragen) minimal.

Der nächste Schritt: Von HTF zu S-HTF

Dieses Antriebsprinzip bewährt sich seit Jahren zunächst bei Presskräften bis 160 kN, dann bis 640 kN. Sowohl Osterwalder als auch die Anwender der Pulverpressen sind damit hochzufrieden. Sie profitieren nicht nur von einem verbesserten Regelverhalten im Fertigungsprozess, sondern auch von einem deutlich reduzierten Energieverbrauch.

Da ist es aus Sicht von Osterwalder nur logisch, den nächsten Schritt zu gehen und auch größere Pressen mit dieser Antriebstechnik auszurüsten. Die HTF-Serie von NSK und vergleichbare Kugelgewindetriebe stoßen hier jedoch an Grenzen bei der nominalen Lebensdauer. Inzwischen hat NSK aber mit der S-HTF-Serie eine Weiterentwicklung vorgestellt, die bei gleicher Baugröße eine höhere dynamische Tragfähigkeit und damit auch eine deutlich längere Lebensdauer erreicht.

Kernkompetenz Werkstofftechnik

Möglich wird das durch die Verwendung des von NSK entwickelten Werkstoffs, der ursprünglich für hochbelastete Zylinderrollenlager entwickelt wurde und u.a. einer besonderen Wärmebehandlung unterzogen wird. Das Ergebnis: Bei diesem Werkstoff wird ein optimiertes Verhältnis von Härte und Zähigkeit erreicht, das u.a. dazu führt, dass harte Verunreinigungen in der Laufbahn nicht zu Eindrücken und Aufwerfungen führen, sondern bei wiederholtem Überrollen wieder geglättet werden.

Versuchsreihen auf einem Dauerprüfstand im NSK-Labor zeigten, dass die TF-Technologie bei den Kugelgewindetrieben der Serie S-HTF zu einer verdreifachten Lebensdauer und einer um 30% gesteigerten dynamischen Tragfähigkeit führt. Der Vergleich bezieht sich auf die HTF-Serie, die im Marktvergleich schon sehr gute Werte aufweist.  

Weltpremiere: Erste elektrische Mehrebenen-Presse mit 2000 kN Presskraft

Für Osterwalder bot diese Neuentwicklung die Voraussetzung dafür, die „Direct Drive Technology – sprich: den servoelektrischen Direktantrieb – auch in Pressen mit höherer Leistung einzusetzen. In die Praxis umgesetzt wird das ganz aktuell mit einer Weltpremiere: Die OPP 2000 ist die erste Mehrebenenpresse mit 2000 kN Presskraft und elektrischem statt hydraulischem Antrieb. Michael Sollberger: „Damit können wir die hervorragende dynamische Bewegungskontrolle, die ein servoelektrischer Antrieb bietet, auch in diesem höheren Leistungsbereich realisieren – und erfüllen die Anforderungen unserer Kunden nach der Fertigung komplexerer Geometrien mit sehr hoher Genauigkeit. Wir können hier bis auf 1 µm genau positionieren und vorgegebene Bewegungsprofile fahren. Das verbessert die Produktqualität deutlich und minimiert aus Anwendersicht den Nachbearbeitungsaufwand.“

Die neue Mehrstufenpresse eignet sich nach Angaben von Osterwalder für die wirtschaftliche Fertigung einer sehr breiten Produktpalette, zu der u.a. Motorenteile und Komponenten für Elektro- und Küchenwerkzeuge gehören sowie Hartmetallstäbe. Neben den bereits genannten Vorteilen profitiert der Anwender auch von deutlich verringertem Wartungsaufwand und einer sehr kompakten Aufstellfläche. Und auch bei den größeren Pressen beträgt der Energieverbrauch – im Vergleich zu Hydraulikpressen – je nach Pressteil nur noch rund 20%. Das ist für die Betreiber ein zugkräftiges Argument, weil der typische Kunde von Osterwalder bis zu fünfzig Pulverpressen betreibt.

Antrieb für Innovationen in der Fertigungstechnologie

Das Beispiel zeigt, dass Innovationen in der Antriebstechnik zu Entwicklungs-sprüngen in der Fertigungstechnologie – in diesem Fall in der Pulvermetallurgie – führen. Dass die Innovation wiederum aus der Werkstofftechnologie kommt, schließt den Kreis. Wie bereits erwähnt, wurde die TF-Technologie ursprünglich für Wälzlager entwickelt. In dieser Anwendung führen harte Verunreinigungen auf der Laufbahnoberfläche zu Eindrücken und Aufwerfungen in den Lagerlaufbahnen. Mit dem neuen Werkstoff konnte das Risiko dieser Ausfallerscheinung nahezu ausgeschlossen werden.

Die für die axiale Lagerung der S-HTF-Kugelgewindetriebe nötigen Wälzlager bezieht Osterwalder ebenfalls von NSK. Hier kommen die Axial-Schrägkugellager der Serie TAC zum Einsatz, die eigens für diese Anwendung entwickelt wurden und gerade in Präzisionsmaschinen häufig als komplette Systemeinheit für die axiale Lagerung und lineare Bewegung verbaut sind. 

Bei den Pressen bis 640 kN setzt Osterwalder die NSK-Kugelgewindetriebe der HTF-Baureihe ein.
Bildnachweis: NSK 

Bei den S-HTF-Kugelgewindetrieben werden Aufwerfungen, die beim Überrollen von harten Verunreinigungen entstehen, durch erneutes Überrollen wieder geglättet.
Photo: NSK