Neues Antriebssystem für die Schwenkachse – mit hoher Dynamik zwei Spritzgießmaschinen bedienen

Hohe Drehmomentdichte und Positioniergenauigkeit waren die entscheidenden Auswahlkriterien des Maschinenbauunternehmens Hekuma an das Servoantriebssystem einer Schwenkachse, die mit hoher Dynamik zwei benachbarte Spritzgießmaschinen bedient. Warum die Wahl auf das Antriebssystem Galaxie D von Wittenstein fiel.  

von Nadine Hehn und Sebastian Höhne

Da das kompakte Galaxie D in der Schwenkachse komplett unzugänglich verbaut ist, legte man bei Hekuma Wert auf eine dauerhaft service- und wartungsfreie Lösung. Mit hoher Spielstabilität und einem innovativen Motorfeedback-System, dessen Multiturnfunktionalität keine Batteriepufferung erfordert, erfüllt das Antriebssystem Galaxie D auch diese aus Endkundensicht wichtigen Anforderungen – im Gegensatz zu dem zuvor eingesetzten Spannungswellgetriebe, das sich darüber hinaus für diese Präzisionsanwendung als zu weich – also nicht ausreichend torsionssteif und spielarm – erwiesen hatte.

Hekuma: Hersteller von Hochleistungs-Automationssystemen für Kunststoff-Spritzgießanlagen

Die Hekuma GmbH – seit wenigen Monaten in Hallbergmoos bei München beheimatet – ist ein führender Hersteller von Hochleistungs-Automationssystemen für Kunststoff-Spritzgießanlagen. Das Kerngeschäft des zur Elexis-Gruppe gehörenden Unternehmens umfasst Entnahmesysteme für die Spritzgussproduktion, die Integration von Spritzgießmaschinen und –formen sowie schlüsselfertige Komplettlösungen für die Arbeitsgänge Entnehmen, Bearbeiten, Montieren, Beschriften, Prüfen und Verpacken.

Seit der Unternehmensgründung vor mehr als 40 Jahren wurden mehr als 5.000 Anlagen an Unternehmen in die Medizintechnik, den Automobilbau, an Verpackungsmaschinenbauer und die Konsumgüterproduktion ausgeliefert. „Unseren Kunden geht es vor allem um die hochverfügbare Automation der vor- und nachgelagerten Fertigungsschritte in der Spritzgussproduktion“, erläutert Alexander Kappes, teamleitender mechanischer Konstrukteur bei Hekuma. 

Schwenkachse: Hohe Verkaufszahlen erfordern hohe Kavitätenzahl bei kurzer Zykluszeit

Dies gilt auch für eine Transfereinheit, die bei einem Konsumgüterhersteller einen zweistufigen Spritzgießprozess mit duro- und thermoplastischen Substraten verbinden soll. „Hohe Verkaufszahlen erfordern in der Produktion eine hohe Kavitätenzahl bei gleichzeitig kurzer Zykluszeit“, erläutert Reinhard Steinhoff von der Mechanischen Konstruktion bei Hekuma. „Jedes Einlege- und Entnahmeelement hat 32 Kavitäten. Die Zykluszeit liegt bei 20 Sekunden und die Maschine läuft im Dreischichtbetrieb an 340 Tagen in Jahr. Die Schwenkeinheit mit dem Galaxie D bewegt somit jährlich mehr als 47 Millionen Spritzgießartikel.“

„Der Schwenkarm der Umsetzeinheit dreht in Y-Richtung um 180 Grad und hat eine bewegte Masse von etwa 270 kg. Um die Kavitäten für das reibungslose Handling der Spritzteile millimetergenau vor den Spritzgießmaschinen zu platzieren, war daher eine extrem hohe Steifigkeit des Antriebs bei gleichzeitig minimalem Verdrehspiel gefordert“, erklärt Alexander Kappes.

Für die servotechnische Umsetzung stand jedoch nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung. „Der Umstieg auf eine neue Motor-Getriebe-Einheit durfte zu keinen konstruktiven Änderungen an der Schwenkeinheit führen“, sagt Reinhard Steinhoff.

Galaxie D als eigenständige Getriebegattung

Galaxie ist als eigenständige Getriebegattung. Merkmale wie dynamisierte Einzelschubzähne statt starren Zahnrädern, vollflächiger Multizahneingriff mit hydrodynamischem Kontakt und mathematisch exaktem Gleichlauf sowie ein segmentierter Außenring als Lager – bringen zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Planeten-, Zykloid-, Exzenter- und Spannungswellgetrieben. Viele prinzipbedingte Kompromisse bei beispielsweise gleichzeitig geforderter sehr hoher Präzision und Drehmomentdichte gehören der Vergangenheit an.

Die einzigartige Getriebekinematik erlaubt hohe Werte bei Spielfreiheit, Gleichlauf, Steifigkeit, Drehmomentdichte und Überlastsicherheit, ohne diese Merkmale gegeneinander abwägen zu müssen.

Positioniergenauigkeit als wichtigstes Kriterium

Die für den Anwender Hekuma entscheidende Anforderung war die hervorragende und dauerhaft gleichbleibende Positioniergenauigkeit. Das eingesetzte Getriebe erfüllt dieses Leistungsmerkmal durch seine hohe Verdrehsteifigkeit sowie das auf weniger als eine Winkelminute reduzierte Verdrehspiel. Die Einzelschubzahnkinematik bewirkt, dass fast alle Einzelzähne gleichzeitig am Zahneingriff – und damit an der Drehmomentübertragung und der Steifigkeitsbildung – beteiligt sind. Hinzu kommt, dass die Zahnflanken der Einzelzähne sowie des Hohlrades als logarithmische Spirale ausgeführt sind, wodurch im Multizahneingriff der Kontakt nicht mehr wie bei Getrieben mit Zahnrädern nur linear, sondern im Flächenkontakt erfolgt – mit signifikant höherem Traganteil. Auch bei der Wechselbelastung im Nulldurchgang ist so eine sehr hohe Steifigkeit gewährleistet.

Schwenkachse: Nullspiel oder was?

Der zweite Aspekt der Positioniergenauigkeit, wie sie Hekuma fordert, betrifft das Verdrehspiel. „Grundsätzlich wäre die Auslegung des Galaxie D als Null-Spiel-Variante möglich gewesen“, kommentiert Alexander Kappes. „Wir haben uns dann aber für ein reduziertes Verdrehspiel von weniger als einer Winkelminute entschieden. Es bildet zusammen mit der Verdrehsteifigkeit unsere Genauigkeitsanforderungen optimal ab und ermöglicht es gleichzeitig, bei der Positionierung auftretende Verriegelungskräfte abzufangen.“ Kollege Reinhard Steinhoff ergänzt: „Da die Transfersysteme auf den jahrelangen Dauerbetrieb ausgelegt sind, ist vor allem wichtig, dass das einmal eingestellte Verdrehspiel dauerhaft konstant bleibt.“

Dies wird prinzipbedingt sichergestellt, weil sich beim flächigen Eingriff von Polygon und Einzelzähnen schon ab geringen Drehzahlen ein hydrodynamischer Schmierfilm mit einem großen, stabilen Druckpolster aufbaut. Eine Abnutzung in der Verzahnung wird dadurch auf ein Minimum reduziert – wie Mikroskop-Aufnahmen belasteter Kontaktgebiete an Einzelzähnen nach Dauerversuchen und hoher Beanspruchung der Getriebe belegen. Da zudem die Passung zwischen den runden Zahnkörpern und den Zahnträgerbohrungen nicht messbar verschleißt, bleibt ein einmal eingestelltes Verdrehspiel über die Lebensdauer absolut konstant. 

Wartungsfreier Einsatz des neuen Getriebes für die Schwenkachse

Das kinematische Prinzip des Galaxie D verspricht einen dauerhaft service- und wartungsfreien Einsatz. Die nach der logarithmischen Spirale gestaltete Verzahnungsform führt zu einem exakten Gleichlauf. Zudem ist durch die konstante Druckverteilung beim Zahneingriff sowie die hydrodynamische Schmierung weder mit Verschleißpartikeln Durch Abrieb noch mit einer Verunreinigung der Schmiersubstanzen im Getriebe zu rechnen. Darüber hinaus wird das Schmieröl entsprechend der Einbaulage des Getriebes ausgewählt und eingefüllt. „Ein Trockenlaufen von Teilen der Kinematik, wie bei einem bereits verbauten Spannungswellgetriebe geschehen, wird dadurch ebenso vermieden wie die Notwendigkeit, im Betrieb der Maschine Schmiermittel in den Servoantrieb nachzufüllen“, stellt Alexander Kappes fest. 

Um diese Vorteile der mechanischen Präzision auch regelungstechnisch in Positioniergenauigkeit umsetzen zu können, kommt in dem bei Hekuma das rotative Motor-Feedback-System SEM90 von Sick Stegmann zum Einsatz. Das holistisch abtastende Multiturn-System ermöglicht eine hochauflösende Positionsregelung des Servoantriebes.

Die Multiturnfunktionalität mit 4.096 Umdrehungen wird dabei mechanisch realisiert. Der Geber kommt ohne Puffer-Batterie aus, die nach entsprechender Laufzeit aufwändig ausgetauscht werden müsste. Steuerungstechnisch angebunden ist das eingesetzte Motorfeedback-System per Hiperface-Schnittstelle an einen Movidrive-Umrichter von SEW Eurodrive. „Die Validierung seitens SEW und die Inbetriebnahme zusammen mit Wittenstein bei Hekuma haben reibungslos funktioniert“, kommentiert Reinhard Steinhoff zurück. 

Die Autoren:

Nadine Hehn arbeitet im Vertrieb „Start-up Galaxie“ bei Wittenstein SE. 
Sebastian Höhne arbeitet im Vertrieb von Wittenstein Alpha.

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