antriebstechnik 6/2021
antriebstechnik 6/2021
antriebstechnik 6/2021
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
19174<br />
06 JUNI <strong>2021</strong><br />
Organ der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.<br />
WÄLZLAGER<br />
Mit vier Leistungsklassen<br />
zur optimalen Lagerauslegung<br />
<strong>antriebstechnik</strong>.de
Vollständig<br />
überarbeitet!<br />
Die Berechnung und Gestaltung von<br />
Wälzlagern erreicht eine neue Ära<br />
Wälzlagerpraxis<br />
Das Standardwerk für Konstrukteure<br />
und Studenten in der 5. Auflage.<br />
Wälzlagerpraxis jetzt bestellen unter shop.engineering-news.net
EDITORIAL<br />
Entwickelt für höchste<br />
Ansprüche in der<br />
Servotechnik<br />
ZAE SERVO-DRIVE<br />
NACHHALTIG AUFWÄRTS<br />
Liebe Leserinnen, liebe Leser,<br />
die Stimmung im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der<br />
Wirtschaft allgemein bessert sich offensichtlich. Der VDMA<br />
meldet volle Auftragsbücher im März – ein Anstieg um 29<br />
Prozent im Vergleich zum Vorjahr, die Nachfrage steigt aus<br />
Aus- und Inland. Auch der Ifo-Geschäftsklimaindex stieg auf<br />
96,8 Punkte und damit auf den höchsten Wert seit Juni 2019.<br />
Was diese Zahlen nun tatsächlich bedeuten, ist aber nicht<br />
ganz klar. Denn sie beziehen sich auf die Pandemie-Zeit und<br />
sind damit eher mit Vorsicht zu genießen. Ökonomen hatten<br />
in einer Umfrage sogar einen höheren Wert für den<br />
Ifo-Geschäftsklimaindex erwartet.<br />
Auch während des Corona-Jahres 2020 stieg aber die Summe<br />
der weltweit in nachhaltige Energieversorgung investierten<br />
Gelder. Erstmals wurden mehr als 500 Milliarden Dollar für<br />
diesen Zweck ausgegeben. Das zeigen aktuelle Zahlen aus<br />
dem Energiewende-Bericht des Weltwirtschaftsforums (WEF).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Das klingt danach, als ob für Herstellung, Transport und<br />
Installation neuer Windräder, Solaranlagen, Gezeitenkraftwerken<br />
etc. in naher Zukunft der Bedarf an antriebstechnischen<br />
Lösungen steigen wird. Wir stellen Ihnen in dieser<br />
Ausgabe wieder einige Innovationen unter anderem aus den<br />
Bereichen der Wälzlager, Motoren und Getriebe vor.<br />
Viel Freude beim Blick in eine nachhaltige Zukunft sowie<br />
dieser Ausgabe der <strong>antriebstechnik</strong> wünsche ich Ihnen.<br />
kurzfristig lieferbar<br />
Ihr Miles Meier<br />
m.meier@vfmz.de
EDITORIAL<br />
03 Nachhaltig aufwärts<br />
SOFTSTARTER<br />
24<br />
06 Menschen, Märkte, Unternehmen<br />
08 Mobiles Lernen in der Smart Factory<br />
MECHANISCHE ANTRIEBSTECHNIK<br />
WÄLZ- UND GLEITLAGER<br />
10 TITEL Einteilen, vergleichen und auswählen<br />
14 Referenz-Lagerlebensdauer als Grundlage zur<br />
Getriebeoptimierung<br />
KUPPLUNGEN UND BREMSEN<br />
18 Standardlösungen aus einer Hand<br />
ELEKTRISCHE ANTRIEBSTECHNIK<br />
ELEKTROMOTOREN<br />
22 Mit ölfreien Trommelmotoren sauber produzieren<br />
28<br />
KOMPONENTEN UND SOFTWARE<br />
24 Schwingungen per Software analysieren<br />
34<br />
ANZEIGE<br />
TITELBILD<br />
Findling, Karlsruhe<br />
4 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTICS<br />
28 Erweiterte Einsatzmöglichkeiten kollaborierender<br />
Roboter<br />
32 Machine-Learning für „Jedermann“<br />
34 Smarte Sensoren entscheidend für<br />
Industrie-4.0-Anwendungen<br />
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
36 Funktionsoptimierte AM-Gestaltung eines E-Rotors<br />
SERVICE<br />
26 Impressum<br />
MEIN TIPP<br />
Die Entwicklung von<br />
Industrial Analytics-<br />
Lösungen benötigt nicht<br />
zwingend spezifisches<br />
Know-how eines Data<br />
Scientists. Ab Seite 32<br />
erfahren Sie, wie ein<br />
automatisiertes<br />
Machine-Learning-Tool<br />
für den Maschinen- und<br />
Anlagenbau die Datenanalyse<br />
selbstständig<br />
ausführt. So sind<br />
Anomalien schon nach<br />
kurzer Zeit detektierbar.<br />
DIE KUPPLUNG.<br />
FÜR DIE WELT DER<br />
PRÄZISION<br />
Vanessa Weingärtner,<br />
Redakteurin,<br />
v.weingaertner@vfmz.de<br />
BK<br />
METALLBALG-<br />
KUPPLUNGEN<br />
0,05 - 10.000 Nm<br />
Höchste Präzision für<br />
Positioniergenauigkeit<br />
Spielfrei & torsionssteif<br />
RW-KUPPLUNGEN.DE
SOFTSTARTER<br />
NKE ERNEUERT GESCHÄFTSFÜHRUNG UND<br />
VERTRIEBSLEITUNG<br />
Wälzlagerhersteller NKE<br />
Austria GmbH hat eine<br />
neue Geschäftsführung:<br />
Matthias Ortner ist seit<br />
Oktober 2020 stellvertretender<br />
Geschäftsführer in<br />
Steyr. Nach dem Austritt<br />
von Geschäftsführer<br />
Thomas Witzler im<br />
vergangenen Jahr hatte<br />
Carlos Oehling, CEO der<br />
spanischen Mutterfirma<br />
Fersa Bearings, die<br />
Geschäftsführung in Steyr übernommen. Mit Matthias Ortner hat Oehling<br />
nun einen Stellvertreter vor Ort. Auch in der Vertriebsleitung gibt es eine<br />
Veränderung: Stefan Weidmann ist nun für den weltweiten Vertrieb der<br />
Wälzlager verantwortlich. Zu seinen Plänen und den Herausforderungen in<br />
der Geschäftsführung des Wälzlagerherstellers sagt Ortner: „Trotz der<br />
herrschenden Unsicherheit am Markt möchte ich das Unternehmen so<br />
ausrichten, dass wir für die Zukunft bestens aufgestellt sind und nachhaltig<br />
wachsen können. Ich möchte NKE zu einem Vorreiter in der Wälzlagerbranche<br />
formen, welcher sich auch gesellschaftspolitischen Themen wie<br />
Klimawandel oder Nachhaltigkeit annimmt.“<br />
www.nke.at<br />
VERNETZEN SIE SICH MIT<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de<br />
digital.<strong>antriebstechnik</strong>.de<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de/facebook<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de/twitter<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de/linkedin<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de/xing<br />
REKORDAUSGABEN FÜR FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 2019<br />
Der Maschinen- und Anlagenbau in Deutschland hat im Jahr<br />
2019 insgesamt 8,2 Milliarden Euro für Forschung und<br />
Entwicklung ausgegeben. Laut den aktuellen Zahlen des<br />
VDMA war dies ein Plus von 5,8 Prozent im Vergleich zum<br />
Vorjahr und zugleich ein neuer Höchststand. Dieses Ergebnis<br />
sei umso beachtlicher, als 2019 der Umsatz im Maschinenbau<br />
um knapp 2 Prozent im Vergleich zum Vorjahr zurückging.<br />
Auch die Zahl der Beschäftigten im Bereich Forschung und<br />
Entwicklung erreichte im Maschinenbau in diesem Jahr mit<br />
knapp 53 000 (Vollzeitäquivalente) einen neuen Rekord. Dies<br />
entspricht einem Zuwachs von gut 5 Prozent. Trotz aller<br />
Herausforderungen durch die Corona-Pandemie deutet sich<br />
für die Jahre 2020 und <strong>2021</strong> an, dass der Stellenwert von<br />
Forschung und Entwicklung hoch bleibt, schreibt der VDMA<br />
in seiner Mitteilung. Laut aktueller ifo Konjunktur-Umfrage<br />
erreichten die Ausgaben des Maschinenbaus für Forschung<br />
und Entwicklung im vergangenen Jahr 4,1 Prozent des<br />
Umsatzes. In der Summe betrug dies damit lediglich 0,1<br />
Prozentpunkte weniger als der Durchschnitt der Jahre 2016<br />
bis 2019. Zugleich sanken die Umsätze im Maschinen- und<br />
Anlagenbau 2020 aufgrund der Corona-Folgen um<br />
11 Prozent. In einer VDMA-Umfrage im ersten Quartal <strong>2021</strong><br />
ging gut die Hälfte der Unternehmen im Maschinen- und<br />
Anlagenbau davon aus, dass sich ihre Investitionen in<br />
Forschung und Entwicklung in diesem Jahr auf ähnlichem<br />
Niveau wie 2020 bewegen werden. 31 Prozent der Unternehmen<br />
rechneten sogar mit deutlich höheren Investitionen als<br />
im letzten Jahr und nur 12 Prozent gingen von deutlich<br />
geringeren Investitionen aus.<br />
www.vdma.org<br />
Mobile Steuerung<br />
mit dem HMI<br />
Safety-Panel<br />
SP200<br />
Das Handbediengerät mit verschiedenen<br />
Sicherheitsfunktionen<br />
wurde entwickelt zur Visualisierung<br />
von Prozessen und zur<br />
Steuerung von Maschinen.<br />
Es können Standard Tablets mit<br />
Displays zwischen 10,5“ und 11“<br />
(Android, iOS oder Windows) verbaut<br />
werden.<br />
• kabellos oder kabelgebunden<br />
• Sicherheitsfunktion nach EN 13849-1 zertifiziert<br />
• Wechselrahmen für kundenspezifische Tablets<br />
• NotHalt, Zustimmtaster und Drehgeber sind<br />
optional integrierbar<br />
• alle Tabletfunktionen uneingeschränkt nutzbar<br />
• lange Laufzeit durch zusätzliche Powerbank<br />
Alle Informationen unter:<br />
https://www.acd-gruppe.de/<strong>antriebstechnik</strong><br />
ACD Antriebstechnik GmbH<br />
Engelberg 2 | 88480 Achstetten<br />
Telefon +49 7392 708-500<br />
info@acd-<strong>antriebstechnik</strong>.de<br />
6 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
SOFTSTARTER<br />
WEIDMÜLLER<br />
ZUFRIEDEN MIT<br />
GESCHÄFTSJAHR 2020<br />
Die Weidmüller Gruppe hat<br />
das Geschäftsjahr 2020 mit<br />
einem erzielten Umsatz in<br />
Höhe von 792 Mio. EUR<br />
abgeschlossen. Das sind 4,5 %<br />
weniger als im Vorjahr.<br />
„Angesichts des Konjunktureinbruchs<br />
durch die Corona-<br />
Pandemie und den Lockdown<br />
sind wir trotz der schwierigen<br />
Rahmenbedingungen mit dem<br />
Ergebnis durchaus zufrieden“,<br />
erläuterte Technologievorstand<br />
und Vorstandssprecher<br />
Volker Bibelhausen auf der<br />
Jahrespressekonferenz. Der<br />
Ausbau von Digitalisierungsprozessen<br />
sei während der<br />
Corona-Krise in der Industrie<br />
deutlich gestiegen. Gleiches<br />
gelte auch für die Angebote<br />
für den Schaltschrankbau, für<br />
den Weidmüller durch die<br />
ganzheitliche Betrachtung des<br />
Erstellungsprozesses durchgängig<br />
aufeinander abgestimmte<br />
Lösungen bietet.<br />
Weidmüller verzeichnete<br />
insbesondere im Bereich<br />
Automatisierungsprodukte ein<br />
Wachstum im zweistelligen<br />
Bereich. „Wir sehen das auch<br />
an den zahlreichen Anfragen<br />
für unsere Industrial-IoT-Komponenten<br />
und unser Machine-<br />
Learning-Tool AutoML.“,<br />
bestätigte Bibelhausen. Mit<br />
51 Mio. EUR investierte<br />
Weidmüller 2020 zudem mehr<br />
als 6,5 % seines Umsatzes in<br />
Forschung und Entwicklung.<br />
Gleichzeitig stößt Weidmüller<br />
die größte Einzelinvestition in<br />
der Unternehmensgeschichte<br />
an. Unweit von Eisenach<br />
entsteht ein neues Logistikzentrum.<br />
Die Bauarbeiten laufen<br />
seit Herbst 2020, die Fertigstellung<br />
ist im Jahr 2022<br />
geplant.<br />
www.weidmueller.de<br />
LENZE VERKAUFT GESCHÄFTSBEREICH „MOBILE DRIVES“<br />
Im Zuge der strategischen Fokussierung verkauft der Automatisierungsexperte<br />
Lenze SE den Geschäftsbereich Mobile Drives seines<br />
Schweizer Tochterunternehmens Lenze Schmidhauser. Der Geschäftsbereich<br />
Mobile Drives entwickelt und vertreibt Komponenten für die<br />
Elektrifizierung von Nebenaggregaten in Nutzfahrzeugen. Käufer ist<br />
Bucher Hydraulics, einer weltweit agierender Hersteller für Hydrauliklösungen<br />
bei mobilen Arbeitsanwendungen. Der Vollzug der Transaktion<br />
erfolgt nach erfolgreicher Separierung des Geschäftsbereichs<br />
Mobile Drives von der Lenze-Gruppe. Bis dahin wird das Geschäft von<br />
Schmidhauser unverändert fortgeführt. Lenze will damit seiner<br />
Strategie folgen, sich auf Kernaktivitäten im Bereich der Fabrikautomation zu fokussieren.<br />
www.lenze.com<br />
www.bucherhydraulics.com
SOFTSTARTER<br />
DIGITALISIERUNG & AUSBILDUNG<br />
MOBILES LERNEN IN DER<br />
SMART FACTORY<br />
Im Maschinenbauunternehmen<br />
Mayr Antriebstechnik<br />
wird seit dem Ausbildungsstart<br />
im September 2020 für das<br />
erste Lehrjahr die mobile<br />
Lernplattform MLS (Mobile<br />
Learning in Smart Factories)<br />
der Nachwuchsstiftung<br />
Maschinenbau eingesetzt.<br />
Auszubildende der technischen<br />
Berufe Industriemechaniker/in,<br />
Mechatroniker/in und<br />
Fachkräfte für die Lagerlogistik<br />
erhalten dafür ein Tablet, über<br />
das sie erste grundlegende<br />
Informationen über den<br />
Betrieb beziehen und<br />
Aufgaben gestellt bekommen.
SOFTSTARTER<br />
Als Ausbilder für Industriemechaniker/in beim Mauerstettener<br />
Familienunternehmen Mayr ist Daniel Keppeler<br />
mit dem Medienverhalten junger Heranwachsender<br />
vertraut: „Die sogenannte ‚Generation Z‘, zu<br />
der auch unsere Auszubildenden gehören, wächst ganz selbstverständlich<br />
mit den verschiedensten digitalen Medien auf“.<br />
Deshalb sei auch bei Mayr die fortschreitende Digitalisierung,<br />
insbesondere in den technischen Berufen, Bestandteil der beruflichen<br />
Bildung, erklärt Keppeler. Das Unternehmen arbeitet<br />
dafür mit der mobilen Lernplattform MLS (Mobile Learning in<br />
Smart Factories) der Nachwuchsstiftung Maschinenbau und<br />
hat zum Ausbildungsstart im September 2020 die Auszubildenden<br />
für Industriemechaniker/in, Mechatroniker/in und Fachkraft<br />
für Lagerlogistik mit mobilen Endgeräten ausgestattet.<br />
Die Auszubildenden im ersten Lehrjahr erhalten damit ihre<br />
Aufgaben digital über ein Tablet oder den PC-Arbeitsplatz in<br />
der Firma. Angelegt werden die Aufgaben von den jeweiligen<br />
Ausbildern, die gleichzeitig mehrere Möglichkeiten vorgeben,<br />
wie und wo sich der Azubi im Vorfeld selbst informieren muss.<br />
Denn die Auszubildenden sollen sich die ersten grundlegenden<br />
Informationen selbst beschaffen, um bereits einen Einblick<br />
für die betrieblichen Fertigungsverfahren oder Abläufe<br />
zu bekommen.<br />
„Um den Dialog zwischen den Auszubildenden und ihren<br />
Ausbildern aber nicht gänzlich der Digitalisierung zu opfern,<br />
können die angelegten Aufgaben durch den Ausbilder nach<br />
einzelnen Arbeitsschritten gesperrt werden“, erläutert Keppeler.<br />
„So können gezielt Informationen abgefragt oder diverse<br />
praktische Schritte erklärt und vorgemacht werden, bevor die<br />
Auszubildenden dann selbstständig starten bzw. weiterarbeiten.“<br />
Das System bietet ein breites Spektrum an Möglichkeiten.<br />
So können z. B. auch Prüfungsvorbereitungen, Sicherheitsunterweisungen<br />
und Schulungen digital durchgeführt und dokumentiert<br />
werden.<br />
KEINE PROBLEME IM UMGANG MIT<br />
LERNPLATTFORM<br />
Gerade in Zeiten von Corona lassen sich durch den Einsatz der<br />
digitalen Plattform Kontakte, etwa in einem Schulungsraum,<br />
auf ein Minimum reduzieren oder ganz vermeiden. „Unsere<br />
Auszubildenden haben keinerlei Berührungsängste bzw. Probleme<br />
mit dieser Lernplattform umzugehen“, ergänzt Keppeler.<br />
„Und auch wir Ausbilder profitieren: Das Erstellen der einzelnen<br />
Aufgaben ist zwar aufwendig, allerdings können bestehende<br />
Aufgaben auch wiederverwendet werden, was eine<br />
enorme Arbeitserleichterung darstellt.“<br />
Für den Ausbildungsstart am 1. September 2022 hat Mayr<br />
Antriebstechnik noch einmal zwei Ausbildungsstellen ausgeschrieben.<br />
Interessierte können sich noch bis zum 1. September<br />
<strong>2021</strong> für den Ausbildungsstart am 1. September 2022 für<br />
eine Ausbildung zum Industriemechaniker/in oder zur Fachkraft<br />
für Lagerlogistik bewerben.<br />
Fotos: Mayr Antriebstechnik<br />
www.mayr.com<br />
mls.mobil-lernen.com<br />
Das Kaiser-Wilhelm-Denkmal in<br />
Porta Westfalica, unserer Heimat.
WÄLZ- UND GLEITLAGER<br />
TITEL<br />
10 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
TITEL<br />
WÄLZ- UND GLEITLAGER<br />
WÄLZLAGERTECHNIK<br />
EINTEILEN, VERGLEICHEN<br />
UND AUSWÄHLEN<br />
Für die optimale Auslegung von<br />
Wälzlagern sollte der technische und<br />
wirtschaftliche Nutzen übereinstimmen.<br />
Entscheidungshilfe für Konstrukteure<br />
bietet die ABEG-Methode von Findling<br />
Wälzlager. Anhand eigener<br />
Qualitätsstandards hat das Unternehmen<br />
sein Lager-Sortiment in vier<br />
Leistungsklassen eingeteilt.<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 11
WÄLZ- UND GLEITLAGER<br />
TITEL<br />
Mit ABEG (Advanced Bearing Expert Group) hat Findling<br />
Wälzlager eine transparente und berechenbare<br />
Entscheidungsgrundlage zur Vermeidung von Überund<br />
Unterdimensionierung von Wälzlagern geschaffen.<br />
Anwender sollen genau das Lager finden, das die Anforderungen<br />
der Anwendung am effizientesten erfüllt. So ermöglicht<br />
die Einteilung in Leistungsklassen Einsparpotenziale von 25 bis<br />
30 % zu realisieren. „Die Beratung unserer Kunden nach der<br />
ABEG-Methode ist unser Alleinstellungsmerkmal und eröffnet<br />
den Kunden Zugang zu einem einzigartigen Angebot von Wälzlagertechnik<br />
aus aller Welt“, so Klaus Findling, Geschäftsführer von<br />
Findling Wälzlager.<br />
EINTEILUNG IN LEISTUNGSKLASSEN NACH<br />
VERSCHIEDENEN KRITERIEN<br />
Die Besonderheit bei der von den Karlsruhern angewendeten<br />
ABEG-Methode ist die Verfügbarkeit des Produktsortiments in<br />
bis zu vier Leistungsklassen: Premium, Supra, Eco und EasyRoll.<br />
So wird das vielfältige und bezüglich der Leistungsfähigkeit extrem<br />
unterschiedliche Angebot der Wälzlagertechnik abgebildet.<br />
Statt sich mit der Frage der schwer ermittelbaren tatsächlichen<br />
Lebensdauer eines Produktes zu beschäftigen, nutzt man die<br />
Vorklassifizierung nach der ABEG-Methode. Dadurch kann der<br />
Anwender die komplexe Auswahl aus zahlreichen Wälzlagern erheblich<br />
einschränken.<br />
Dabei werden sowohl designtechnische Tragzahlunterschiede<br />
berücksichtigt als auch die Rohmaterialien und Komponenten<br />
wie der Wälzlagerstahl und Fette. Nicht zuletzt spielen die Fertigungsverfahren<br />
eine Rolle. Damit kommt der Konstrukteur deutlich<br />
schneller zu einer technisch wie wirtschaftlich optimalen Lagerauswahl<br />
und vermeidet Über- und Unterdimensionierung.<br />
Die Liste der Kriterien, die Wälzlager in den unterschiedlichen<br />
Leistungsklassen einzuhalten haben, ist lang. Relevant sind unter<br />
anderem Werkstoff, Tragzahlen, Toleranzen, Wärmebehandlung,<br />
Schmierstoffe und Geräuschprüfung. Nicht zuletzt spielt die<br />
Qualitätssicherung eine Rolle – und zwar sowohl die Maßnahmen<br />
des Lieferanten als auch die eigene Prüfung in den Labors<br />
des Unternehmens. „Unser Qualitätsmanagement ist streng“, betont<br />
Findling. „Wir verlassen uns nicht auf die Angaben der Lieferanten,<br />
sondern prüfen die Wälzlager selbst.“<br />
PRÄZISE PRÜFUNG DER KUGEL-GÜTEKLASSE<br />
Unter anderem gibt es bei den Wälzkörpern in jeder Leistungsklasse<br />
klare Vorgaben, die der Hersteller erfüllen muss. Dabei<br />
DIE IDEE<br />
01<br />
02<br />
„Bei der Wahl des richtigen Wälzlagers<br />
hilft in jeder Branche die<br />
Kategorisierung des Angebots nach<br />
der ABEG-Methode. Wir teilen die<br />
Produkte in vier verschiedene<br />
Leistungsklassen ein, für die wir<br />
festgelegte Kriterien definiert<br />
haben. Unsere Methode eröffnet<br />
den Kunden neben signifikanten<br />
Kosteneinsparungen übrigens auch<br />
Flexibilität: Wenn ein Lager einmal<br />
nicht lieferbar sein sollte oder zu<br />
teuer ist, lässt sich schnell und<br />
gezielt eine geeignete Alternative<br />
finden.“<br />
Klaus Findling, Geschäftsführer,<br />
Findling Wälzlager GmbH<br />
12 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
spielt z. B. die Güteklasse der Kugeln nach DIN 5401 eine Rolle.<br />
Auf der einen Seite legt diese Norm fest, wie groß die Durchmesserschwankung<br />
einer Sorte von Wälzkörpern sein darf. So werden<br />
größere Schwankungen vermieden, die sich negativ auf die Lastverteilung<br />
im Wälzlager ausüben würden. Auf der anderen Seite<br />
legt die Güteklasse zusätzlich einen Grenzwert für die Rauigkeit<br />
der Wälzkörperoberfläche fest. Eine Güteklasse von G10 beschränkt<br />
unter anderem die maximale Durchmesserschwankung<br />
V Dws<br />
einer Kugel auf 0,25 µm. Die Durchmesserschwankung V DwL<br />
einer gesamten Sorte, von der nur eine zur Fertigung eines Wälzlagers<br />
eingesetzt werden darf, liegt hier bei 0,5 µm. Die zulässige<br />
Oberflächenrauheit Ra der Kugel beträgt in diesem Fall max.<br />
0,02 µm (entspricht ca. Rz = 0,14 µm).<br />
Die Zuordnung der Hersteller zu Leistungsklassen berücksichtigt<br />
aber auch fertigungsunabhängige Parameter wie die Prozesssicherheit.<br />
Ein Beispiel hierfür wäre die Abweichung der<br />
Fettfüllmenge von der vorgegebenen mittleren Füllmenge, die<br />
im Standardfall 30 % des freien Innenvolumens des Wälzlagers<br />
beträgt. Je genauer der Prozess des Herstellers, desto höher auch<br />
die Wiederholgenauigkeit dieser Ergebnisse.<br />
LAGER SCHNEIDEN BEI RAUTIEFE POSITIV AB<br />
Bei den Versuchsreihen, die Findling Wälzlager regelmäßig<br />
durchführt, ergeben sich durchaus auch einmal positive Überraschungen<br />
– z. B. bezüglich der Oberflächenrauheit. Untersucht<br />
wurden die Rauheiten sowohl von Wälzkörpern als auch von<br />
Laufbahnen. Erwartungsgemäß sinken die Messwerte der Wälzkörper<br />
bei besserer Leistungsklasse. Die Rautiefe der Laufbahnen<br />
zeigt in diesem Fall jedoch in der Leistungsklasse Supra bessere<br />
Werte als nötig und sogar besser als bei Premium. Dies kann<br />
mehrere Gründe haben: Zum einen den sowieso schon sehr<br />
niedrigen Rauheitsbereich der Wälzlagertechnik, in Kombination<br />
mit der statistischen Normalverteilung verschiedener Wälzlager.<br />
Zum anderen untersuchte Findling in diesem Fall einen Supra-<br />
Hersteller, der einen höheren internen Werksstandard definiert<br />
hat. Derartige Maßnahmen dienen in der Regel zur Generierung<br />
von Wettbewerbsvorteilen, um sich gegen die vorwiegend deutschen<br />
und japanischen Marken-Hersteller behaupten zu können.<br />
Die Rautiefe ist ein wichtiges Kriterium, weil sie die Verschleißfestigkeit<br />
beschreibt. „Glatte Kontaktflächen führen neben einer<br />
harten und verschleißfesten Oberfläche dazu, dass das Wälzlager<br />
trotz der im Betrieb vorherrschenden hochdynamischen Belastungssituation<br />
eine lange Lebensdauer erreichen kann“, erläutert<br />
Findling. „Die auftretende Oberflächenreibung wird direkt von<br />
den Rauheiten der Wälzkörper und natürlich auch der Laufbahnen<br />
beeinflusst.“ Unabhängig von den unterschiedlichen Leistungsklassen<br />
bewegt sich die Wälzlagertechnologie im Vergleich<br />
zum allgemeinen Maschinenbau in einem Feld von geringen<br />
Rautiefen – je nach Bauteil und Type werden Werte im Bereich<br />
von Rz < 1 erreicht. Ein Punkt, der generell zu beachten ist, ist der<br />
sogenannte Einlaufverschleiß. Die dargelegten Messungen basieren<br />
auf neuwertigen Wälzlagern. Wenn ein Wälzlager jedoch für<br />
einige Zeit in Betrieb genommen wurde, entwickelt sich ein gewollter<br />
und sogenannter Einlaufverschleiß. Er trägt die mikroskopischen<br />
Spitzen der Oberflächenrauheit ab, wodurch die Rautiefe<br />
im Betrieb noch weiter absinkt.<br />
„Die Beispiele belegen, wie komplex die ABEG-Kriterien sind“,<br />
so der Unternehmenschef Findling abschließend. „Anders gesagt:<br />
Wir nehmen unseren Kunden mit der Einteilung in Leistungsklassen<br />
durchaus eine Menge Arbeit ab.“ Nicht umsonst<br />
versteht sich Findling Wälzlager nicht nur als Lieferant, sondern<br />
in zunehmenden Maß auch als Dienstleistungsunternehmen.<br />
Fotos: Findling Wälzlager GmbH<br />
www.findling.com<br />
03<br />
01 Die Besonderheit der<br />
ABEG-Methode ist die Einteilung der<br />
Wälzlager in eine der vier Leistungsklassen<br />
Premium, Supra, Eco und<br />
EasyRoll<br />
02 Je höher die Leistungsklasse, desto<br />
niedriger die Rauheit der Wälzlager;<br />
insbesondere Messwerte der Leistungsklasse<br />
Supra fallen besser aus als nötig<br />
03 Das Qualitätsmanagement<br />
ermittelt unabhängig der Herstellerangaben<br />
eigene Messwerte für jedes<br />
Wälzlager; z. B. die Prüfung der<br />
Profil- und Rauheitsbeschaffenheit<br />
mittels einer taktilen Messmaschine<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 13
WÄLZ- UND GLEITLAGER<br />
LEBENSDAUERBERECHNUNG VON WÄLZLAGERN<br />
REFERENZ-LAGERLEBENSDAUER ALS<br />
GRUNDLAGE ZUR GETRIEBEOPTIMIERUNG<br />
Die Berechnung der Referenz-Lagerlebensdauer nach ISO/TS16281<br />
berücksichtigt die Belastung der Wälzlager unter realen Betriebsbedingungen.<br />
Neben der hohen Genauigkeit dieses Berechnungsverfahrens bildet es die<br />
Grundlage für konstruktive Getriebeoptimierungen wie dem individuellen<br />
Einstellen der Lagervorspannung.<br />
Der Zeitraum bzw. die Betriebsdauer, in dem ein Wälzlager<br />
die geforderte Funktion erfüllt, bevor es zu ersten<br />
Anzeichen von Materialermüdung an den Wälzlagerkomponenten<br />
kommt, wird als Lebensdauer<br />
bezeichnet. Das einfachste Verfahren zu ihrer Bestimmung ist<br />
die nominelle Lebensdauerberechung nach ISO281. Sie beschreibt<br />
die mit 90 % Zuverlässigkeit erreichbare, rechnerische<br />
Lebensdauer für Wälzlager, wenn diese nach Stand der<br />
Technik gefertigt wurden und unter üblichen Betriebsbedingungen<br />
laufen. In die Berechnung gehen die dynamische<br />
Tragzahl C, die äquivalente dynamische Lagerbelastung P so-<br />
Christian Rüttling ist Marktmanager; Mark Zeller ist Produktmanager<br />
bei der SEW-Eurodrive GmbH & Co KG in Bruchsal<br />
wie der Lebensdauerexponent p ein (s. Formel rechts). Sollen<br />
bei der Berechnung der Lagerlebensdauer noch weitere Einflüsse<br />
wie Werkstoffqualität, Lagerschmierung und Sauberkeit<br />
berücksichtigt werden, können die Ergebnisse mit der erweiterten<br />
Lebensdauer präzisiert werden. Beiden Berechnungen<br />
ist jedoch gemeinsam, dass Einflüsse wie die Lastverteilung<br />
innerhalb des Lagers sowie Lagerspiel und<br />
-verkippung nicht in das Rechenmodell einfließen.<br />
BERECHNUNG DER LAGERLEBENSDAUER<br />
NACH ISO/TS16281<br />
Im Unterschied zu den händisch lösbaren Ansätzen dieser<br />
„Katalogmethoden“ beschreibt die ISO/TS16281 ein Verfahren,<br />
mit dem sich die Lastverteilung sowohl innerhalb eines<br />
Lagers als auch entlang eines Wälzkörpers bestimmen lässt.<br />
Mit der sich so ergebenden nominellen Referenz-Lager-<br />
14 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
WÄLZ- UND GLEITLAGER<br />
01<br />
02<br />
lebensdauer L 10rh<br />
können Aspekte wie Lagerspiel<br />
oder Verkippung von Innen- zu Außenring berücksichtigt<br />
werden.<br />
Zwar werden bei diesem Verfahren nach wie vor<br />
Tragzahlen und Lasten ins Verhältnis gesetzt, die Bestimmung<br />
der Last am Einzelkontakt ist allerdings<br />
das Ergebnis einer numerischen Lösungssuche, bei<br />
der Lagerverkippung und -einsenkung, Wellendurchbiegung,<br />
Gehäuseverformung und äußere Belastung<br />
in Einklang gebracht werden. Die Berechnung<br />
und die hierfür benötigte Datengrundlage sind<br />
wesentlich komplexer als bei bisherigen Methoden.<br />
Durch die Berücksichtigung der realen Betriebsbedingungen<br />
sind die Rechenergebnisse jedoch sehr<br />
viel detaillierter.<br />
ZUSAMMENHANG ZWISCHEN LAGER-<br />
SPIEL UND LEBENSDAUER<br />
Das Vorspannen angestellter Kegelrollenlager – also<br />
das Reduzieren des Lagerspiels – erhöht die Steifigkeit<br />
des Gesamtsystems und ermöglicht ein genau-<br />
01 Qualitative Darstellung der Lastverteilung innerhalb<br />
des Wälzkörpers<br />
02 Bei leichter Vorspannung im Betrieb (geringes negatives<br />
Betriebsspiel) können Lager ihre maximale Lebensdauer erreichen;<br />
die Lebensdauerkurve ist allerdings für jedes Lager und jede<br />
Drehrichtung unterschiedlich<br />
L 10h<br />
[h] – nominelle Lebensdauer<br />
C [N] – Dynamische Tragzahl<br />
P [N] – Äquivalente dynamische Lagerbelastung<br />
p – Lebensdauerexponent (für Kugellager p=3,<br />
für Rollenlager p=10/3)<br />
n [min -1 ] – Betriebsdrehzahl<br />
© KUKA Roboter GmbH<br />
Bremsentechnologie 4.0<br />
für höchste Ansprüche<br />
ROBA ® -servostop — Kompakte,<br />
leistungsdichte Sicherheitsbremse<br />
für Robotergelenke<br />
www.mayr.com<br />
Ihr zuverlässiger Partner<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 15
WÄLZ- UND GLEITLAGER<br />
es Führen der Wellen. Sowohl die Wärmeentstehung im Lager<br />
als auch dessen rechnerische Lebensdauer hängen maßgeblich<br />
vom Spiel in der Lagerung ab, das sich unter Betriebsbedingungen<br />
einstellt. Bedingt durch Faktoren wie<br />
thermische Längenänderung oder elastische Verformung<br />
unterscheidet sich das während der Montage eingestellte<br />
Spiel vom Betriebsspiel während der Anwendung. Der Zusammenhang<br />
zwischen Montage- und Betriebsspiel kann<br />
umso präziser beschrieben werden, je genauer man die einzelnen<br />
Einflussfaktoren kennt.<br />
Mit der Gesamtsystembetrachtung, die eine Berechnung<br />
der nominellen Referenz-Lebensdauer L 10rh<br />
mit sich bringt,<br />
kann das Lagerspiel bei der Berechnung der Lagerlebensdauer<br />
berücksichtigt werden. Das bildet die Grundlage für ein<br />
individuelles bzw. anwendungsspezifisches Einstellen der<br />
Lagervorspannung, was letztendlich die Optimierung der Lagerlebensdauer<br />
ermöglicht. Die maximale Lebensdauer wird<br />
bei leichter Vorspannung im Betrieb erreicht (geringes negatives<br />
Betriebsspiel). Die Lebensdauerkurve ist für jedes Lager<br />
und jede Drehrichtung unterschiedlich. In Bezug auf die Lagerlebensdauer<br />
ergibt sich der optimale Montagespielwert als<br />
höchster Punkt der limitierenden Lebensdauerkurven aller<br />
Lager einer Welle.<br />
BERECHNUNGSVERFAHREN AM BEISPIEL<br />
EINES KEGELSTIRNRADGETRIEBES<br />
Für einen Blick in die Praxis kann ein Kegelstirnradgetriebe<br />
herangezogen werden. Die radialen und axialen Kräfte, welche<br />
durch die Kegelradverzahnung hervorgerufenen werden,<br />
nehmen üblicherweise die Kegelrollenlager an der Tellerradwelle<br />
auf. Durch eine zu hohe Vorspannung der Wälzlager<br />
kommt es zu unnötig hohen Lastverlusten sowie dadurch bedingten<br />
Wärmequellen, die sich negativ auf die Lebensdauer<br />
auswirken. Mit der Berechnung der Lagerlebensdauer nach<br />
ISO/TS16281 kann nun lastabhängig der Montagespielwert<br />
und damit das Betriebsspiel optimal in Bezug auf die Lagerlebensdauer<br />
eingestellt werden. Die so berechnete Lagervorspannung<br />
wird bei SEW-Eurodrive an den jeweiligen Montageauftrag<br />
übergeben, sodass für jeden Antrieb das optimale<br />
Montagespiel eingestellt wird. Im späteren Anwendungsfall<br />
verringern sich durch das dann passende Betriebsspiel die lokalen<br />
Temperatur-„Hotspots“, wodurch eine homogenere<br />
Temperaturverteilung innerhalb des Getriebes erreicht wird.<br />
Neben einer längeren Lagerlebensdauer sinkt die Ölbadtemperatur,<br />
während sich die Ölstandzeit erhöht. Mit der Reduzierung<br />
der Lagervorspannung sowie der Berechnung nach<br />
ISO/TS16281 erhöht sich die rechnerische Lagerlebensdauer<br />
im Schnitt auf das 2,5-fache. Daraus ergibt sich ein verlängertes<br />
Wartungsintervall für den Antrieb, was in einer höheren<br />
produktiven Standzeit resultiert.<br />
HOHES ANWENDUNGSPOTENZIAL BEI<br />
INDUSTRIEGETRIEBEN<br />
Die Industriegetriebe der Generation X.e von SEW-Eurodrive<br />
sowie deren entsprechende Berechnungslandschaft ermöglichen<br />
das lastabhängige Berechnen und Einstellen des optimalen<br />
Montage spielwerts. Neben der damit erreichbaren<br />
Steigerung der Lager lebensdauer wurden auch thermische<br />
und akustische Aspekte des Getriebes überarbeitet. Das<br />
neue Lüfter- und Lüfterhaubenkonzept sowie ein reduzier-<br />
ter Ölstand erlauben die individuelle Anpassung der Getriebe<br />
an den jeweiligen Einsatzfall. Weitere bauteilseitige Optimierungen<br />
umfassen ein verbessertes Kegelritzelgehäuse,<br />
berührungslose Dichtungssysteme und eine neue Verzahnungstopologie.<br />
Die intelligente Kombination der umgesetzten<br />
Einzelmaßnahmen und die Berechnung durch vernetzte<br />
Softwaretools ermöglicht es Anwendern, ein exakt passendes<br />
Getriebe zu projektieren. Das Ergebnis ist größtmögliche Effizienz<br />
sowie mehr Sicherheit und Langlebigkeit, auch bei<br />
schwierigen Einsatzbedingungen.<br />
Fotos: SEW-Eurodrive GmbH & Co KG<br />
www.sew-eurodrive.de<br />
DIE IDEE<br />
„Mit der Berechnung der Lagerlebensdauer<br />
nach ISO/TS16281<br />
ist eine Gesamtsystembetrachtung<br />
möglich, die Grundlage für ein<br />
individuelles Einstellen der Lagervorspannung<br />
ist. Der Mehrwert für<br />
unsere Kunden – eine deutliche<br />
Erhöhung der rechnerischen Lager <br />
lebensdauer sowie der thermischen<br />
Grenzleistung.“<br />
Christian Rüttling, Marktmanager,<br />
SEW-Eurodrive GmbH & Co KG<br />
Mark Zeller, Produktmanager,<br />
SEW-Eurodrive GmbH & Co KG<br />
16 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
MARKTPLATZ<br />
RETROFIT VON DREHVERBINDUNGEN<br />
Zum Service-Portfolio von Rodriguez zählt das Retrofit älterer Komponenten.<br />
Vor allem groß dimensionierte Drehverbindungen müssen oftmals generalüberholt<br />
oder ersetzt werden. Im Auftrag eines großen Verkehrsbetriebes überholten<br />
die Experten vpm Rodriguez rund 550 Kugeldrehverbindungen, die als Verbindung<br />
zwischen Achse und Wagenkasten von U-Bahn-Waggons zum Einsatz kommen.<br />
Trotz des Alters von 15 Jahren sind die Komponenten noch in einem guten Zustand<br />
und werden auch lediglich in einem Bereich von ± 20° belastet. Deshalb macht ein<br />
Retrofit Sinn: Dabei übernimmt Rodriguez in einem ersten Schritt die äußerliche<br />
Begutachtung, die Aufnahme von Schäden und die Demontage. Anschließend<br />
werden die Ringe geprüft und vermessen. Daran schließt sich die Reinigung und Neulackierung der Kugeldrehverbindungen<br />
an. Die bereits genutzten Bereiche der Komponenten werden markiert, sodass die überarbeiteten Drehverbindungen versetzt<br />
zur bisherigen Einsatzposition eingebaut werden können.<br />
Bild: stock.adobe.com/kathy_80<br />
www.rodriguez.de<br />
POSITIONIEREN IM<br />
ΜM-BEREICH<br />
Mit der Telica-Plattform hat die<br />
Schweizer Etel S.A. mit Linearführungen<br />
von NSK ein Doppel-<br />
Portal-Bewegungssystem für die<br />
Halbleiterfertigung entwickelt.<br />
Das System kombiniert hohen<br />
Durchsatz und Genauigkeit.<br />
Die mechanische Architektur der<br />
Telica-Plattform besteht aus<br />
einem Doppelportalsystem, das<br />
Bewegungen in drei Freiheitsgraden<br />
für eine Gesamtzahl von<br />
acht gesteuerten Achsen<br />
ermöglicht. Das System erreicht<br />
Verfahrgeschwindigkeiten von<br />
120 m/min in der x- und y-Achse<br />
sowie 60 m/min in der z-Achse.<br />
Die maximale Beschleunigung<br />
beträgt 4 g (x-Achse), 6 g<br />
(y-Achse) und 7,5 g (z-Achse), die<br />
x-y-Wiederholgenauigkeit nach<br />
einer Bewegung der z-Achse<br />
liegt bei ± 0,25 µm oder besser.<br />
Damit sind Durchsatzgeschwindigkeiten<br />
von bis zu 10.000<br />
Einheiten pro Stunde und eine<br />
Positioniergenauigkeit von unter<br />
1 µm möglich. Etel setzt hier<br />
NH-Linearführungen ein, die<br />
über eine hohe Präzision und<br />
Wiederholgenauigkeit bei<br />
niedrigen und hohen Geschwindigkeiten<br />
verfügen.<br />
www.nsk.com
KUPPLUNGEN UND BREMSEN<br />
ANTRIEBSKOMPONENTEN<br />
STANDARDLÖSUNGEN AUS<br />
EINER HAND<br />
Mit großer Zielstrebigkeit treibt<br />
Ringspann seine Produktoffensive<br />
auf dem Gebiet der<br />
Wellenkupplungen voran. Sie ist<br />
zentraler Bestandteil der<br />
international angelegten<br />
One-Stop-Shop-Strategie des<br />
Unternehmens und befeuert auch<br />
das Wachstum der Auswahl an<br />
kurzfristig lieferbaren<br />
Standardkupplungen, die über den<br />
Webshop bestellt werden können.<br />
Konstrukteure und Beschaffer<br />
finden hier inzwischen ein<br />
beachtliches Sortiment von starren,<br />
drehstarren und drehelastischen<br />
Wellenkupplungen.<br />
Digitalisierung und Internationalisierung stellen für Ringspann<br />
wichtige Impulsgeber dar, um sich auch global<br />
nicht nur als Hersteller der industriellen Freilauftechnik,<br />
sondern als Komplettlöser für Antriebskomponenten<br />
mit einem hochwertigen und variantenreichen Sortiment zu positionieren.<br />
Vor diesem Hintergrund misst das Unternehmen aus<br />
Bad Homburg dem konsequenten Ausbau seiner Internet-Plattform<br />
große Bedeutung zu. Wann immer es daher neue Antriebselemente<br />
in sein Portfolio aufnimmt, halten diese auch Einzug in<br />
das wachsende Angebot des Ringspann-Webshops.<br />
Aktuell besonders dynamisch entwickelt sich hierbei die Auswahl<br />
starrer, drehstarrer und drehelastischer Wellenkupplungen.<br />
Es wurde in den letzten Wochen und Monaten durch zahlreiche<br />
weitere Baureihen erweitert, die nun auch direkt im Webshop<br />
verfügbar sind. Vorrangig handelt es sich bei den Online-Neuheiten<br />
um weitere Klauenkupplungen, Zahnkupplungen, Bolzenkupplungen<br />
und Flanschkupplungen – allesamt also solche Wel-<br />
Mirco von Stein, freier Fachjournalist, Darmstadt<br />
lenkupplungen, die als Standardlösungen ein großes Spektrum<br />
antriebstechnischer Anwendungen im Anlagen- und Maschinenbau<br />
abdecken.<br />
WELLENKUPPLUNGEN FÜR SCHWER-<br />
INDUSTRIE ODER WERKZEUGMASCHINEN<br />
Die neu im Ringspann-Webshop erscheinenden Tru-Line<br />
Flanschkupplungen der Baureihe RFK…TBO zählen zur Gruppe<br />
der starren Wellenkupplungen und eignen sich zur Herstellung<br />
spielfreier Konus-Spannverbindungen. Sie haben ein kompaktes<br />
Design und punkten mit kurzen axialen Ausrückwegen, weshalb<br />
sie sich z.B. für den Einsatz in Antriebsaggregaten oder Bandantrieben<br />
mit beengten Platzverhältnissen empfehlen. Überaus<br />
kompakt bauen auch die drei neu verfügbaren Zahnkupplungen<br />
der Baureihen RDZ…DTO, RDZ…DFO und RDZ…EEO. Hierbei<br />
handelt es sich um drehstarre Wellenkupplungen. Je nach Bauform<br />
können sie Drehmomente bis zu 391 500 Nm ohne nennenswerten<br />
Drehwinkelversatz übertragen und sowohl axialen,<br />
radialen als auch winkeligen Wellenversatz ausgleichen. Die Baureihen<br />
RDZ…DTO und RDZ…DFO sind primär für Anwendungen<br />
18 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
KUPPLUNGEN UND BREMSEN<br />
in der Schwerindustrie und Montantechnik sowie in Pumpen, Förderbändern<br />
und Ventilatoren ausgelegt. Die als Stahl-Polyamid-Kombination konstruierten<br />
Wellenkupplungen RDZ…EEO zeichnen sich durch geringes Gewicht<br />
aus und sind für fluidtechnische Applikationen (Hydraulik, Pumpen)<br />
bei Temperaturen von -25° C bis 100° C geeignet.<br />
Die größte Angebotsausweitung hat Ringspann in der Kategorie der drehelastischen<br />
Wellenkupplungen für die schwingungsdämpfende Drehmoment-<br />
Übertragung vorgenommen. Hier wuchs die online verfügbare Auswahl um<br />
die vier Klauenkupplungs-Baureihen REK…DCO, REK…DGO, REK…DHO<br />
und REK…DGZ sowie um die Bolzenkupplungs-Serie REB...DCO. Die Klauenkupplungen<br />
benötigen keine Schmierung und können bei Bedarf mit einer<br />
Konformitätserklärung nach ATEX 2014/34/EU ausgeliefert werden. Sie haben<br />
je nach Bauart gerundete Klauen (DCO), gekapselte Elastomer-Elemente<br />
(DGO), gekapselte Elastomer-Elemente und zweiteilige Naben (DHO)<br />
oder gekapselte Elastomer-Elemente und Zwischenstücke (DGZ). Typische<br />
Anwendungen für diese Wellenkupplungen sind die Antriebssysteme von<br />
Pumpen, Ventilatoren, Kranfahrwerken, Werkzeugmaschinen und Förderbändern.<br />
Bezüglich der übertragbaren Nenndrehmomente decken sie – je<br />
nach Ausführung – eine Spanne von 34 bis 169 000 Nm ab. Ausgelegt für Wellen-Anwendungen<br />
mit weitaus größeren Drehmomenten bis zu 1 299 500 Nm<br />
sind die Bolzenkupplungen REB…DCO im Ringspann-Sortiment.<br />
SMART SOLUTION AUS WELLEN- UND<br />
ÜBERLASTKUPPLUNGEN<br />
Insbesondere dank gezielter Erweiterungen in allen Produktgruppen kann<br />
das Unternehmen seinen Kunden inzwischen auch eine Vielzahl innovativer<br />
Smart Solutions anbieten, mit denen sich der Zeit- und Kostenaufwand sowohl<br />
im Engineering als auch in der Montage erheblich reduzieren lässt. Ein<br />
anschauliches Beispiel dafür ist die Kombination von drehelastischen Wellenkupplungen<br />
mit hochtemperaturbeständigen Überlastkupplungen. Martin<br />
Schneweis, verantwortlicher Produktmanager für die Ringspann-Wellenkupplungen,<br />
präzisiert: „Im konkreten Fall kombinierten wir Bolzenkupplungen<br />
der Größe REB 0198 DCO mit unseren Rutschnaben vom Typ RSHD<br />
250E spezial. So entstand eine innovative Paketlösung für den Antriebsstrang<br />
einer Siebtrommel in einer neuen Anlage zur Schüttgut-Verarbeitung.“ Während<br />
die Bolzenkupplung den Versatz zwischen den Wellen des Strangs ausgleicht<br />
sowie betriebsbedingte Stöße und Schwingungen dämpft, dient die<br />
Rimostat-Rutschnabe als Überlastschutz beim Blockieren der Siebtrommel<br />
GROSSE AUSWAHL FÜR STARRE, DREHSTARRE UND<br />
DREHELASTISCHE VERBINDUNGEN<br />
Mit seinem aktuellen Gesamtprogramm von 22 Wellenkupplungs-Baureihen,<br />
die nahezu alle derzeit im Maschinen- und Anlagenbau relevanten Typen repräsentieren,<br />
eröffnet Ringspann den Konstrukteuren, Produktentwicklern<br />
und Ingenieuren große Freiräume für die Realisierung starrer, drehstarrer<br />
oder drehelastischer Verbindungen zwischen Wellen, Getrieben, Motoren<br />
und Maschinen. Der Webshop des Unternehmens deckt durch die jüngsten<br />
Erweiterungen inzwischen einen Großteil dieses Portfolios ab. Zusätzlich<br />
stehen hier Kataloge, Datenblätter, Betriebsanleitungen und die 3D CAD-Daten<br />
zum freien Download zur Verfügung.<br />
Fotos: Ringspann GmbH<br />
www.ringspann.de<br />
Die Auswahl an Wellenkupplungen bietet<br />
Konstrukteuren viel Freiraum für die Realisierung<br />
starrer, drehstarrer oder drehelastischer Verbindungen<br />
zwischen Wellen, Getrieben und Motoren<br />
DIE IDEE<br />
„Hinsichtlich des Zusammenspiels<br />
der technischen Parameter ihrer<br />
beiden Komponenten sind unsere<br />
Smart Solutions exakt auf die<br />
Anwendung im Antriebssystem<br />
abgestimmt.“<br />
Martin Schneweis, Produktmanager,<br />
Ringspann GmbH<br />
Perfekt verbunden<br />
Bei uns bekommen Sie die optimale Präzisionskupplung<br />
für Ihre Anwendung.<br />
Metallbalgkupplungen Elastomerkupplungen Gelenkkupplungen www.kbk-<strong>antriebstechnik</strong>.de<br />
DU_RZ_KBK_<strong>antriebstechnik</strong>_Nr6_185x30.indd 1 27.04.21 07:46<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 19
KLEINSTER CANOPEN-DREHGEBER AUF DEM<br />
MARKT<br />
Baumer erweitert sein<br />
Produktportfolio der Reihe<br />
MAGRES EAM mit dem<br />
EAM 300, dem kleinsten<br />
absoluten Multiturn-Drehgeber<br />
mit CANopen-<br />
Schnittstelle auf dem<br />
Markt. Der EAM 300<br />
verschafft mehr Platz bei<br />
der Maschinenkonstruktion<br />
oder lässt sich einfach in gegebene Strukturen nachrüsten.<br />
Sein Durchmesser beträgt nur 30 mm, die Länge beschränkt<br />
sich auf 59 (Vollwelle, radial) beziehungsweise 53,3 mm<br />
(Hohlwelle, radial). Der Drehgeber bietet eine Absolutgenauigkeit<br />
von bis zu ±0,15°. Die magnetische Abtastung liefert auch<br />
in rauer Umgebung zuverlässig Signale. Zahlreiche Varianten<br />
garantieren mehr Freiheit im Design. Verfügbar sind alle<br />
Kombinationen von Voll- oder Hohlwellengeber mit Stecker<br />
oder Kabelanschluss sowie axialem oder radialem Abgang.<br />
www.baumer.com<br />
SPEZIALSCHMIERSTOFF FÜR<br />
PLANETENGETRIEBE<br />
Einen verbesserten<br />
Verschleißschutz in<br />
einem gleichzeitig<br />
erweiterten Temperaturbereich<br />
bietet Getriebehersteller<br />
Neugart mit<br />
einem neuen, gezielt für<br />
Planetengetriebe<br />
entwickelten Spezialschmierstoff.<br />
Das neue Schmierfett „Klübersynth GE 14-112“ ist<br />
das Ergebnis einer Entwicklungspartnerschaft mit dem<br />
Schmierstoffspezialisten Klüber. Als Spezialfett für hochbelastete<br />
Kleingetriebe zeichnet es sich durch spezifische Additive<br />
aus, die genau auf die Anforderungen von Planetengetrieben<br />
abgestimmt wurden. „Herausgekommen ist eine passgenaue<br />
Lösung mit zahlreichen Vorteilen für die Kunden von Neugart“,<br />
erklärt Jürgen W. Gehrig, Vertriebsbezirksleiter bei Klüber<br />
Lubrication. „Die neue Lösung geht noch stärker auf kundenspezifische<br />
Anforderungen ein, da sie einen noch weiteren<br />
Anwendungsbereich ermöglicht“.<br />
www.neugart.com<br />
PASSGENAUE KLEMMRINGE FÜR DEN<br />
MASCHINENBAU<br />
Anwender erhalten bei KBK Antriebstechnik genau auf ihre<br />
Anforderungen abgestimmte Klemmringe. Auch individuelle<br />
Modifikationen sind möglich. Die Klemmringe sind mit Passfedernuten<br />
erhältlich, werden mit individuellen Bohrungen<br />
versehen oder in verschiedenen Verhältnissen von Außen- zu<br />
Innendurchmesser geliefert. KBK fertigt sowohl ein- als auch<br />
zweiteilige Klemmringe aus brüniertem Stahl und Edelstahl<br />
sowie aus hochfestem Aluminium. Die Klemmringe lassen sich<br />
nicht nur zur axialen Sicherung von Bauteilen auf Vollwellen,<br />
sondern auch für die Drehmomentübertragung auf Hohlwellen<br />
einsetzen.<br />
www.kbk-<strong>antriebstechnik</strong>.de<br />
Ackermann.indd 1 24.03.2009 16<br />
RS_Festgefahren_AT_<strong>2021</strong>-6 30.04.<strong>2021</strong> 14:29 Uhr Seite 1<br />
Festgefahren in<br />
alter Technik?<br />
info@uhing.com<br />
Entdecken Sie<br />
neue Möglichkeiten<br />
www.aufglatterwelle.de<br />
20 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
MARKTPLATZ<br />
OPTIMAL ZUGESCHNITTEN STATT OVERENGINEERED<br />
Verschiedene Applikationen bedeuten mitunter auch unterschiedliche Anforderungen an die<br />
Präzision. Dies zeigt sich u.a. in den Branchen Automation und Verpackung. Neben Antrieben für<br />
Positionieraufgaben mit hoher Dynamik werden gleichzeitig solche benötigt, die sich für Formatverstellungen<br />
oder als Zuführantriebe eignen. Und genau diese müssen zu dem insgesamt hohen<br />
Qualitätsanspruch der Maschinen hinsichtlich Laufruhe, Spielstabilität und Lebensdauer passen.<br />
„Exakt diese Anforderungen erfüllt unsere Economy-Variante“, erläutert Rainer Wegener, Bereichsleiter<br />
Management Center Sales bei Stöber. Mit dem Ziel den jeweiligen Kundenanforderungen<br />
optimal gerecht zu werden, hat der Antriebsspezialist seine PE-Getriebe weiterentwickelt und<br />
als zweite Generation auf den Markt gebracht. Sie sind auch weiterhin mit einer Schrägverzahnung<br />
ausgestattet. Im Vergleich zu üblichen geradverzahnten Getrieben sorgt die Schrägverzahnung für niedrige Laufgeräusche und eine<br />
hohe Gleichförmigkeit. Der Anwender profitiert grundsätzlich von einer sehr wirtschaftlichen und gleichzeitig leistungsstarken<br />
Lösung. „Bei der zweiten Generation konnten wir das Beschleunigungsmoment um 45 und das Nennmoment sogar um 50 Prozent<br />
steigern. Das bedeutet eine deutliche Verbesserung in der Performance. Die zweistufige Variante baut zudem kürzer. Damit sind die<br />
Getriebe leichter und insgesamt kompakter“, ergänzt Michael Oberländer, Abteilungsleiter der Stöber Getriebeentwicklung.<br />
www.stoeber.de<br />
LOW-NOISE-GETRIEBE<br />
FÜR HOHE LASTEN<br />
SEW-EURODRIVE—Driving the world<br />
Mit der Serie GP56-N hat<br />
Nanotec nun auch geräuscharme<br />
Planetengetriebe für<br />
bürstenlose DC-Motoren und<br />
Schrittmotoren mit Flanschgröße<br />
56 und 60 mm im<br />
Programm. Die Schrägverzahnung<br />
der ersten Getriebestufe<br />
ermöglicht einen gleichmäßigen<br />
und fließenden Eingriff<br />
bei hoher Laufruhe. Da die<br />
Planetenräder und das<br />
Hohlrad aus einem hochwertigen,<br />
verschleißarmen<br />
Kunststoff bestehen, sind die<br />
neuen Getriebe um bis zu<br />
10 dB leiser als herkömmliche<br />
geradeverzahnte Metallgetriebe.<br />
Die Getriebe sind in<br />
ein- und zweistufiger<br />
Ausführung in neun verschiedenen<br />
Untersetzungen<br />
zwischen 3:1 und 35:1<br />
erhältlich und bieten ein<br />
Abtriebsdrehmoment von 1,5<br />
bis 11,8 Nm. Aufgrund ihres<br />
kompakten Designs und<br />
hohen Wirkungsgrads eignen<br />
sich die Low-Noise-Getriebe<br />
von Nanotec ideal für<br />
Anwendungen in medizinischen<br />
Geräten und in der<br />
Gebäudeautomation.<br />
www.nanotec.de<br />
Geordert, gebaut, gepackt, to go!<br />
Industriegetriebe in 5 Arbeitstagen auf dem Weg zu Ihnen.<br />
Good News für alle, die es eilig haben: Industriegetriebe von SEW-EURODRIVE kommen jetzt noch schneller zu Ihnen.<br />
Das Industriegetriebe-to-go-Programm macht’s möglich. Alle unsere ATO 5-Produkte* verlassen nach 5 Arbeitstagen ab<br />
Bestellung das Großgetriebewerk in Bruchsal. Schneller geht’s kaum noch. Außer im Notfall: hier befindet sich das<br />
ATO 5-Industriegetriebe bereits nach nur einem Arbeitstag auf dem Weg zu Ihnen.<br />
Mehr zu Industriegetriebe to go: www.sew-eurodrive.de/ato5<br />
* Dieses Angebot gilt für die meisten unserer Standard-Industriegetriebe.
ELEKTROMOTOREN<br />
SYNCHRONANTRIEBE<br />
MIT ÖLFREIEN TROMMELMOTOREN<br />
SAUBER PRODUZIEREN<br />
Ein Anbieter von Verarbeitungsmaschinen und Dienstleistungen für die Geflügel-, Fleischund<br />
Fischindustrie Marel sieht eine immer größere Nachfrage nach hygienischeren<br />
Designs. Mit neuen ölfreien Synchron-Trommelmotoren hat das Unternehmen eine<br />
saubere und leistungsstarke Alternative zu den bisherigen Asynchronmotoren gefunden.<br />
Als Projektmanager bei Marel beschäftigt sich Andri Sveinsson<br />
täglich mit den Antrieben, die Lebensmittel<br />
durch die Maschinen seines Unternehmens transportieren.<br />
Er koordiniert die Konstruktionsteams von Marel,<br />
sammelt Informationen und sorgt für einen regen Informationsaustausch<br />
aller Beteiligten. Dazu gehört auch die Verantwortung<br />
für das strategische und operative Projektmanagement in verschiedenen<br />
Entwicklungsprojekten. Tag für Tag arbeitet er an<br />
Verbesserungen für alle Hauptbranchen des Unternehmens: die<br />
Geflügel-, Fleisch- und Fischverarbeitung.<br />
Eine Kontamination von Lebensmitteln ist nicht akzeptabel.<br />
Hygienische Designs sind deshalb überaus wichtig. Sveinssons<br />
interner Motorenkatalog reduziert dafür die Komponentenanzahl<br />
auf das absolute Minimum. Komponenten, die nicht existieren,<br />
benötigen keine HACCP-Analytik, können keine Kontaminationen<br />
verursachen und müssen auch nicht gereinigt werden.<br />
Mit ihrer einzigartigen Konstruktion erfüllen Trommelmotoren<br />
diesen Bedarf perfekt, da sie den externen Motor, Welle und Getriebe<br />
sowie die Motorbefestigung in die ohnehin erforderlichen<br />
Umlenkrollen auf der Antriebsseite der Förderbänder integrieren.<br />
Es ist leicht zu erkennen, dass dies die hygienischere Lösung<br />
gegenüber einem seitlich am Förderer montierten Getriebemotor<br />
ist. Darüber hinaus reduzieren Trommelmotoren auch die<br />
Gerhard Froebus ist Geschäftsführer bei der<br />
Momentum Technologies GmbH in Hückelhoven-Baal<br />
einzelnen Komponenten einer Maschine, was die Konstruktion<br />
erleichtert. Zudem sind die neuen Antriebe im Verarbeitungsbetrieb<br />
nun besonders kühl.<br />
ÖLFREI UND TROTZDEM KÜHL IM BETRIEB<br />
Die neuen Synchron-Trommelmotoren von Momentum Technologies<br />
erreichen bei voller Leistung in einer Umgebungstemperatur<br />
von 20 °C lediglich eine Oberflächentemperatur von rund 45 °C,<br />
während andere Synchron-Trommelmotoren wesentlich heißer<br />
werden können. Zugleich werden die Motoren ölfrei betrieben.<br />
Das ist bei anderen Trommelmotoren nicht automatisch der Fall,<br />
insbesondere, wenn von ihnen ein kühler Betrieb gefordert wird.<br />
Dies liegt daran, dass Öl auch zur Kühlung des Motors verwendet<br />
wird. Aber Öl ist – selbst in einem hermetisch abgedichteten Trommelmotor<br />
– ein kritischer Kontrollpunkt in HACCP-Konzepten, der<br />
bei hygienischsten Konstruktionen idealerweise vermieden werden<br />
sollte. Aber wie kann die Betriebstemperatur gesenkt werden,<br />
während gleichzeitig das Öl zur Kühlung fehlt?<br />
Hierfür ist das Konstruktionsprinzip von Synchronmotoren<br />
verantwortlich, da im Vergleich zu dem von Asynchronmotoren<br />
wesentlich energieeffizienter ist. Darüber hinaus spielt aber auch<br />
das spezifische Design der Momentum-Motoren eine große Rolle,<br />
wie herstellerunabhängige thermische Tests gezeigt haben. In<br />
der Summe erlaubt die Verarbeitungsmaschine dadurch hohe<br />
Produktivität und gleichzeitig eine Reduzierung des Energieverbrauchs<br />
bei der Lebensmittelverarbeitung – und das ohne Öl.<br />
22 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
ELEKTROMOTOREN<br />
Die Synchron-Trommelmotoren leisten auch ölfrei einen<br />
effizienten Betrieb ohne übermäßige Hitze zu produzieren<br />
WENIGERE VARIANTEN REDUZIEREN BETRIEBSAUFWAND<br />
Momentum-Mitgründer Gerhard Froebus´ Ziel ist es, qualitativ hochwertige Trommelmotoren<br />
mit der bestmöglichen Haltbarkeit wirtschaftlich zur Verfügung zu stellen.<br />
Mit ihrer genormten und massiven 30 mm Achse sind sie z. B. stabiler als Modelle<br />
mit 17 mm oder 22 mm Achsen. Anwender profitieren dadurch von niedrigeren<br />
Wartungskosten, als auch von einer nachhaltigen Auslegung. Ein Nebeneffekt der<br />
standardisierten, stärkeren Achse ist eine weniger komplexe Produktpalette, da für<br />
alle Konfigurationen die gleiche Achse verwendet werden kann.<br />
Für Anwender wie Marel bedeutet diese Standardisierung identische Montagebedingungen,<br />
unabhängig davon, welche spezifische Motorkonfiguration verwendet<br />
wird. Zugleich bedeutet das wesentlich breitere Leistungsspektrum der Synchron-<br />
Trommelmotoren gegenüber Asynchron-Trommelmotoren, dass Marel weniger Trommelmotorvarianten<br />
in seinen Konstruktionen benötigt. Sveinsson beabsichtigt durch<br />
den Wechsel zu synchronen Trommelmotoren die Trommelmotorvarianten deutlich<br />
zu konsolidieren. So wird das von ihm verwaltete Portfolio in Zukunft nur noch 1/3 so<br />
groß sein. Eine solch Variantenreduzierung vereinfacht den Design-In- und Dokumentationsaufwand<br />
erheblich. Sie verringert auch die Lager- und Ersatzbeschaffungskosten.<br />
Die vereinfachte Wartung reduziert zudem sowohl den Arbeitsaufwand beim<br />
Service als auch den Schulungsbedarf.<br />
139ER KLASSE MIT HOHEM DREHMOMENT<br />
Die neuesten Modelle von Momentum Technologies finden sich in der neuen ölfreien<br />
Synchron-Trommelmotorreihe, z. B. die 180 Nm-Hochleistungsvariante, die einen<br />
neuen Benchmark in punkto kompaktes Drehmoment aufstellt. Alternative Trommelmotoren<br />
der 139er Klasse gleichen Durchmessers erreichen bisweilen nur ca. die Hälfte<br />
des Drehmoments. Um ein vergleichbares Drehmoment mit konventionellen Konstruktionen<br />
nutzen zu können, bräuchte man 165 oder gar 215 mm Asynchron-Trommelmotoren.<br />
Gleichzeitig ist der neue MTD139 als Low-Power Motor der IE4-Klasse<br />
deutlich energiesparender und kühler laufend, was ihn in IP66/69K-Edelstahlausführung<br />
auch für die Lebensmittelindustrie geeignet macht.<br />
Fotos: Autorenbild: Marel, Aufmacher + 01: Momentum Technologies GmbH<br />
www.momentum-tec.de<br />
DIE IDEE<br />
„Momentum-Trommelmotoren sind<br />
leistungsstark, kühl, trocken und<br />
robust. Darüber hinaus ist der<br />
Service von Momentum Technologies<br />
wirklich hervorragend und auf<br />
den Punkt.“<br />
Andri Sveinsson, Projektmanager<br />
Innovation, Marel<br />
Hochleistungs Elektrozylinder<br />
Intelligente Antriebstechnik<br />
mit RACOmatic ®<br />
Ermöglicht Bewegungsprofile<br />
weg- und kraftgesteuert im<br />
Maschinen- und Anlagenbau<br />
SPANNVORRICHTUNGEN<br />
STELLEINRICHTUNGEN<br />
HUBEINRICHTUNGEN<br />
SCHWENKEINRICHTUNGEN<br />
RACO-ELEKTRO-MASCHINEN GmbH<br />
raco.de
KOMPONENTEN UND SOFTWARE<br />
ANTRIEBSSIMULATION<br />
SCHWINGUNGEN PER SOFTWARE<br />
ANALYSIEREN<br />
D. Marano, Senior Transmission Engineer, GearLAB;<br />
L. Pascale, Senior Transmission Engineer, GearLAB;<br />
J. Langhart, Senior Engineer – Global sales, KISSsoft AG;<br />
S. Ebrahimi, Software Developer, KISSsoft AG;<br />
T. Giese, Technical Director, FunctionBay GmbH<br />
Elektrische Antriebe haben charakteristische<br />
Geräusche, die aus den elektromagnetischen<br />
Kräften, dem Antriebsstrang und anderen<br />
Quellen entstehen. Die Geräusche sind dabei<br />
nichts Anderes als Schwingungen im<br />
Antriebssystem. Um diese schon früh<br />
vorherzubestimmen und wenn möglich zu<br />
vermeiden, gibt es leistungsfähige<br />
Variantenrechnungen und Simulationssoftware.<br />
Der im Folgenden analysierte E-Antrieb ist ein zweistufiges<br />
Getriebe mit einem Gang, welches die Vorderachse<br />
eines Elektrofahrzeugs antreibt, wie im Bild oben dargestellt.<br />
Die Auslegung und Lebensdauerberechnung des<br />
Antriebstranges wird in KISSsys durchgeführt.<br />
Die Leistung wird von einem Permanentmagnet-Synchronmotor<br />
über eine Keilwellenverbindung auf die Antriebswelle übertragen.<br />
Die elektrische Maschine hat 2p=6 Pole und s=36 Statornuten.<br />
Die Abtriebsstufe beinhaltet auch das Differentialgehäuse.<br />
Der Differential-Triebsatz wird in der vorliegenden Arbeit nicht<br />
berücksichtigt.<br />
In Bild 01 sind die Tragbilder und Eingriffsstrecken der Zahnräder<br />
für zwei Auslegungen angegeben, und zwar für Zahnräder<br />
mit niedriger Überdeckung (LCR) und Zahnräder mit hoher<br />
Überdeckung (HCR), welche eine Profilüberdeckung ε_α von<br />
über 2 erreichen. Für beide Auslegungen ist die Eingriffsordnung<br />
der ersten Stufe 23,00 und die Eingriffsordnung der zweiten Stufe<br />
9,98. Die Ordnung 1 bezieht sich auf die Welle der elektrischen<br />
Maschine.<br />
GERÄUSCH- UND SCHWINGUNGSSIMULATION<br />
DES E-ANTRIEBES<br />
Die Simulationen werden durchgeführt, um die Optimierung des<br />
HCR-Getriebes gegenüber des LCR-Getriebes in Bezug auf die<br />
Drehwegabweichung (PPTE), den Zahneingriff und die Lagerkräfte<br />
zu bewerten. Die aus der HCR-Getriebesimulation resultierende<br />
äquivalente Abstrahlleistung (ERP) des Gehäuses wird<br />
analysiert. Die Modifikationen der Zahnrad-Mikrogeometrie<br />
wurden mit Hilfe von KISSsys entworfen: Schrägungswinkelmodifikation<br />
und Balligkeiten wurden angewendet, um den Breitenlastfaktor<br />
K_Hβ zu reduzieren, während die Kopfrücknahme und<br />
die Profilballigkeit angewendet wurden, um den Kontaktstoß zu<br />
eliminieren und die Drehwegabweichung zu optimieren. Die folgenden<br />
Ergebnisse werden für ein Eingangsdrehmoment von<br />
60 Nm (fast 50 % des Nenndrehmoments) bei 1000 U/min erzielt.<br />
ANALYSE DER ERZWUNGENEN SCHWINGUNG<br />
Die Forced-Response-Analyse wurde mit RecurDyn, einer Mehrkörperdynamik-Software<br />
(MBD), durchgeführt, wobei sich die<br />
Getriebedaten dafür aus dem KISSsys-Modell importieren lassen.<br />
Es wurden vier Simulationen nach dem folgenden Schema<br />
durchgeführt:<br />
n LCR- und HCR-Getriebe, starres Gehäuse<br />
n LCR- und HCR-Getriebe, flexibles Gehäuse<br />
Um die Auswirkung einer höheren Überdeckung auf den dynamischen<br />
Übertragungsfehler und die Zahneingriffskraft besser zu<br />
24 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
KOMPONENTEN UND SOFTWARE<br />
DIE IDEE<br />
01 Auswirkung der Modifikationen auf das in mit der Software berechnete Tragbild und<br />
den statischen PPTE<br />
verstehen – welche wiederum die transienten Lagerkräfte bestimmen<br />
– wird die erste Simulation mit starrem Gehäuse durchgeführt.<br />
Die Hauptanregungsordnungen sind wie folgt:<br />
n Ordnungen 23 und 46: jeweils erste und zweite Harmonische<br />
der Zahneingriffsfrequenz für die erste Zahnradstufe.<br />
n Ordnungen 10, 20 und 30: jeweils erste, zweite und dritte Harmonische<br />
der Zahneingriffsfrequenz für die zweite Zahnradstufe.<br />
Außerdem wird das Oberschwingungsspektrum des Signals analysiert.<br />
Die Ergebnisse bestätigen eine deutliche Reduzierung der<br />
Amplituden der Eingriffsordnungen sowohl für die erste als auch<br />
für die zweite Stufe des Getriebes zwischen den HCR- und LCR-<br />
Getriebeausführungen.<br />
Im weiteren Verlauf wurden die Zahneingriffskräfte (FM) aufgetragen<br />
und deren Oberwellen analysiert. Für den ersten Fall<br />
sind die dominierenden Ordnungen diejenigen, welche mit den<br />
Zahneingriffsfrequenzen der ersten Untersetzungsstufe zusammenhängen;<br />
für das LCR-Getriebe ist neben der Ordnung 10 und<br />
ihren Oberwellen vor allem die Ordnung 23 auffällig.<br />
Zusätzlich wurden die Lagerkräfte verglichen und das Frequenzspektrum<br />
grafisch dargestellt. Da die Lager die dynamische Belastung<br />
auf das Gehäuse übertragen, führt eine Verringerung des<br />
Oberwellenanteils der Lagerkräfte zu einer Verringerung der Gehäuseanregung,<br />
was letztlich zu einer Reduzierung des Gesamtgeräuschpegels<br />
führt.<br />
Bei allen Lagern hat sich die Amplitude verringert, auch wurden<br />
die meisten Oberschwingungen durch den Ersatz des LCR-Zahnradsatzes<br />
durch den HCR-Zahnradsatz reduziert. Bei den Lagern<br />
auf der Eingangswelle beziehen sich die Hauptordnungen auf die<br />
Eingriffsfrequenz der ersten Stufe des Getriebes und deren Oberschwingungen.<br />
Für die Lager auf der Zwischenwelle sind die<br />
Zahneingriffsfrequenzen der ersten und zweiten Stufe vorhanden.<br />
Bei den Lagern auf der Abtriebswelle beziehen sich die Hauptordnungen<br />
auf die Zahneingriffsfrequenz der zweiten Stufe und deren<br />
Oberschwingungen.<br />
„Mit unserer Methode und<br />
der der verwendeten<br />
Software Kisssys ist es uns<br />
gelungen, den E-Antrieb zu<br />
simulieren. So konnten zwei<br />
verschiedene Konfigurationen<br />
hinsichtlich der<br />
Geräuschentwicklung<br />
miteinander verglichen<br />
werden. Auch konnte das<br />
Ausmaß der Schwingungen<br />
am Gehäuse mit Konturdiagrammen<br />
dargestellt<br />
werden.“<br />
Davide Marano, Senior<br />
Transmission Engineer,<br />
GearLab, Modena<br />
AKUSTISCHE ABSTRAHLLEISTUNG (ERP)<br />
Die akustische äquivalente Abstrahlleistung (ERP) ist definiert<br />
als:<br />
e_ERP=f_RLF∙1/2∙C∙ρ∙∑(A_i∙v_i^2 ) (1)<br />
wobei f_RLF der Strahlungsverlustfaktor, C die Schallgeschwindigkeit,<br />
ρ die Dichte des Gehäuses, das die Schwingung (d. h. das<br />
Geräusch) auf die Luft überträgt, A_i die Fläche auf der i-ten flexiblen<br />
Platte und v_i die Flächennormalgeschwindigkeit auf der i-<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 25
KOMPONENTEN UND SOFTWARE<br />
02 Vergleich zwischen dem<br />
LCR-Getriebe und dem<br />
HCR-Getriebe in Bezug auf das<br />
Geräuschverhalten: die helleren<br />
Bereiche zeigen eine höhere<br />
Schallleistungsabstrahlung<br />
ten flexiblen Platte darstellt. Weitere Details sind im Handbuch<br />
von Functionbay (2020) zu finden.<br />
Im Bild 02 auf dieser Seite wird der Vergleich zwischen dem<br />
LCR-Getriebe und dem HCR-Getriebe in Bezug auf die äquivalente<br />
Abstrahlleistung (ERP) dargestellt: die helleren Bereiche sind<br />
repräsentativ für eine höhere Schallabstrahlleistung, was die<br />
Wirksamkeit von Hochverzahnungen zur Verbesserung des NVH-<br />
Verhaltens bestätigt. Die grafische Darstellung ist sehr hilfreich,<br />
um zu verstehen, welchen Beitrag die einzelnen Gehäusestellen<br />
zur Geräuschemission leisten, und um spätere Konstruktionsänderungen<br />
(lokale Versteifung des Gehäuses, z. B. durch Rippen)<br />
vorzunehmen.<br />
ZUSAMMENFASSUNG<br />
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methodik zur Analyse des<br />
NVH-Verhaltens einer E-Achse von einem Fahrzeug aufgezeigt.<br />
Das EV-Getriebe wurde mit KISSsys entworfen und die Verzahnungen<br />
mittels geeigneter Flankenmodifikationen optimiert. Die<br />
E-Achse wurde als vollflexibles Mehrkörpersystem in RecurDyn<br />
modelliert und die erzwungene Schwingung bei konstanter<br />
Drehzahl des Elektromotors berechnet.<br />
Das NVH-Verhalten von Getrieben mit hohem Überdeckungsverhältnis<br />
(HCR) erhielt eine dementsprechende Bewertung in<br />
Bezug auf das Standard-ISO-53-Getriebeprofil A. Die Drehwegabweichung<br />
(PPTE), der Zahneingriff und die transienten Lagerkräfte<br />
wurden für beide Konfigurationen verglichen, was die Verbesserung<br />
des NVH-Verhaltens vom E-Antrieb durch die HCR-<br />
Verzahnung im Vergleich zur LCR-Verzahnung aufzeigt.<br />
Schließlich fand ein Vergleich von den äquivalenten Abstrahlleistungen<br />
(ERP) des Gehäuses statt, die sich aus den Simulationen<br />
des ISO-53-Profils A und der HCR-Verzahnungen ergeben,<br />
wo eine deutliche Reduzierung der Oberflächennormalgeschwindigkeiten<br />
ersichtlich wurde. Die kritischen Bereiche für<br />
die Optimierung des Gehäuses ließen sich mit Hilfe von Grafiken<br />
aufzeigen.<br />
Fotos: Kisssoft AG<br />
www.kisssoft.com<br />
IMPRESSUM<br />
erscheint <strong>2021</strong> im 60. Jahrgang,<br />
ISSN 0722-8546 / ISSN E-Paper: 2747-7991<br />
REDAKTION<br />
Redakteure: Miles Meier (mm), Tel.: 06131/992-208,<br />
E-Mail: m.meier@vfmz.de<br />
(verantwortlich i.S.d. § 18 Abs. 2 MStV)<br />
Ivo Greuloch (Vol.) (ig), Tel.: 06131/992-353,<br />
E-Mail: i.greuloch@vfmz.de<br />
Vanessa Weingärtner (Vol.) (wv), Tel.: 06131/992-352,<br />
E-Mail: v.weingaertner@vfmz.de<br />
Redaktionsassistenz:<br />
Melanie Lerch, Tel.: 06131/992-261,<br />
Petra Weidt, Tel.: 06131/992-371,<br />
Ulla Winter, Tel.: 06131/992-347,<br />
E-Mail: redaktionsassistenz_vfv@vfmz.de,<br />
(Redaktionsadresse siehe Verlag)<br />
GESTALTUNG<br />
Anette Fröder, Sonja Daniel, Conny Grothe<br />
SALES<br />
Oliver Jennen, Tel.: 06131/992-262,<br />
E-Mail: o.jennen@vfmz.de<br />
Andreas Zepig, Tel.: 06131/992-206,<br />
E-Mail: a.zepig@vfmz.de<br />
Anzeigendisposition: Heike Rauschkolb,<br />
Tel.: 06131/992-241, E-Mail: h.rauschkolb@vfmz.de<br />
Anzeigenpreisliste Nr. 57: gültig ab 1. Oktober 2020<br />
LESERSERVICE<br />
vertriebsunion meynen GmbH & Co. KG,<br />
Große Hub 10, 65344 Eltville,<br />
Tel.: 06123/9238-266<br />
Bitte teilen Sie uns Anschriften- und sonstige<br />
Änderungen Ihrer Bezugsdaten schriftlich mit<br />
(Fax: 06123/9238-267, E-Mail: vfv@vertriebsunion.de).<br />
Preise und Lieferbedingungen:<br />
Einzelheftpreis: € 15,50 (zzgl. Versandkosten)<br />
Jahresabonnement Inland: € 153,- (inkl. Versandkosten)<br />
Jahresabonnement Ausland: € 168,- (inkl. Versandkosten)<br />
Abonnements verlängern sich automatisch um ein<br />
weiteres Jahr, wenn sie nicht spätestens vier Wochen vor<br />
Ablauf des Bezugsjahres schriftlich gekündigt werden.<br />
VERLAG<br />
Vereinigte Fachverlage GmbH<br />
Lise-Meitner-Straße 2, 55129 Mainz<br />
Postfach 100465, 55135 Mainz<br />
Tel.: 06131/992-0, Fax: 06131/992-100<br />
E-Mail: info@vfmz.de<br />
www.vereinigte-fachverlage.de<br />
Handelsregister-Nr.: HRB 2270, Amtsgericht Mainz<br />
Umsatzsteuer-ID: DE149063659<br />
Ein Unternehmen der Cahensly Medien<br />
Geschäftsführer: Dr. Olaf Theisen, Matthias Niewiem<br />
Verlagsleiter: Dr. Michael Werner, Tel.: 06131/992-401<br />
Chef vom Dienst: Dipl.-Ing. (FH) Winfried Bauer<br />
Leitende Chefredakteurin: Dipl.-Ing. (FH) Nicole Steinicke<br />
Head of Sales: Carmen Nawrath<br />
Tel.: 06131/992-245, E-Mail: c.nawrath@vfmz.de<br />
(verantwortlich für den Anzeigenteil)<br />
Vertrieb: Sarina Granzin, Tel.: 06131/992-148,<br />
E-Mail: s.granzin@vfmz.de<br />
DRUCK UND VERARBEITUNG<br />
Westdeutsche Verlags- und Druckerei GmbH<br />
Kurhessenstraße 4 - 6, 64546 Mörfelden-Walldorf<br />
DATENSPEICHERUNG<br />
Ihre Daten werden von der Vereinigte Fachverlage GmbH<br />
gespeichert, um Ihnen berufsbezogene, hochwertige Informationen<br />
zukommen zu lassen. Sowie möglicherweise von<br />
ausgewählten Unternehmen genutzt, um Sie über berufsbezogene<br />
Produkte und Dienstleistungen zu informieren.<br />
Dieser Speicherung und Nutzung kann jederzeit schriftlich<br />
beim Verlag widersprochen werden (vertrieb@vfmz.de).<br />
Die Zeitschrift sowie alle in ihr enthaltenen Beiträge und<br />
Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Mit der<br />
Annahme des redaktionellen Contents (Texte, Fotos,<br />
Grafiken etc.) und seiner Veröffentlichung in dieser<br />
Zeitschrift geht das umfassende, ausschließliche, räumlich,<br />
zeitlich und inhaltlich unbeschränkte Nutzungsrecht<br />
auf den Verlag über. Dies umfasst insbesondere das Recht<br />
zur Veröffentlichung in Printmedien aller Art sowie<br />
entsprechender Vervielfältigung und Verbreitung, das<br />
Recht zur Bearbeitung, Umgestaltung und Übersetzung,<br />
das Recht zur Nutzung für eigene Werbezwecke, das<br />
Recht zur elektronischen/digitalen Verwertung, z. B. Einspeicherung<br />
und Bearbeitung in elektronischen Systemen,<br />
zur Veröffentlichung in Datennetzen sowie Datenträger<br />
jedweder Art, wie z. B. die Darstellung im Rahmen von<br />
Internet- und Online-Dienstleistungen, CD-ROM, CD und<br />
DVD und der Datenbanknutzung und das Recht, die vorgenannten<br />
Nutzungsrechte auf Dritte zu übertragen, d. h.<br />
Nachdruckrechte einzuräumen. Eine Haftung für die Richtigkeit<br />
des redaktionellen Contents kann trotz sorgfältiger<br />
Prüfung durch die Redaktion nicht übernommen werden.<br />
Signierte Beiträge stellen nicht unbedingt die Ansicht der<br />
Redaktion dar. Für unverlangt eingesandte Manuskripte<br />
kann keine Gewähr übernommen werden. Grundsätzlich<br />
dürfen nur Werke eingesandt werden, über deren Nutzungsrechte<br />
der Einsender verfügt, und die nicht gleichzeitig<br />
an anderer Stelle zur Veröffentlichung eingereicht oder<br />
bereits veröffentlicht wurden.<br />
Datenschutzerklärung: ds-vfv.vfmz.de<br />
Es gelten die allgemeinen Geschäftsbedingungen.<br />
Mitglied der Informations-Gemeinschaft<br />
zur Feststellung der Verbreitung von<br />
Werbeträgern e. V. (IVW), Berlin.<br />
26 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
MARKTPLATZ<br />
APP-GESTÜTZT ZU SMARTEN MASCHINENKONZEPTEN<br />
Für sein mit „cynapse“-Funktion ausgestattetes Getriebe bietet Wittenstein<br />
ab sofort Services über die Automatisierungsplattform ctrlX von Bosch<br />
Rexroth an. Nutzer können diese direkt in ihre Systeme einbinden.<br />
Die smarten Getriebe mit cynapse verfügen über ein integriertes Sensormodul,<br />
das die Voraussetzungen für Industrie-4.0-Konnektivität schafft.<br />
Für eine kombinierte Analyse von Maschinen- und Sensordaten lassen sich<br />
ergänzend Software-Services nutzen, die in Form von Apps einfach herunter<br />
geladen werden können. Dazu Hans Michael Krause, Leiter des Produktmanagements<br />
ctrlX World bei Bosch Rexroth: „Mit der Automatisierungsplattform<br />
ctrlX Automation wird die Offenheit von cynapse genutzt und die<br />
einfache Integration übergreifender Applikationen unterstützt. So können<br />
Anwender Smart Services von Wittenstein einfach in ihre Systemlösung einbinden. Dies ermöglicht die schnelle und einfache<br />
Umsetzung von Condition Monitoring, Process Monitoring und Überwachung des Antriebsstrangs.“<br />
www.boschrexroth.com<br />
NON-SEAL PUMPEN<br />
MIT E-MONITOR<br />
FREILÄUFE<br />
Rücklaufsperren • Überholkupplungen • Vorschubfreiläufe<br />
1 230 000 Nm<br />
Die Nikkiso Spaltrohrmotorpumpen<br />
von Lewa werden<br />
häufig für Transfer- und<br />
Zirkulationsaufgaben leicht<br />
entflammbarer, explosiver<br />
oder toxischer Fluide in der<br />
chemischen sowie petrochemischen<br />
Industrie<br />
eingesetzt. Um ihre Betriebssicherheit<br />
und Zuverlässigkeit<br />
bei diesen anspruchsvollen<br />
Aufgaben weiter zu verbessern,<br />
werden alle Modelle der<br />
Marke Non-Seal mit einem<br />
E-Monitor ausgestattet, der<br />
den Verschleißzustand der<br />
Gleitlager während des<br />
Pumpenbetriebs erfasst und<br />
damit eine vorausschauende<br />
Instandhaltung ermöglicht.<br />
So weist eine grüne LED auf<br />
einen guten Zustand hin,<br />
während ein gelbes Licht<br />
signalisiert, dass die Pumpe<br />
beim nächsten Anlagenstillstand<br />
überprüft werden<br />
sollte. Bei einer rot aufleuchtenden<br />
LED muss die Pumpe<br />
sofort außer Betrieb genommen<br />
werden. Auf diese Weise<br />
lässt sich der Lagerverschleiß<br />
frühzeitig erkennen und die<br />
notwendige Wartung besser<br />
einplanen.<br />
www.lewa.de<br />
www.ringspann.de
SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTICS<br />
COBOTS MIT GROSSEM AKTIONSRADIUS<br />
ERWEITERTE EINSATZMÖGLICHKEITEN<br />
VON KOLLABORIERENDEN ROBOTERN<br />
Kleine kollaborierende Roboter (Cobots) sind<br />
immer dann gefragt, wenn bei der<br />
Automatisierung von Maschinen und Anlagen<br />
eine dauerhafte Zusammenarbeit von Menschen<br />
und Roboter erforderlich ist. Das Fraunhofer IEM<br />
in Paderborn hat mit Unterstützung von<br />
RK Rose+Krieger eine Cobot-Lösung mit großer<br />
Reichweite in drei Dimensionen entwickelt und<br />
damit die Einsatzmöglichkeiten von<br />
kollaborierenden Robotern erweitert.<br />
Bernd Klöpper ist Marketingleiter bei der RK Rose+Krieger GmbH in Minden<br />
Kollaborierende Roboter heben schwere Gegenstände<br />
oder übernehmen monotone, einseitig belastende Aufgaben,<br />
wie das wiederholgenaue Anreichen von Teilen.<br />
Damit entlasten sie den Produktionsmitarbeiter und<br />
schonen seine Gesundheit. Auch für bahngesteuerte Tätigkeiten,<br />
die ein Mensch entweder nicht so präzise, dauerhaft oder<br />
schnell und sicher ausführen kann wie eine Maschine, bieten<br />
sie sich an. Dazu zählt z. B. das Eindrehen filigraner Schrauben<br />
oder das Realisieren von Niet- oder Klebeverbindungen. Zudem<br />
leisten die kleinen Roboter wertvolle Dienste in Zeiten des<br />
Fachkräftemangels; fehlt es doch in vielen Bereichen an qualifizierten<br />
Mitarbeitern. Gut ausgebildete und erfahrene Schweißer,<br />
die präzise Schweißverbindungen herstellen können, sind<br />
nur noch schwer zu finden. Eine exakte Schweißnaht ist für einen<br />
Cobot – einmal angelernt – kein Problem.<br />
OPTIMALE VORAUSSETZUNGEN SCHAFFEN<br />
Damit ein kollaborierender Roboter erfolgreich arbeiten kann,<br />
sollten vor der Anschaffung einige grundlegende Fragen be-<br />
28 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTICS<br />
antwortet werden. Dazu zählt neben der eigentlichen Aufgabenstellung<br />
auch die Frage nach dem Aktionsradius und – daraus resultierend<br />
– nach der erforderlichen Anzahl der Antriebsachsen.<br />
Dabei lässt sich der Bewegungsspielraum des Cobots auf einfachstem<br />
Weg mithilfe von Linearachsen und elektrischen Hubsäulen<br />
erreichen. Wie komplex dabei Installation und steuerungstechnische<br />
An- bzw. Einbindung in das Produktionsumfeld sein werden,<br />
gibt die Aufgabe des Roboters vor. Zudem muss neben der Sicherheit<br />
des Cobots an sich auch die Sicherheit sämtlicher Achsen im<br />
Sinne der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG gewährleistet sein;<br />
schließlich haftet der Betreiber persönlich.<br />
Zu den komplexeren Anwendungen von kollaborierenden Robotern,<br />
die hohe Anforderungen an zuverlässige Wiederholgenauigkeit<br />
und dauerhafte Präzision stellen, zählen u. a. anspruchsvolle<br />
Schweißarbeiten. Eine solche Cobot-Lösung mit großer Reichweite<br />
in drei Dimensionen entwickelte das Fraunhofer IEM in Paderborn<br />
mit Unterstützung der RK Rose+Krieger GmbH aus Minden. Bei der<br />
Konzeption eines robotergestützten Handling- und Bearbeitungssystems<br />
zum Schweißen zylindrischer Stahltanks übernahm das<br />
Team des Fraunhofer IEM Konzeption und Realisierung der Roboterapplikation<br />
inklusive der Steuerungs- und Benutzerschnittstellen-Programmierung,<br />
der Integration fortschrittlicher Regelungsansätze<br />
und des elektrischen Aufbaus. RK Rose+Krieger entwickelte<br />
die Lösung zur kugelförmigen Erweiterung des Arbeitsbereichs des<br />
Schweiß-Cobots – das Raumportal – auf Basis seines Profil- und<br />
Lineartechnik-Baukastens.<br />
SYNCHRONISIERTE BEWEGUNGSACHSEN<br />
Das Grundgerüst des Raumportals besteht aus Blocan-Aluminiumprofilen<br />
unterschiedlicher Baugrößen. Es kann auf zwei parallel angeordneten,<br />
zahnriemengetriebenen Linearachsen vom Typ RK<br />
DuoLine Z 80 Protect über eine Strecke von 1500 mm in der Horizontalen<br />
verfahren werden. Zwei weitere, ebenfalls parallel verlaufende<br />
RK DuoLine Z 80 Protect bilden die Z-Achse des Raumportals.<br />
Sie bewegen eine Rollenführungs-Linearachse vom Typ RK<br />
MonoLine Z 120 vertikal über 1500 mm. An dieser Linearachse ist<br />
der Cobot mit der Bearbeitungseinheit montiert. Das Raumportal<br />
erweitert den Arbeitsbereich des kollaborierenden Roboters<br />
(Durchmesser max. 2 650 mm) um den ansonsten nicht erreichbaren<br />
zylinderförmigen Bereich über- und unterhalb seiner Basis. Da-<br />
01 Durch das Raumportal des robotergestützten<br />
Handling- und Bearbeitungssystems können alle fünf<br />
Achsen und der Roboter zusammen synchronisiert<br />
verfahren werden
SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTICS<br />
Cobot sowie einem Setago-Pick2Light-System, erhält man einen<br />
sicheren, kollaborativen, ergonomischen und fehlerfreien Montagearbeitsplatz.<br />
Die ursprünglich aus der Intralogistik und Kommissionierung<br />
stammende Pick2Light-Anwendung wird immer häufiger in produzierenden<br />
Unternehmen zur Unterstützung der Mitarbeitenden<br />
eingesetzt. Sie gibt dem Mitarbeiter in der Produktion über<br />
ein grünes Licht vor, welches Teil er aus welchem Bereitstellungskasten<br />
nehmen und montieren muss und führt ihn so durch den<br />
Montageprozess. Bei Fehlgriffen leuchtet das Licht rot. Jeder Arbeitsschritt<br />
wird vorgegeben und nach Durchführung bestätigt.<br />
Dies erfolgt entweder über einen Sensor, der die Entnahme des<br />
richtigen Teils überwacht oder durch Bestätigung mittels Taste<br />
oder Fußschalter. Auf diese Weise können vor allem bei hoher<br />
Variantenvielfalt Produktionsfehler in der Bauteilmontage vermieden<br />
werden.<br />
02 Eine vom Fraunhofer IEM entwickelte Industriesteuerung<br />
synchronisiert die sechs Bewegungsachsen des Roboters mit den drei<br />
Achsen des Raumportals<br />
mit kann er innerhalb der gesamten Portalstruktur ohne jegliche<br />
Einschränkung agieren. Die Baugröße von Portal und Achsen<br />
lässt sich individuell an die Größe des Cobots und die Anforderungen<br />
der jeweiligen Anwendung anpassen.<br />
Für das synchrone Verfahren aller Achsen führten die Spezialisten<br />
des Fraunhofer IEM die sechs Achsen des Industrieroboters<br />
mit den drei Achsen des Raumportals in einer Industriesteuerung<br />
zusammen. Für eine reibungslose Kommunikation<br />
zwischen Cobot und Raumportal sorgen dabei intelligente Sensoren<br />
und Algorithmen. Das Ergebnis sind synchronisierte Bewegungen<br />
von Portal und Roboter sowie die einfache Anpassung<br />
des Systems an sich ändernde Anwendungsszenarien ohne aufwendige<br />
Umbau- und Rüstarbeiten. Zudem werden Abweichungen<br />
der Bauteile von der ursprünglichen CAD-Konstruktion etwa<br />
aufgrund von Materialschwankungen oder Schweißverzug während<br />
des Prozesses sensorbasiert kompensiert. Zusätzliche positive<br />
Nebeneffekte ergeben sich aus der Steifigkeit des Raumportals,<br />
die eine hohe Präzision beim Einsatz des Werkzeugs garantiert,<br />
und den im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern deutlich<br />
geringeren Kosten.<br />
VIELZÄHLIGE ARBEITSERLEICHTERUNGEN<br />
MÖGLICH<br />
Bei einfacheren Cobot-Lösungen steht häufig die Arbeitsplatzergonomie<br />
im Vordergrund. Auch in diesen Fällen lässt sich der<br />
Aktionsradius der kleinen Roboter mit Lineartechnik aus dem<br />
Produktportfolio von RK Rose+Krieger erweitern. So können sie<br />
mithilfe von Hubsäulen wie dem Powerlift Z elektrisch in der Höhe<br />
verstellt werden (Y-Achse). Linearachsen aus der RK MonoLineoder<br />
RK DuoLine-Baureihe verfahren sie zusätzlich auf der X- und<br />
Z-Achse und erweitern so ihre Reichweite im Raum, z. B. um mehrere<br />
Arbeits- oder Ablageplätze miteinander zu verknüpfen.<br />
Denkbar ist auch, den Cobot zusätzlich auf eine Drehvorrichtung<br />
zu montieren und ihn so um die Y-Achse rotieren und damit an<br />
verschiedenen Orten arbeiten zu lassen. In Verbindung mit höhenverstellbaren<br />
Arbeitsplätzen, wie dem RK Easywork, und Pickto-light-Systemen<br />
eröffnet dies ganz neue Montagekonzepte.<br />
Der RK Easywork-Montagarbeitsplatz ist vor allem attraktiv für<br />
Klein- und Mittelserien, deren Nutzung nicht dauerhaft festgesetzt<br />
ist. Ausgerüstet mit Multilift II-Hubsäulen für die elektrische<br />
Höhenverstellung ist der robuste Arbeitstisch mithilfe seines<br />
Baukastensystems auch nach Jahren erweiterbar und in seiner<br />
Funktionalität veränderbar. Kombiniert man ihn in der Bauteilmontage<br />
mit einem per Linearachse und Hubsäule mobilisierten<br />
FAZIT<br />
Ob einfache Handlingunterstützung oder komplexe Bauteilbearbeitungen<br />
– kollaborierende Roboter übernehmen zuverlässig<br />
schwere oder monotone Arbeiten, die einen Menschen auf Dauer<br />
zu stark belasten. Sie arbeiten präzise und wiederholgenau ohne<br />
zu ermüden und tragen damit zu einer Fehlervermeidung bei.<br />
Die intelligente Verknüpfung mit Lineartechnik erweitert ihren<br />
Aktionsradius um ein Vielfaches.<br />
Fotos: Aufmacher+02 Fraunhofer IEM; sonst. Rose+Krieger<br />
www.rk-rose-krieger.com<br />
DIE IDEE<br />
„Dank moderner Steuerungs- und<br />
Sicherheitstechniken können Menschen<br />
und Roboter interaktiv zusammenarbeiten.<br />
Vielfach wird die einfache Inbetriebnahme<br />
beworben und gleichzeitig<br />
suggeriert: ‚Einfach mal kaufen und<br />
dann probieren, was man damit alles<br />
machen kann.‘ Doch das Probieren<br />
kostet Zeit und Geld. Vor der Anschaffung<br />
eines Cobots sollte mindestens ein<br />
Konzept und eine Vorstellung davon<br />
vorliegen, was mit einem Cobot erreicht<br />
werden soll. Erst dann wird eine<br />
‚einfache‘ Investition auch ein Erfolg.“<br />
Hartmut Hoffmann, Geschäftsführer,<br />
RK Rose+Krieger GmbH<br />
30 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
MARKTPLATZ<br />
SERVOMOTOR, ELEKTRONIK- UND STEUERGERÄT ALL INCLUSIVE<br />
Neu im Angebot von Siei-Areg ist KFM 24 Safety, eine Antriebsserie für Maschinenschutztüren,<br />
die als Niederspannungsvariante mit integriertem Profinet-Feldbus<br />
die Sicherheitsfunktionen PLd und SIL2 beinhaltet.<br />
KFM 24 Safety ergänzt die Baureihen KFM05a und KFM Safety des Herstellers.<br />
Spezialisiert ist Siei-Areg, eine Tochter der Gefran SPA, auf integrierte Positionierund<br />
Türantriebe sowie Servomotoren. Mit der neuen Baureihe KFM 24 Safetybietet<br />
das Unternehmen ab sofort einen Maschinenschutztürantrieb an, der aus einem<br />
Servomotor sowie einem Elektronik- und Steuergerät mit verschiedenen Anschlussoptionen<br />
besteht. Das Kompaktmodell lässt sich platzsparend integrieren.<br />
Aufgrund des hohen Drehmoments kann unter Umständen auf ein gesondertes<br />
Getriebe verzichtet werden. Die Versorgungsspannung des KFM 24 Safety liegt<br />
zwischen 24 und 48 VDC, der Wirkungsgrad wird mit mehr als 90 % beziffert. Der Antrieb entwickelt zudem nur wenig<br />
Wärme, sodass Leistungsverluste reduziert werden können.<br />
www.sieiareg.de<br />
MOTION-CONTROLLER<br />
FÜR ANSPRUCHSVOLLE<br />
AUFGABEN<br />
Mit SVTE-A stellt Servotecnica<br />
Servoregler für die Steuerung<br />
von bürstenlosen Servo-,<br />
Schritt- und bürstenbehafteten<br />
DC-Motoren vor, die im 4-Quadranten-Betrieb<br />
mit Bremsenergierückspeisung<br />
arbeiten.<br />
Die Regler wurden für den<br />
Niederspannungs- oder<br />
Batteriebetrieb, wie etwa in<br />
fahrerlosen Transportsystemen<br />
oder portablen Applikationen<br />
entwickelt. Sie eignen sich für<br />
die Hutschienen- und Schaltschrankmontage<br />
und bieten<br />
integrierte PLC-Funktionen<br />
über analoge Eingänge sowie<br />
digitale Ein- und Ausgänge. Alle<br />
Modelle sind mit CanOpen<br />
DS301-Schnittstelle und je<br />
nach Geräteprofil mit DS402<br />
erhältlich. Darüber hinaus<br />
können sie mit EtherCAT- und<br />
Profinet-Optionen geliefert<br />
werden. SVTE-A unterstützt<br />
Inkrementalgeber, digitale<br />
Hallsensoren und Sinus-Cosinus-Geber.<br />
Der Betriebstemperaturbereich<br />
der Servoregler<br />
liegt zwischen -40°C und +70°C.<br />
Die Einspeisung variiert<br />
zwischen 35 A Nennstrom und<br />
100 A Spitzenstrom in einem<br />
Spannungsbereich von 9 VDC<br />
bis 60 VDC.<br />
www.servotecnica.de<br />
Wir können mehr<br />
als perfekte<br />
Stoßdämpfer.<br />
5-Sterne-Service inklusive!<br />
Jedes unserer über 3.800 Produkte für die industrielle Dämpfungstechnik<br />
entspricht höchsten Anforderungen an Zuverlässigkeit, Präzision und Funktionalität.<br />
Das gilt gleichermaßen für unseren Service.<br />
Das Ergebnis: Gemeinsame Erfolge.<br />
Alles. Immer. Top.<br />
Mehr Info?<br />
T+49 (0)2173-9226-10<br />
Fordern Sie den<br />
kostenlosen ACE<br />
Katalog an!<br />
www.ace-ace.de
XXX SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTICS<br />
KÜNSTLICHE INTELLIGENZ<br />
MACHINE-LEARNING FÜR „JEDERMANN“<br />
Ein automatisiertes Machine-Learning-Tool für den Maschinenund<br />
Anlagenbau führt die Datenanalyse selbstständig aus.<br />
Maschinenexperten haben damit die Möglichkeit, auch ohne<br />
spezialisierte Data-Science-Fachkenntnisse effektive<br />
Automatisierungslösungen zu finden.<br />
Dr.-Ing. Rolf Sohrmann ist BDM Industrial<br />
Analytics & IoT bei Weidmüller Interface<br />
GmbH & Co. KG in Detmold<br />
DIE IDEE<br />
Seit einigen Jahren schon werden die Fantasien der Ingenieure und Anlagenbauer<br />
beflügelt durch die Möglichkeiten der Künstlichen Intelligenz (KI). Die Erhebung<br />
und Veredelung von Daten ermöglichen eine gesteigerte Effizienz und Produktivität.<br />
Möglich gemacht werden sollen diese mittels Machine Learning Algorithmen.<br />
Was zunächst sehr deep-tech klingt, bietet konkrete Vorteile für die Smart Industry.<br />
Maschinen und Anlagen bzw. Produktionsprozesse erzeugen kontinuierlich Daten. Unternehmen<br />
können aus diesen Daten einen Mehrwert generieren. Ein Mehrwert erschließt<br />
sich vor allem im Bereich der Datenanalyse, so z. B. bei Predictive Maintenance. Vereinfacht<br />
ausgedrückt, meldet die Maschine selbständig, wann voraussichtlich ein Ersatzteil benötigt<br />
wird. So können Maschinenbauer zukünftig neue datengetriebene Services anbieten. Produzierende<br />
Unternehmen erhöhen ihre Produktqualität und reduzieren Kosten.<br />
Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) und insbesondere des Machine Learnings (ML)<br />
sind Werkzeuge, die zur Analyse der Maschinendaten eingesetzt werden. Diese erlauben es,<br />
bisher unerschlossene Daten zu verknüpfen und unbekannte Zusammenhänge zu identifizieren.<br />
Aber was steckt genau hinter Data Science? Was versteht man eigentlich unter „Automated<br />
Machine Learning“?<br />
AUTOMATISIERTES MASCHINELLES LERNEN<br />
Das Konzept von Weidmüller ist der einfache Einsatz von KI mittels einer Automated Machine<br />
Learning Software für den Maschinen- und Anlagenbau. Dazu hat Weidmüller die<br />
Anwendung von ML für industrielle Applikationen soweit standardisiert und vereinfacht,<br />
dass Domänenexperten ohne Expertenwissen im Bereich Data Science eigenständig ML-<br />
Lösungen erzeugen können. Das Software-Tool führt den Anwender durch den Prozess<br />
der Modellentwicklung, weshalb Weidmüller hier auch von „Guided Analytics“ spricht.<br />
„Die Entwicklung von Industrial<br />
Analytics-Lösungen erfordert in der<br />
Regel das spezifische Know-how<br />
eines Data Scientists. Mit unserem<br />
Automated Machine Learning-Tool<br />
können Sie KI- und ML-basierte<br />
Modelle ohne externe Beratung<br />
eigenständig erstellen.“<br />
Dr.-Ing. Rolf Sohrmann,<br />
BDM Industrial Analytics & IoT,<br />
Weidmüller Interface GmbH & Co. KG<br />
32 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTICS XXX<br />
Maschinen- und Prozessexperten können einfach, ohne die Hilfe<br />
von Data Scientisten, ML-Modelle erstellen, modifizieren und zur<br />
Ausführung bringen, um Ausfallzeiten und Fehler zu reduzieren,<br />
Wartungsarbeiten zu optimieren und die Produktqualität zu erhöhen.<br />
Die Software hilft bei der Übersetzung und Archivierung des<br />
komplexen Applikationswissens in eine verlässliche Machine Learning-Anwendung.<br />
Dabei fokussiert sich der Experte auf sein Wissen<br />
zum Maschinen- und Prozessverhalten und verknüpft dieses mit<br />
den im Hintergrund ablaufenden ML-Schritten.<br />
Automated Machine Learning kann in vielen Bereichen seine<br />
Anwendung finden, von der Erkennung von Anomalien, deren<br />
Klassifizierung bis zur Vorhersage. Um jedoch Anomalien zu erkennen<br />
und daraus Vorhersagen zu treffen, z. B. für das Predictive<br />
Maintenance, müssen die Daten erfasst und in Beziehung zueinander<br />
gesetzt werden.<br />
ZWEI FUNKTIONEN: ANALYSE UND<br />
AUSFÜHRUNG<br />
Für den Anwender stellt die Software im Wesentlichen zwei Module<br />
zur Verfügung. Mit dem Modell Builder kann der Domänenexperte<br />
ML-Lösungen zur Anomalieerkennung, Klassifikation und<br />
Fehlervorhersage erzeugen. Entscheidend hierbei ist das Wissen<br />
der Applikationsexperten, denn sie haben die Erfahrung, wie das<br />
reguläre oder das anormale Verhalten ihrer Maschinen und Anlagen<br />
aussieht. Die Experten erkennen direkt in der übersichtlichen<br />
Darstellung der Daten Abweichungen vom „normalen“ Verhalten,<br />
können diese detektieren und klassifizieren und so für die Modellbildung<br />
definieren.<br />
Der mit dem Applikationswissen angereicherte Datensatz ist<br />
die Eingangsgröße für das anschließende automatische Generieren<br />
der ML-Modelle. Dabei entstehen ML-Lösungen, die mit den<br />
von Data Scientists manuell erstellten Lösungen durchaus vergleichbar<br />
sind. Dem Anwender werden mehrere Modelle vorgeschlagen,<br />
die auf unterschiedlichen Algorithmen und Werteparametern<br />
beruhen. Am Ende des Modellbildungsprozesses wählt<br />
der Nutzer das für seine Applikation am besten geeignete Modell<br />
nach bestimmten Kriterien wie Modellgüte, Ausführungszeit oder<br />
seinen bevorzugten Parametern aus. Im zweiten Modul der AutoML<br />
Software erfolgt schließlich die Ausführung der Modelle an<br />
der Maschine – on premise oder Cloud-basiert – in der sogenannten<br />
Laufzeitumgebung.<br />
KEIN SPEZIFISCHES DATA-SCIENCE-WISSEN<br />
NOTWENDIG<br />
Die Möglichkeiten des Machine Learnings werden mit dem immer<br />
breiter werdenden Spektrum größer. Das macht es nicht unbedingt<br />
einfacher, ohne spezifische Data Science Kenntnisse die bestmögliche<br />
Erstellung und Implementierung sowie die operative Anwendung<br />
von ML zu erreichen. Mit anderen Worten: die Erstellung von<br />
ML Modellen ist in der Regel zeitaufwändig und kostenintensiv in<br />
der Umsetzung.<br />
Die Analyse der Daten für ML Modelle werden daher in der Regel<br />
von einem Data Scientist eines externen Partners oder aus dem<br />
eigenen Unternehmen durchgeführt. Das AutoML Tool von Weidmüller<br />
übernimmt diese Aufgabe selbst. Es muss „lediglich“ gefüttert<br />
werden mit dem Applikationsknowhow des Experten. Die<br />
Symbiose aus Fachexpertise zur Maschine und Data Science<br />
Fachwissen – was das Tool mitbringt – liefert ohne umfangreiche<br />
Schulung Ergebnisse. Bereits in einer Stunde lässt sich ein Modell<br />
aufsetzen, welches automatisiert Anomalien erkennt. Gleichzeitig<br />
fließen kontinuierlich die jeweils aktuellsten Entwicklungen<br />
aus dem Machine Learning Umfeld in das Tool.<br />
Dennoch ist zu beachten: Die Arbeit mit zeitreihenbasierten Daten<br />
und gängigen ML-Algorithmen allein implementieren noch<br />
nicht die ideale Automatisierungslösung. Der Schlüssel zum Erfolg<br />
liegt im gezielten Zuschnitt der ML-Automatisierung durch die<br />
sukzessive Verkleinerung des Suchraumes. Genauer: Je breiter der<br />
Anwendungsbereich sein soll, desto allgemeiner müssen die ML-<br />
Pipelines ausgestaltet sein.<br />
Es ist offensichtlich, dass die Überwachung eines Kühlsystems<br />
basierend auf Steuerungsdaten eine andere Herangehensweise benötigt<br />
als die Überwachung eines Lagers mit Hilfe von Schwingungsdaten.<br />
Werden also z. B. spezifische ML-Lösungen für die in<br />
der Intralogistik üblichen Regalbediengeräte aufgebaut, so können<br />
hier – bei entsprechender Datenlage – sehr gute Ergebnisse erzielt<br />
werden. Auch für Cluster wie Motoren/Pumpen/Kompressoren/<br />
Gebläse sind die Vorteile von spezifischen ML-Lösungen offenkundig.<br />
U. a. sind Motoren häufig überdimensioniert. Hier lassen<br />
sich mit ML-Lösungen oftmals Optimierungsansätze realisieren.<br />
Fotos: Weidmüller Interface GmbH & Co. KG<br />
www.weidmueller.de
SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTICS<br />
INTELLIGENTE DATENVERARBEITUNG<br />
SMARTE SENSOREN ENTSCHEIDEND<br />
FÜR INDUSTRIE-4.0-ANWENDUNGEN<br />
Neue smarte Inertialsensoren schaffen ideale Voraussetzungen für automatisierte<br />
Anwendungen wie selbstlernende Maschinen oder ferngesteuerte Frachtschiffe.<br />
Ihr Vorteil gegenüber analogen und digitalen Messinstrumenten ist die<br />
Vorverarbeitung und Komprimierung immenser Datenmengen.<br />
In den vergangenen Jahren hat eine rasante technische Entwicklung stattgefunden<br />
und im Maschinenbau und in der Automatisierungstechnik zahlreiche<br />
neue Anwendungen möglich gemacht. Roboter arbeiten inzwischen als „Cobots“<br />
ohne Schutzkäfig Seite an Seite mit Menschen. Hochempfindliche Sensoren<br />
erfassen dabei jede Bewegung im Arbeitsbereich des Roboters und verhindern<br />
so eine Kollision des Cobots mit seinen Kollegen aus Fleisch und Blut. Dank<br />
künstlicher Intelligenz sind die kompakten Roboter zudem immer leichter zu programmieren<br />
und trainieren sich sogar selbstständig neue Bewegungsabläufe an.<br />
Sensoren bilden darüber hinaus die Basis einer neuen Maschinen-Generation,<br />
die sich quasi selbst überwacht und dem Bedienpersonal meldet, wenn einzelne<br />
Komponenten ausgetauscht werden sollten. Predictive Maintenance (vorausschauende<br />
Wartung) wird diese intelligente Technologie genannt, die u. a.<br />
im Schienenverkehr Verwendung findet. Hier messen Inertialsensoren für die<br />
Trägheitsbestimmung in der „kontinuierlichen Zustandsüberwachung“ sowohl<br />
die vertikale Beschleunigung an den Radsatzlagern der Züge als auch die Beschleunigung<br />
im Inneren der Wagenkästen. Sie überwachen auf diese Weise vor<br />
allem die Längshöhe des Oberbaus, der sich aus Schienen, Schwellen und<br />
Schotter zusammensetzt. Liegen hier Fehler in der Gleisgeometrie vor, müssen<br />
sofort Instandhaltungsmaßnahmen ergriffen werden. Mittels selbstlernender<br />
Algorithmen erfolgt zudem die Prognose zur weiteren Entwicklung der Gleislageabweichungen.<br />
Mit ihrer Hilfe lässt sich der Zeitpunkt bestimmen, ab dem ein<br />
definierter Schwellwert erreicht wird und Instandhaltungsbedarf besteht.<br />
DIE IDEE<br />
„Da wir unsere Sensoren nach dem<br />
Baukasten-Prinzip fertigen, können<br />
wir sie exakt an die Anforderungen<br />
der jeweiligen Anwendung anpassen<br />
und bei Bedarf auch mit zusätzlicher<br />
Intelligenz ausrüsten. In der Beratung<br />
wird außerdem geklärt, wie der<br />
Sensor konfiguriert wird und welche<br />
Aufgabe er übernehmen soll. Das ist<br />
insbesondere bei den neuen smarten<br />
Sensoren von entscheidender<br />
Bedeutung: Hier legen die Ingenieure<br />
gemeinsam mit dem Anwender fest,<br />
welche Daten vom Sensor verarbeitet<br />
und bewertet werden sollen, um<br />
daraus Informationen zu generieren.“<br />
Dipl.-Ing. Markus Nowack, ASC GmbH<br />
Renate Bay ist Geschäftsführerin<br />
bei der ASC GmbH in Pfaffenhofen
SPECIAL: AUTOMATION UND ROBOTICS<br />
EINSATZ IN DER AUTOMATISIERTEN<br />
SCHIFFFAHRT<br />
Ein weiteres Beispiel für die enorme Bedeutung von Sensoren in<br />
der Fertigungs- und Automatisierungstechnik ist der Digitale<br />
Zwilling. Dieser Begriff bezeichnet ein Konzept, bei dem Produkte<br />
sowie Maschinen und ihre Komponenten anhand digitaler<br />
Werkzeuge im Cyberspace modelliert werden. So können Konstrukteure<br />
komplette Anlagen und Systeme in einer virtuellen 3D-<br />
Umgebung erstellen, simulieren und testen. Maschinen- und Anlagenbauer<br />
sparen so die Erstellung teurer Prototypen und verkürzen<br />
ihre Planungszeiten. Sensoren kommt bei der Erschaffung<br />
Digitaler Zwillinge eine Schlüsselrolle zu: Sie erfassen eine Vielzahl<br />
relevanter Daten in der realen Welt, aus denen dann die virtuelle<br />
Maschine modelliert und auch funktional simuliert wird.<br />
In der Schifffahrtstechnik werden ebenfalls Sensoren in großer<br />
Zahl eingesetzt. Menschliche Fehler sind in mehr als 75 Prozent<br />
der Fälle die Ursache für Kollisionen im Schiffverkehr. Die Ingenieure<br />
arbeiten daher unter anderem an der Entwicklung höchstautomatisiert<br />
fahrender Schiffe (Smart Shipping), die sicherer<br />
sein werden als bemannte Wasserfahrzeuge. Um die Schiffe präzise<br />
aus der Ferne steuern zu können, muss ihre Position über<br />
Sensoren kontinuierlich und hochgenau erfasst werden. Da gerade<br />
größere Schiffe sehr träge sind, müssen Korrekturmaßnahmen<br />
frühzeitig durchgeführt werden. Nur so lassen sich Kollisionen<br />
wirksam verhindern.<br />
SMARTE SENSOREN MIT INTEGRIERTER<br />
RECHENTECHNIK<br />
Alle genannten Anwendungen haben eines gemeinsam: Sie sind<br />
nur mit smarter Sensorik realisierbar. Sie unterscheiden sich von<br />
analogen oder digitalen Sensoren vor allem durch ihre Fähigkeit,<br />
Daten eigenständig zu verarbeiten. Sensoren erzeugen ungeheure<br />
Datenmengen, deren Auswertung für intelligente Applikationen<br />
wie Machine Learning oder Smart Shipping nötig ist. Da für<br />
die Verarbeitung der Daten meist die Übertragungskapazität zwischen<br />
Sensorik und Datenerfassung bzw. -auswertung den Flaschenhals<br />
darstellt, kann diese ohne eine vorherige Aufbereitung<br />
auf dem Sensor kaum gehandhabt werden.<br />
Der Sensorik-Spezialist ASC hat deshalb speziell für sogenannte<br />
Industrie 4.0-Applikationen eine Reihe smarter Sensoren entwickelt.<br />
Sie übernehmen nicht nur das Pre-Processing der Messdaten<br />
wie A/D-Wandlung und Filterung, sondern können die<br />
vorverarbeiteten Daten dank der integrierten Rechentechnik<br />
auch aus- und bewerten. Eine aufwändige externe Datenerfassung<br />
und Verarbeitung entfällt damit. Eine weitere Besonderheit<br />
der smarten Sensoren ist die Art der Signalausgabe: Während<br />
Digitale Sensoren mit<br />
integrierter Datenerfassung<br />
eröffnen für viele<br />
Anwendungen ein neues<br />
Effizienzpotenzial<br />
herkömmliche Sensoren eine große Menge an Rohdaten an Peripheriegeräte<br />
senden, übermitteln smarte Sensoren oftmals nur<br />
noch eine Statusinformation. Im Falle von Predictive Maintenance-Applikationen<br />
wäre das z. B. die Meldung, dass eine Maschinen-Komponente<br />
bald getauscht werden sollte.<br />
AUSGABE VON STATUSINFORMATIONEN OHNE<br />
EXTERNE VERARBEITUNG<br />
Smarte Sensoren können ihre Signale zudem drahtlos übertragen,<br />
sodass eine aufwändige und zeitintensive Verkabelung nicht<br />
nötig ist. Gerade bei komplexeren Prüfstandsanwendungen mit<br />
einer Vielzahl von Freiheitsgraden und parallelen Messungen<br />
wird dadurch eine deutliche Reduzierung der notwendigen Peripherie<br />
erzielt. Die Sensoren lassen sich darüber hinaus leicht in<br />
Netzwerke oder Clouds integrieren. „Anwender können auf diese<br />
Weise ihren Engineering-, Zeit- und Kostenaufwand stark reduzieren“,<br />
berichtet Dipl.-Ing. Markus Nowack von ASC.<br />
Viele Industrie 4.0-Anwendungen sind signifikant von der Qualität<br />
der Sensorik abhängig, da sie maßgeblich zur Genauigkeit<br />
der Prognose und somit zur Wirtschaftlichkeit und Betriebsqualität<br />
beiträgt. Inertialsensoren von ASC erfassen physikalische<br />
Größen für die Trägheitsbestimmung (Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit)<br />
hochgenau und analog – sie unterscheiden<br />
sich auf den ersten Blick lediglich in der Signalausgabe.<br />
Im Gegensatz zu analogen oder digitalen Ausführungen bieten<br />
die neuen smarten Inertialsensoren nicht nur eine reine Datenerfassung.<br />
Dank integrierter Rechentechnik wird die komplette<br />
Signalverarbeitung und Zustandsbewertung der jeweiligen Applikation<br />
im Sensor durchgeführt. Mit smarten Sensoren will<br />
sich ASC deshalb vom reinen Komponenten-Hersteller zum Lösungsanbieter<br />
mit individueller Beratung entwickeln.<br />
Fotos: Aufmacher: Aun Photographer/shutterstock.com, ASC GmbH<br />
www.asc-sensors.de
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
FUNKTIONSOPTIMIERTE<br />
AM-GESTALTUNG EINES E-ROTORS<br />
Die Additive Fertigung bietet ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit und ermöglicht die<br />
wirtschaftliche Nutzung von konventionell schwer zu verarbeitenden Materialien.<br />
Diese Merkmale ermöglichen neuartige Lösungsansätze bei Funktionsbauteilen in fast allen<br />
Anwendungsbereichen. Dieses Potential kann auch im Elektromaschinenbau genutzt werden.<br />
Am Bespiel des Rotors einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) lassen<br />
sich die Herausforderungen und Möglichkeiten exemplarisch beschreiben.<br />
EINLEITUNG<br />
Die Anforderungen an Bauteile und Produkte werden immer umfangreicher.<br />
Die zunehmende Komplexität der einzelnen Bauteile<br />
und die steigende Funktionsdichte erfordern auch bei den Fertigungsverfahren<br />
kontinuierliche Weiterentwicklungen. Die Herstellung<br />
eines Bauteils erfolgt bei den gängigen Additiven Fertigungsverfahren<br />
(AM; engl. Additiv Manufacturing) durch die<br />
schichtweise Hinzugabe von Material, jedoch ohne ein spezielles<br />
formgebendes Werkzeug. Damit hebt sich diese Verfahrensgruppe<br />
von konventionellen Fertigungsverfahren wie Fräsen, Drehen<br />
und Gießen ab. Das für die Fertigung notwendige 3D-CAD-Bauteilmodell<br />
wird softwaregestützt in endlich viele zweidimensionale<br />
Schichten unterteilt. Im Fertigungsprozess werden die<br />
Schichten nacheinander erzeugt und ergeben zusammen das<br />
dreidimensionale Bauteil [GRS10, Geb13, Zäh06]. Dieser Prozessablauf<br />
ermöglicht die Herstellung komplexer dreidimensionaler<br />
Geometrien und stellt einen wesentlichen Vorteil dar<br />
[GRS10, Geb11]. Je höher die geometrische Komplexität des Bauteils<br />
ist, desto schwerer wiegen die Vorteile der additiven gegenüber<br />
der konventionellen Fertigung [GRS10], wobei auch hier<br />
konstruktive Fertigungsgrenzen zu beachten sind [ZA13, Ada15,<br />
AZ14, KG05, Bon00].<br />
In diesem Beitrag werden Potentiale und Herausforderungen<br />
im Bereich des Elektromaschinenbaus am Beispiel des Rotors einer<br />
permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) aufgezeigt.<br />
Dazu werden das Vorgehen und die Ergebnisse der Material-<br />
und Parameterentwicklung betrachtet, die als Grundlage der<br />
01 Schematisches Vorgehen bei der Rotorgestaltung<br />
Additiven Fertigung im Laserstrahl-Schmelz-Verfahren notwendig<br />
sind. Zudem werden konstruktive Aspekte und Potentiale betrachtet,<br />
die sich bei der Rotorgestaltung ergeben. Für die Anwendung<br />
von AM im Bereich des Elektromaschinenbaus wurden in<br />
[GGA+15, LAS+16, LRB+13, TKB+19, UML+18, UP18, UPT18,<br />
HUP19, WE19, UKP+20] bereits erste Untersuchungen durchgeführt.<br />
Diese Forschungsprojekte zeigten bereits das hohe Potential<br />
von AM im Elektromaschinenbau auf. Gleichwohl befinden sich<br />
die Technologien in diesem Anwendungsbereich weiterhin in einem<br />
relativ frühen Stadium der Erforschung. Wichtige Eigenschaften,<br />
wie die elektrische Leitfähigkeit und die relative magnetische<br />
Permeabilität des additiv verarbeiteten Materials oder der<br />
Einfluss einer für die AM optimierten Gestalt auf die magnetische<br />
Flussführung sind bis dato nicht ausführlich untersucht worden.<br />
Für die Anwendung im Elektromaschinenbau ergeben sich<br />
durch AM völlig neue Möglichkeiten zur Gestaltung elektrischer<br />
Maschinen. Die Beschränkung auf den zweidimensionalen Blechschnitt,<br />
auf Basis dessen konventionell gefertigte elektrischen Maschinen<br />
meist dimensioniert werden, entfällt. Dadurch lässt sich<br />
nahezu jede beliebige dreidimensionale Struktur realisieren, um<br />
beispielsweise den magnetischen Fluss dreidimensional zu führen<br />
oder den Leichtbaugrad zu erhöhen. Dies kann durch die Substitution<br />
von Teilbereichen eines Bauteils mit hoher Materialkonzentration<br />
durch zelluläre Strukturen oder Hohlräume erreicht werden<br />
[LAS+16]. Die Herstellung solcher Strukturen ist mit konventionellen<br />
Methoden nur schwer oder gar nicht zu verwirklichen, sodass<br />
erst die additiven Verfahren eine wirtschaftliche Umsetzung derartiger<br />
Konzepte möglich machen [GRS10, ESK+11].<br />
Der Fokus dieses Beitrags liegt auf der additiven Herstellung eines<br />
Rotors einer permanentmagneterregten Synchronmaschine<br />
(PMSM) mit dem Laser-Strahlschmelzen (engl. Laser Beam Melting,<br />
LBM). LBM ist ein im AM-Bereich relativ verbreitetes pulverbett-basiertes<br />
Verfahren, bei dem der metallische Ausgangswerkstoff<br />
in Pulverform vorliegt [Buc10, MWG10].<br />
Bei der Entwicklung von Bauteilen, die additiv gefertigt werden<br />
sollen, ergeben sich besondere Herausforderungen. Insbesondere<br />
bei neuen Anwendungsfeldern ist der interdisziplinäre Austausch<br />
und ein iteratives Vorgehen von besonderer Bedeutung.<br />
In Bild 01 ist dies in drei wesentlichen Phasen gegliedert, wobei<br />
die einzelnen Phasen nicht als eigenständiger Block zu sehen<br />
sind, sondern stets im Austausch stehen und einander beeinflussen.<br />
Zwar ist diese Situation nicht nur im Bereich der AM zu finden,<br />
durch die prozessspezifischen Besonderheiten ist jedoch ein<br />
entsprechend angepasstes, methodisch Vorgehen erforderlich.<br />
Zunächst müssen geeignete Materialien identifiziert und hinsichtlich<br />
ihrer Eignung bewertet werden. Da der LBM-Prozess die<br />
Materialeigenschaften in hohem Maße beeinflusst und steuerbar<br />
36 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
macht, sind material- und anlagenspezifische Fertigungsparameter<br />
zu entwickeln. Diese beeinflussen neben der Dichte auch die<br />
Mikrostruktur, die mechanischen und magnetischen Eigenschaften<br />
sowie weitere Bauteileigenschaften, wie Oberflächenqualität,<br />
Eigenspannungen oder Verzug [Reh10, KFV+04, OCD15]. Eine<br />
nachträgliche Wärmebehandlung (WB), die eine gezielte Veränderung<br />
der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften<br />
sowie den Abbau von Eigenspannungen ermöglicht, wird daher<br />
ebenfalls betrachtet [BNM13, TLR+12, VTK+12]. Daher sind Anforderungen,<br />
die sich aus der Funktion und der damit verbundenen<br />
konstruktiven Umsetzung ergeben, bereits bei der Parameterentwicklung<br />
zu berücksichtigen.<br />
Bei der Gestaltung werden die Anforderungen der elektromagnetischen<br />
und der mechanischen Funktion berücksichtigt. Da in<br />
diesem Zusammenhang der Fertigungsprozess die Gestaltungsmöglichkeiten<br />
auch in der AM einschränkt, sind die Grenzen in<br />
Form von Konstruktionsrichtlinien festzuhalten. Diese dienen als<br />
Grundlage und erlauben frühzeitige Abschätzungen zur Fertigbarkeit<br />
des Rotors. Der AM-Prozess ist dabei als ein Abschnitt in<br />
der Herstellung von Bauteilen zu sehen. Notwendige Folgeprozesse<br />
und die damit verbundenen Anforderungen an den Rotor<br />
sind bereits bei der Gestaltung zu berücksichtigen.<br />
Nach der Materialentwicklung und der Identifikation der Fertigungsgrenzen<br />
in Form von Konstruktionsrichtlinien erfolgt die<br />
Betrachtung der elektromagnetischen und mechanischen Rotorfunktion<br />
(Bild 01). Die Führung des magnetischen Flusses im<br />
weichmagnetischen Aktivteil des Rotors ist für die Grundfunktion,<br />
die Wandlung von elektrischer in mechanischer Energie, entscheidend.<br />
Hinzu kommt die vorteilhafte Beeinflussung der<br />
Kraft- und Drehmomentleitung unter Berücksichtigung dynamischer<br />
Einflüsse. Diese beiden Kernfunktionen, die Führung des<br />
magnetischen Flusses zur Energiewandlung und die Führung der<br />
mechanischen Kräfte, können nur umgesetzt werden, wenn ein<br />
Werkstoff vorhanden ist, der die jeweiligen Anforderungen der<br />
beiden Hauptfunktionen erfüllt und prozesssicher im LBM-Prozess<br />
verarbeitet werden kann.<br />
Um die vorhandenen Potentiale zu nutzen, muss ein interdisziplinärer<br />
Entwicklungsprozess durchlaufen werden. Einige dafür<br />
wesentliche Abschnitte werden im Folgenden exemplarisch betrachtet.<br />
MATERIALENTWICKLUNG<br />
Bei der Werkstoffauswahl zur Realisierung weichmagnetischer<br />
Komponenten für Elektromotoren wurden die in der Industrie relevanten<br />
Werkstoffkonzepte betrachtet und etwaige Potentiale<br />
durch AM analysiert. Industriell gefertigte Elektromaschinen<br />
können in zwei Bereiche unterteilt werden: Im Hochleistungsbereich<br />
werden Elektrobleche aus Eisen-Kobalt-Legierungen mit<br />
einem Kobaltanteil von ≈ 50 % verwendet. Im Massenmarkt überwiegen<br />
Elektrobleche aus Eisen-Silizium-Legierungen, mit einem<br />
Siliziumanteil von 1,0 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% [KBC+16]. Zur<br />
Reduktion der Wirbelstromverluste, die durch magnetische<br />
Wechselfelder entstehen, werden die Elektrobleche „gestapelt“.<br />
Da die Blechstrukturen mittels LBM aktuell nicht gefertigt werden<br />
können, liegt der Fokus auf dem Einfluss der Wirbelströme<br />
und den damit verbundenen Verlusten.<br />
Zum Vergleich der erreichbaren magnetischen und mechanischen<br />
Eigenschaften von geblechten und mittels LBM hergestellten<br />
Elektromaschinen wurden die Eisenlegierungen FeSi2.9 und<br />
FeCo50 ausgewählt. Als weiterer Werkstoff wird die Legierung<br />
FeSi6.5 betrachtet, welche erfahrungsgemäß die höchste Permeabilität<br />
im Zweistoffsystem Eisen-Silizium aufweist, aber aufgrund<br />
zunehmender Versprödung nicht mittels Walzverfahren<br />
hergestellt werden kann. Diese soll das Potential von weichmagnetischen<br />
Werkstoffen, die mittels LBM verarbeitet werden, aufzeigen<br />
[BSJ+08, LF92].<br />
02 Prüfkörper zu Ermittlung der relativen Dichte der Legierungen<br />
FeCo50 (a), FeSi2.9 (b), FeSi6.5 (c)<br />
03 EBSD-Messungen an wärmebehandelten Würfelproben<br />
04 Vergleich der Neukurven von FeSi2.9 und FeSi6.5 im<br />
Ausgangszustand (AB) sowie im wärmebehandelten Zustand (WB),<br />
interpoliert für 0 Hz<br />
Für jede der drei oben genannten Legierungen wurden zunächst<br />
Parameterstudien durchgeführt. Hierzu wurden Würfel mit den<br />
Abmessungen 10×10×10 mm³ mit einer Parameterschar gefertigt,<br />
bei der Laserenergie, Lasergeschwindigkeit und Spurbreitenabstand<br />
variiert wurden. Die Würfel wurden in Baurichtung geschliffen<br />
und mit einem Digitalmikroskop (Keyence VHX5000)<br />
hinsichtlich ihrer Porosität untersucht. Bild 02 zeigt exemplarische<br />
Schliffbilder ausgewählter Parametersätze. Es wurden für alle<br />
Legierungen relative Dichten von über 99,9 % erreicht.<br />
Zur Bestimmung der relevanten mechanischen Kennwerte<br />
(Streckgrenze, Bruchdehnung, E-Modul, Zugfestigkeit) wurden<br />
Zugproben sowie zur Messung der elektromagnetischen Eigen-<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 37
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
05 Vergleich der relativen Permeabilität von FeSi2.9 und FeSi6.5<br />
im Ausganszustand (AB) sowie im wärmebehandelten Zustand<br />
(WB), interpoliert für 0 Hz<br />
06 Vergleich der Hysteresekurven von FeSi2.9 (WB) und FeSi6.5<br />
(WB) aufgenommen bei 10 Hz<br />
Tabelle 1: Parameter Wärmebehandlung<br />
Probe Temp. Haltedauer<br />
Abkühlung<br />
Korngröße<br />
Härte<br />
FeCo50 Ausgangszustand 5,6 µm 250 HV10<br />
FeCo50 1200 °C 240 min Luft 11,9 µm 202 HV10<br />
FeSi2.9 Ausgangszustand 7,8 µm 207 HV10<br />
FeSi2.9 1100°C 600 min Luft 15,9 µm 171 HV10<br />
FeSi6.5 Ausgangszustand 12,3 µm 373 HV10<br />
FeSi6.5 1200 °C 120 min Luft 67,5 µm 350 HV10<br />
schaften (Permeabilität, Hystereseverluste, Koerzitivfeldstärke)<br />
Ringkerne hergestellt.<br />
Weiterhin wurden Würfel mit einer Kantenlänge von 15 mm<br />
zur Überprüfung einer einstufigen Wärmebehandlung und deren<br />
Auswirkungen auf die mechanischen und elektromagnetischen<br />
Eigenschaften gefertigt. Die gewählten Temperaturen und Haltezeiten<br />
für die Wärmebehandlungen wurden spezifisch für die jeweiligen<br />
Legierungen angepasst. Ziel der Wärmebehandlung ist<br />
eine Reduktion der inneren Spannungen sowie die Einstellung<br />
eines für die weichmagnetischen Eigenschaften vielversprechen-<br />
den homogenen Gefüges mit einer mittleren Korngröße von<br />
100 – 150 µm [CTF06]. Bild 03 zeigt einen Vergleich der Aufnahmen<br />
(Rasterelektronenmikroskop Ultra Plus mit EDAX Elektronenrückstreubeugung-Detektoren<br />
(engl. EBSD) der Fa. Zeiss) der<br />
Mikrostruktur im Ausgangszustand (nach dem LBM-Prozess) sowie<br />
im wärmebehandelten Zustand mit den gemäß Tabelle 01<br />
zusammengefassten Parametern der Wärmebehandlung und resultierenden<br />
Eigenschaften.<br />
Die EBSD-Aufnahmen (Bild 03) der Ausgangszustände zeigen<br />
die für die AM typische Kornstruktur, wobei bei FeCo50 und<br />
FeSi6.5 mit einer Scan-Rotation von 67° pro Schicht, bei FeSi2.9<br />
ohne Scan-Rotation gearbeitet wurde.<br />
Anhand der EBSD-Aufnahmen sowie den Messergebnissen aus<br />
Tabelle 01 zeigt sich, dass bei FeCo50 und Fesi6.5 eine Rekristallisation<br />
mit anschließendem Kornwachstum vorliegt. Bei FeSi6.5<br />
wurde eine durchschnittliche Korngröße von 67,5 µm erreicht, die<br />
maximale Korngröße liegt bei 695,4 µm. Die große Abweichung<br />
zwischen der durchschnittlichen und der maximalen Korngröße<br />
ist auf eine Ansammlung von Eigenspannungen und damit einhergehend<br />
lokal unterschiedlichen Rekristallisationsenergien zurückzuführen.<br />
Bei einer Zielkorngröße von 100 – 150 µm wurde<br />
diese Wärmebehandlung für den weiteren Verlauf ausgewählt. Bei<br />
FeSi2.9 liegt lediglich eine Reduktion der Spannungen vor, zu sehen<br />
an dem Abfall der Härte von 207 HV10 auf 171 HV10.<br />
Für die Zugversuche wurden 35×25×15 mm³-Blöcke in stehender<br />
Position additiv gefertigt, aus denen anschließend Zugproben<br />
erodiert wurden. Tabelle 02 stellt die Ergebnisse für die<br />
nicht-wärmebehandelten Zustände, sowie für die wärmebehandelten<br />
Zustände von FeSi2.9 und FeSi6.5 dar.<br />
Die Werte von FeSi2.9 und FeCo50 entsprechen den Erwartungen.<br />
Das leichte Abfallen der Bruchdehnung bei wärmebehandeltem<br />
FeSi2.9 ist bei der Gleichmaßdehnung nicht zu beobachten.<br />
Auffällig ist, dass bei einem Vergleich der für FeSi6.5 gemessenen<br />
Werte die Härtewerte nicht mit der Zugfestigkeit korrelieren.<br />
Dies lässt auf eine spröde Mikrostruktur schließen, welche<br />
über die durchgeführte Wärmebehandlung deutlich optimiert<br />
werden konnte, allerdings weiterhin im elastischen Bereich<br />
bricht. Die hohe Standardabweichung bei der Zugfestigkeit lässt<br />
auf verbleibende Fehlstellen im Material schließen.<br />
Fehlstellen im Material haben auch Einfluss auf die weichmagnetischen<br />
Eigenschaften. Dennoch konnte eine klare Verbesserung<br />
der Eigenschaften von FeSi2.9 zu FeSi6.5 beobachtet werden,<br />
sowie zwischen dem jeweiligen Ausgangszustand und dem<br />
wärmebehandelten Zustand. Bild 04 zeigt einen Vergleich der<br />
Neukurven, Bild 05 einen Vergleich der relativen Permeabilität<br />
für FeSi2.9 und FeSi6.5 im Ausgangszustand (AB) und wärmbehandelten<br />
Zustand (WB). Die elektrisch leitfähige Kobaltlegierung<br />
zeigt bereits bei geringen Frequenzen hohe Wirbelstromverluste,<br />
was die Anwendbarkeit in massiven Komponenten in Anwendungen<br />
bei anliegenden Wechselfeldern einschränkt.<br />
Bild 06 zeigt eine Gegenüberstellung der Hysteresekurven der<br />
wärmebehandelten Zustände von FeSi2.9 und FeSi6.5, die bei einer<br />
Frequenz von 10 Hz aufgenommen wurden.<br />
Geprüft wurden Ringkerne mit 200 Primär- sowie Sekundärwicklungen.<br />
Die Ringkerne sind massiv mit einem mittleren<br />
Durchmesser von 50 mm und einem quadratischen Querschnitt<br />
von 25 mm² aufgebaut und weisen keine Isolierung zwischen den<br />
einzelnen Schichten auf. Bei einer Prüffrequenz von 10Hz treten<br />
Hystereseverluste auf. Zudem erzeugen die über Lorenzkräfte<br />
entstehenden elektrischen Wirbelströme, zusätzlich Wirbelstromverluste.<br />
Ein Vergleich der Siliziumlegierungen zeigt den positiven Einfluss<br />
des steigenden Siliziumgehalts. Die maximale relative Permeabilität<br />
steigt von µr, max<br />
=2776 für FeSi2.9 (HT) um 254 % auf<br />
µr, max<br />
=7056 für FeSi6.5 (HT) während die Verluste bei 10 Hz um<br />
53 % sinken. Aufgrund des höheren spezifischen elektrischen Widerstandes<br />
bei steigendem Siliziumgehalt wird die Ausbildung<br />
von Wirbelströmen reduziert. Dies führt zu einer weiteren Ver-<br />
38 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
besserung der weichmagnetischen Eigenschaften bei höheren<br />
Prüffrequenzen. Bei 300 Hz wurden so die Verluste bereits um<br />
61 % reduziert. Die Koerzitivfeldstärke wurde bei einer Prüffrequenz<br />
von 10 Hz ebenfalls um 29 % gesenkt. Lediglich die zu erwartende<br />
Verminderung der Sättigungsflussdichte bei steigendem<br />
Siliziumgehalt stellt keine Verbesserung der weichmagnetischen<br />
Eigenschaften dar. Die Charakterisierung der Werkstoffe<br />
hat die Potentiale von FeSi6.5 bestätigt.<br />
KONSTRUKTIONSRICHTLINIEN<br />
Die Gestaltungsmöglichkeiten bei additiv gefertigten Bauteilen<br />
können genutzt werden, um die mechanischen und elektromagnetischen<br />
Anforderungen durch neuartige Gestaltungsansätze zu erfüllen.<br />
Werden bei der Gestaltung der unterschiedli chen Bereiche<br />
allein die mechanischen und elektromagnetischen Funktionen betrachtet,<br />
kann dies zu geometrischen Ausprägungen führen, die<br />
trotz der großen Gestaltungsfreiheit in AM die Grenzen des LBM-<br />
Verfahrens überschreiten. Dies kann hohe geometrische Abweichungen<br />
und ungeeignete Oberflächeneigenschaften hervorrufen<br />
oder sogar zu Schäden am Bauteil bzw. der Fertigungsanlage führen.<br />
Für die frühzeitige Beurteilung der Fertigungsgrenzen ist daher<br />
die Einhaltung von Konstruktionsrichtlinien erforderlich.<br />
Da insbesondere die thermisch getriebenen Effekte stark vom<br />
Material und den Prozessparametern in der Fertigungsmaschine<br />
abhängen, sind diese als Einflussgrößen bei den Untersuchungen<br />
zu Fertigungsgrenzen zu berücksichtigen. Dafür werden relevante<br />
Geometriemerkmale an Prüfkörpern untersucht und in Form<br />
von Konstruktionsrichtlinien festgehalten. Das grundsätzliche<br />
Vorgehen orientiert sich an [Ada15]. Zu diesem Zweck werden relevante<br />
Geometriemerkmale identifiziert und anhand von Prüfkörpern<br />
untersucht. Die Ergebnisse der Auswertung werden anschließend<br />
in Form von Konstruktionsrichtlinien festgehalten.<br />
Exemplarisch lässt sich dies an der minimalen Wandstärke zeigen.<br />
Hier limitiert der Laserdurchmesser die fertigungstechnisch<br />
umsetzbare Wandstärke. Um mechanisch belastbar zu sein, müssen<br />
neben den Konturbahnen auch sog. Hatch-Linien vorhanden<br />
sein (Bild 07, siehe links oben), die von den Konturlinien umgeben<br />
sind und durch die höhere Laserleistung für mehr Stabilität<br />
sorgen. Die vorläufigen Ergebnisse sind in Bild 07 dargestellt. Die<br />
Kombination der Materialien und der Fertigungsparameter führen<br />
in dieser Versuchsreihe zu einer relativ konstanten Maßabweichung<br />
bei den Wandelementen mit einer Orientierung von<br />
90° zur Bauplattform. Bei einem Winkel von 45° erhöhen sich die<br />
Maßabweichungen signifikant, hervorgerufen durch den Treppenstufeneffekt<br />
und Pulveranhaftungen an den nach unten weisenden<br />
Oberflächen. Bei den Proben mit dem Orientierungswinkel<br />
von 0° wird dies durch verbleibende Fragmente des Supportmaterials<br />
an der unteren Prüfkörperfläche verstärkt.<br />
Grundlegende Anforderungen der Nachbearbeitung sind bei<br />
den Konstruktionsrichtlinien zur fertigungsgerechten Gestaltung<br />
ebenfalls zu berücksichtigen. Zu betrachten sind zwangsläufig<br />
auftretende Bearbeitungsschritte, wie die Entfernung von Supportstrukturen,<br />
aber auch weiterführende Bearbeitungsschritte<br />
im Dreh- bzw. Fräsprozess.<br />
Grundsätzlich sollte die Gestalt eines technischen Produkts<br />
durch die Funktion bestimmt werden. Dabei können die daraus<br />
resultierenden Randbedingungen, äußere Einflüsse und weitere<br />
Produktanforderungen, die jeweiligen Abschnitte vorgeben. Diese<br />
sind zunächst zu ermitteln. Bei der Rotorgestaltung ergeben<br />
sich die Anforderungen aus der mechanischen und elektromagnetischen<br />
Funktion.<br />
Entsprechend der schematischen Darstellung aus Bild 08 können<br />
drei unterschiedliche Abschnitte identifiziert werden. Abschnitt<br />
1 entspricht dem Rotor-Aktivteil, in dem der magnetische<br />
Fluss geführt wird und der dementsprechend aus möglichst<br />
weichmagnetischem Material bestehen sollte. In diesem Abschnitt<br />
wirkt das vom Stator erzeugte Magnetfeld auf das Magnet-<br />
07 Aufbau einer additiv gefertigten Bauteilschicht mit<br />
Konturbahn und Hatch-Linien (links oben); Prüfkörper für<br />
Wanddickenprüfung (links unten) und erste Ergebnisse zu<br />
Maßabweichungen (rechts)<br />
08 Schematische Darstellung des Rotors mit den unterschiedlichen<br />
Abschnitten<br />
09 a): max. von-Mises-Spannung und b): Hauptflussdichte in<br />
Abhängigkeit von der Streustegbreite, bezogen auf die Referenzmaschine<br />
(entspricht der rel. Streustegbreite 1 mm)<br />
feld der Permanentmagnete. Die Überlagerung der beiden Magnetfelder<br />
im Luftspalt der PMSM führt zu Maxwell‘schen Grenzflächenkräften,<br />
welche an der Stator- bzw. Rotoroberfläche angreifen<br />
und somit das Drehmoment der elektrischen Maschine<br />
erzeugen. Da die Führung des magnetischen Flusses im Aktivteil<br />
von großer Bedeutung ist, hat dieser Abschnitt einen großen Einfluss<br />
auf die Gestalt des Rotors. Der Rotorjochbereich, also der<br />
Teil des Aktivteils zwischen den Permanentmagneten (Bild 08,<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 39
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
10 a): Modell des Referenzrotors mit ungeschrägtem Aktivteil<br />
und axial geraden Magneten (Vollwelle ausgeblendet) b): Modell<br />
des Demonstrators mit um den Winkel γy schräg tordiertem<br />
Aktivteil und axial geraden Magnete<br />
11 Resultierendes Rastmoment eines ungeschrägten Referenzmodells<br />
(gestrichelte Linie) und eines um eine Nutteilung τ n<br />
geschrägten Demonstrators (schwarze Linie)<br />
rechts) und der Drehachse, wird im Wesentlichen durch Torsion<br />
und Fliehkraft belastet. Hinzu kommen Biegebelastungen, die<br />
durch Unwuchten und die Gewichtskraft des Rotors auftreten.<br />
Die Polschuhe, also die Bereiche zwischen den Magneten und<br />
dem Luftspalt, und im Speziellen die Polschuhanbindungen<br />
(PSA, auch: Polschuh-Joch-Verbindungen, Bild 08), werden<br />
hauptsächlich durch die Fliehkraft und die am Polschuh angreifende<br />
Umfangskraft F belastet.<br />
Die seitlich zum Aktivteil angeordneten Abschnitte sind im<br />
Wesentlichen mechanisch belastet. Zwischen den Lagern wirkt<br />
durch die Gewichtskraft und einer möglichen fertigungsbedingten<br />
Unwucht ein Biegemoment auf die Rotorstruktur. Das im Aktivteil<br />
erzeugte Torsionsmoment wird über die A-Seite des Rotors<br />
(Abschnitt 2.1 und 3.1) geleitet und für den anzutreibenden Prozess<br />
bereitgestellt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den<br />
Abschnitten ist, dass die Abschnitte 2.1 und 2.2 hinsichtlich der<br />
Innen- und Außenkontur innerhalb der Bauraumgrenzen unter<br />
Berücksichtigung der mechanischen Beanspruchung angepasst<br />
werden können. Für die Abschnitte 3.1 und 3.2 gilt dies nur für<br />
die Innenkontur, da die Außenkontur durch Funktionsflächen<br />
zur Aufnahme von Lagern oder Welle-Nabe-Verbindungen vordefiniert<br />
sind.<br />
ROTORAKTIVTEIL<br />
Die dreidimensionale Gestaltungsfreiheit der weichmagnetischen<br />
Bereiche innerhalb der elektrischen Maschine eröffnet<br />
neue Möglichkeiten zur Funktionsintegration, zur Steigerung der<br />
Leistungsdichte und zur Erhöhung des Wirkungsgrads [LAS+16,<br />
LRB+13, UPT18]. Massives Material kann an den Stellen, an denen<br />
es nicht aus elektromagnetischer, mechanischer oder thermischer<br />
Sicht notwendig ist, durch Leichtbau-Gitterstrukturen<br />
oder Hohlräume ersetzt werden. Hinsichtlich der Gestaltung von<br />
Rotoren mit vergrabenen Permanentmagneten ergeben sich die<br />
folgenden Herausforderungen (siehe Bild 08):<br />
n Gestaltung des Jochbereichs:<br />
Bestmögliche Drehmomentübertragung, ohne die magnetische<br />
Flussführung und die mechanische Festigkeit negativ zu<br />
beeinflussen<br />
n Gestaltung der Polschuhe:<br />
Beeinflussung der Flussdichteverteilung im Luftspalt<br />
n Gestaltung der PSA:<br />
Verringerung der Rotorstreuung durch Verkleinerung der<br />
tragenden Querschnittsfläche, ohne die mechanische Festigkeit<br />
negativ zu beeinflussen.<br />
Die Drehmomentübertragung erfolgt dabei von der Rotoroberfläche<br />
über die Polschuhe, die Streustege und gegebenenfalls auch<br />
über die Magnete auf das Rotorjoch. Weiterhin nehmen die<br />
Streustege den Großteil der Fliehkräfte der Polschuhe und der<br />
Magnete auf und müssen dementsprechend dimensioniert werden.<br />
Dies führt zu einem Zielkonflikt mit der Forderung nach<br />
möglichst geringem Rotorstreufluss. Bild 09 a) zeigt die maximale<br />
mechanische Spannung im Streusteg in Abhängigkeit von der<br />
Streustegbreite. Auch unter Berücksichtigung der Spannungserhöhung<br />
aufgrund von Kerbwirkung und schwellender Zugbelastung<br />
sowie der Überdrehzahl wird deutlich, dass eine Verringerung<br />
der Streustegbreite bzw. der kraftübertragenden Querschnittsfläche<br />
um bis zu 50 % möglich ist. So kann der Rotorstreufluss<br />
um ca. 35 % gesenkt und das drehmomentbildende<br />
Hauptfeld um ca. 5 % erhöht werden (Bild 09 b).<br />
Die Funktionsintegration mittels AM kann anhand der Schrägungswirkung<br />
aufgezeigt werden, welche konventionell entweder<br />
statorseitig oder durch eine Rotorstaffelung umgesetzt wird,<br />
um Rast- und Pendelmomente zu reduzieren. Die AM-Gestaltungsfreiheit<br />
erlaubt nun, eine kontinuierliche Schrägung durch<br />
Torsion der Polschuhe zu implementieren und gleichzeitig die<br />
Magnettaschen axial gerade zu belassen [UKP+20]. Bild 10 b)<br />
zeigt diesen Ansatz, der zu einem deutlich reduziertem Rastmoment<br />
im Vergleich zur ungeschrägten Referenzmaschine führt<br />
(Bild 11).<br />
Im vorliegenden Fall wird die Funktion der Drehomomentübertragung<br />
nicht durch eine separate, kreisrunde Vollwelle erfüllt,<br />
sondern durch eine integrierte additiv gefertigte Rotorwelle<br />
(angedeutet in Bild 08). Aus magnetischer Sicht wird im Rotorjoch<br />
lediglich Vollmaterial benötigt, um den Magnetfluss der Permanentmagnete<br />
zu führen, ohne signifikante lokale Flussdichteerhöhungen<br />
hervorzurufen. Ein Ansatz stellt diesbezüglich die in<br />
Bild 10 b) gezeigte Rautenform dar, welche zu einer Materialersparnis<br />
des weichmagnetischen Materials von ca. 34 % im Vergleich<br />
zur Vollwelle führte. Dank der additiven Fertigung entfällt<br />
die Notwendigkeit einer klassischen kreisrunden Welle, da die<br />
Drehmomentübertragung hin zur Abtriebsseite auch direkt über<br />
das Rotorjoch erfolgen kann (angedeutet in Bild 08).<br />
Die Tatsache, dass bei der Fertigung mittels LBM massive, aus<br />
einem einzigen Werkstoff bestehende Bauteile produziert werden,<br />
führt im Fall von Rotoraktivteilen insbesondere auf der Rotoroberfläche<br />
zu erhöhten Wirbelströmen und damit auch zu zusätzlichen<br />
Verlusten im Betrieb. Zur Vermeidung dieser Wirbelstromeffekte<br />
kann die Oberfläche gleich während der additiven<br />
Fertigung vorteilhaft strukturiert bzw. geschlitzt werden. Ein Vergleich<br />
der messtechnisch ermittelten Oberflächenverlustdichte<br />
in Abhängigkeit vom Schlitzmuster ist in Bild 12 gezeigt, wobei<br />
eine Querschlitzung einer Schlitzung in Umfangsrichtung und eine<br />
Längsschlitzung einer Schlitzung in axialer Richtung der Maschine<br />
entspricht.<br />
Die Verlustdichte wurde aus der gemessenen Temperaturerhöhung<br />
auf der Oberfläche additiv gefertigter Prüfkörper ermittelt,<br />
welche mithilfe eines eigens dimensionierten Linearprüfstands<br />
einer Wechselmagnetisierung ausgesetzt wurden. Demnach<br />
konnte gezeigt werden, dass 2,3 Schlitze pro Zentimeter axialer<br />
40 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
12 Vergleich der Oberflächenverlustdichte in Abhängigkeit von der Schlitzart: a) Verlustdichte p(f1) bei B p<br />
=0,1; T=konst.<br />
und b) Verlauf der Verlustdichte bei Erhöhung der Schlitzanzahl (hier:in Stufen)<br />
1,6<br />
Verlustdichte in kW/kg<br />
rel. Verlustdichte in 1<br />
1,4<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
ungeschlitzt<br />
Interpolation<br />
quer geschlitzt<br />
Interpolation<br />
längs geschlitzt<br />
Interpolation<br />
diagonal geschlitzt<br />
Interpolation<br />
längs-quer geschlitzt<br />
Interpolation<br />
Frequenz<br />
in Hz<br />
0<br />
0 1 2 3<br />
Stufe der Schlitzung<br />
Maschinenlänge (entspricht Stufe 3 in Bild 12 b) in Umfangsrichtung<br />
mit jeweils 2 mm Tiefe die im Rotoraktivteil entstehenden<br />
Wirbelstromverluste bereits um bis zu 64 % reduzieren (vgl. auch<br />
[UP18] bzw. [HUP19]). Im Gegensatz dazu führt eine Schlitzung<br />
in axialer Richtung sogar zu einer Erhöhung der Verlustleistungsdichte.<br />
DREHMOMENTFÜHRUNG<br />
Tabelle 2: Ergebnisse der Zugversuche mit<br />
FeCo50, FeSi2.9 und FeSi6.5<br />
Material /<br />
Zustand<br />
Härte<br />
(SD) [HV10]<br />
Zugfestikeit<br />
(SD) [MPa]<br />
Bruchdehnung<br />
(SD) [%]<br />
FeCo50 / AB 250 (5,36) 677,99 (22,16) 4,33 (2,41)<br />
FeSi2.9 / AB 207 (4,19) 401,77 (1,91) 50,42 (3,71)<br />
FeSi2.9 / WB 179 (2,72) 380,87 (5,20) 43,77 (4,43)<br />
FeSi6.5 / AB 373 (22,92) 158,53 (9,32) < 1<br />
FeSi6.5 / WB 361 (31,90) 556,57 (93,12) < 1<br />
(WB = Wärmebehandelt, AB = As-Built)<br />
Die Optimierung der mechanischen Rotorbeanspruchung erfolgt<br />
iterativ im stetigen Austausch mit dem Optimierungsprozess der<br />
elektromagnetischen Funktion. In diesem Zusammenhang sind<br />
nicht nur Beanspruchungsgrenzen zu betrachten, sondern auch<br />
die Fertigungsgrenzen des LBM-Verfahrens.<br />
Abschnitt 1 (Bild 08) ist im Rotorjochbereich bereits durch die<br />
elektromagnetische Funktion weitestgehend vorgegeben. Zwar<br />
sind hier auch mechanische Anforderungen von Bedeutung,<br />
doch die grundsätzliche Struktur ist aus mechanischer Sicht umsetzbar,<br />
sodass diese als mechanisch tragende Struktur übernommen<br />
werden kann.<br />
Da nun die wesentlichen Funktionsbereiche identifiziert sind<br />
und der vorhandene Bauraum feststeht, müssen diese Bereiche<br />
im Detail ausgestaltet und verbunden werden. Die Gestaltungsmöglichkeiten<br />
der AM ermöglichen einen stärkeren Fokus auf die<br />
Funktionsumsetzung. Dies ermöglicht und erfordert neue Lösungsansätze<br />
sowie ein systematisches Auseinandersetzen mit<br />
den bestehenden Lösungskonzepten. Durch die einteilige Fertigung<br />
mittels AM können form- und kraftschlüssige Verbindungsbereiche,<br />
die teilweise zu Spannungserhöhungen führen, beispielweise<br />
zwischen Rotorwelle und Blechpaket, umgangen werden.<br />
Die Umsetzung von einer stoffschlüssigen Verbindung erlaubt<br />
eine mechanisch optimierte Kraftübertragung bei<br />
reduziertem Materialeinsatz. Die Einbindung des elektromagnetisch<br />
notwendigen Materials an einer beanspruchungsgünstigen<br />
Stelle ermöglicht die ideale Funktionsumsetzung unter Ausnutzung<br />
des maximalen Leichtbaupotentials.<br />
Bei der Betrachtung der torsionsbelasteten Bereiche ist eine<br />
geometrische Form anzustreben, die für die Belastungsform geeignet<br />
ist. In diesem Zusammenhang bieten sich geschlossene<br />
Hohlstrukturen an, da diese die Torsionsbelastung besser aufnehmen<br />
und leiten als offene Profile. Die Konzentration des Materials<br />
auf außenliegende Bereiche führt zu einer effizienteren<br />
Materialauslastung und ermöglicht eine hohe Belastbarkeit bei<br />
reduziertem Bauteilgewicht. Kreisförmige, geschlossene Hohlprofile<br />
bieten sich als einfachste Form zunächst an. Diese reagieren<br />
anders als Rechteckquerschnitte auf die Torsionsbelastung<br />
ohne eine Verwölbung [Kle13]. Diese Grundform entspricht den<br />
Anforderungen der Funktionsflächen in Abschnitt 3.1 für das Lager<br />
und den vorgesehenen Zylinderpressverband. Die angestrebten<br />
Hohlstrukturen mit dem vorhandenen Leichtbaupotential<br />
können durch den schichtweisen AM-Aufbauprozess im Innenbereich<br />
deutlich freier gestaltet und auf die Anforderungen angepasst<br />
werden.<br />
Bei der Umsetzung in den Abschnitten 1, 2.1 und 3.1 kann das<br />
Drehmoment über Rohrabschnitte mit unterschiedlichen Abmessungen<br />
geleitet werden (Bild 13). Dabei sind die Außendurchmesser<br />
der einzelnen Bereiche durch angrenzende Funktionsbauteile<br />
weitestgehend vorgegeben. Der Übergang im Abschnitt<br />
2.1 wird im Außendurchmesser lediglich durch die Montagezugänglichkeit<br />
der Magneten begrenzt. Hier wird der<br />
Außendurchmesser zunächst als linear zwischen den jeweilig angrenzenden<br />
Abschnitten angenommen. Da das Statorfeld das<br />
Drehmoment gleichmäßig über die gesamte Aktivteillänge einleitet,<br />
steigt dieses in axialer Richtung linear an und erreicht am<br />
Übergang zwischen Abschnitt 1 und 2.1 den maximalen Wert. In<br />
den Abschnitten 2.1 bis 3.1 bleibt das Drehmoment konstant, sofern<br />
die Lagerreibung vernachlässigt wird.<br />
Bei den statischen Untersuchungen an FeSi6.5 wurde eine Zugfestigkeit<br />
von ca. 550 MPa erreicht. Eine vorläufige Abschätzung<br />
der zu erwartenden Torsionswechselfestigkeit τ t,zul<br />
mittels Umrechnungsansätzen<br />
[IRH03], ergeben sich beim angenommenen<br />
Überlastdrehmoment des Motors von T=14,25 Nm und einer zulässigen<br />
Torsionsspannung von τ t,zul<br />
=140 MPa theoretisch maximal<br />
erforderliche Wandstärken von lediglich 0,11 mm am Wellenende.<br />
In der folgenden Gleichung [NWH05] wird der Grenzfall τ t,max<br />
=<br />
τ t,zul<br />
angenommen:<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 41
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
13 Schematische Darstellung des Drehmomentverlaufs (oben)<br />
und die daraus resultierende erforderliche Wandstärke bei<br />
kreisförmiger Hohlstruktur (unten)<br />
14 Darstellung der Rotorabschnitte 2.1 und 3.1 (siehe Bild 08):<br />
FEM bei T=14,25 Nm (links) und mit Bearbeitungszugaben im<br />
LBM-Prozess (rechts)<br />
Streng genommen gelten diese Formeln für das Widerstandsmoment<br />
W t<br />
nicht für dünnwandige Rohre, die in diesem Fall vorliegen.<br />
Für eine erste Abschätzung reicht dieser Ansatz jedoch aus<br />
und ermöglicht eine einfache Darstellung der Einflussgrößen. Eine<br />
Überprüfung der Formeln unter der Annahme eines dünnwandigen<br />
Rohrs liefert ähnliche Ergebnisse, wobei tendenziell<br />
noch kleinere Wanddicken möglich sind. Zudem basiert die beschriebene<br />
Gestaltung des Rotors zunächst auf Abschätzungen,<br />
die Annahmen zu Werkstoffen und Belastungen enthalten und<br />
festigkeitsmindernde Einflüsse durch Kerbbereiche und Oberflächeneinflüsse<br />
nicht berücksichtigen. Trotzdem zeigt die Betrachtung<br />
das Potential bei der Gestaltung einer Rotorwelle auf.<br />
Bei der Gestaltung der torsionsbelasteten Abschnitte (Abschnitte<br />
1, 2.1 und 3.1) ist zunächst die Orientierung des Rotors im Bauraum<br />
der AM-Maschine festzulegen, da diese als wichtiges Kriterium<br />
für die Konstruktionsrichtlinien herangezogen wird. Da Unwuchten<br />
und radiale Maßabweichungen einzugrenzen sind, bietet<br />
sich die stehende Fertigung des Rotors an. Dabei zeigt die<br />
Rotationsachse des Rotors in Baurichtung. So werden die radialen<br />
Abmessungen in der xy-Ebene gefertigt und können prozessbedingt<br />
genauer umgesetzt werden. Wird in dieser Orientierung der<br />
Ansatz mit den Rohrsegmenten exemplarisch weiterverfolgt, so<br />
zeigen sich Beispiele für die Herausforderungen und Lösungsmöglichkeiten<br />
bei der Umsetzung mittels AM. Die theoretischen<br />
Wandstärken aus Bild 13 basieren allein auf den Abschätzungen<br />
zu der Torsionsbelastung. Die betrachteten Bereiche unterliegen<br />
jedoch weiteren Anforderungen, die zu einer deutlichen Zunahme<br />
der Wandstärke führen. Im Abschnitt 3.1 wirkt beispielsweise<br />
der Spannsatz zusätzlich auf die äußere Mantelfläche ein. Die radial<br />
wirkende Kraft führt zu einer Beanspruchung, die in einer<br />
dünnwandigen Struktur zu einer hohen Materialbeanspruchung<br />
führt. Durch eine lokale Erhöhung der Wanddicke in diesem Bereich<br />
kann eine Spannungserhöhung mit minimalem Materialeinsatz<br />
entgegengewirkt werden. Ein ähnliches Vorgehen wird in<br />
Kerbbereichen, beispielweise an der Sicherungsringnut oder bei<br />
Duchmesserübergängen, angewendet, indem durch eine gezielte<br />
Zugabe von Material und einer spannungsgünstigen Gestaltung<br />
lokale Spannungserhöhungen vermieden werden. Die erforderlichen<br />
geometrischen Anpassungen müssen im Fertigungsprozess<br />
umgesetzt werden können. Relevante Grenzen, die dabei berücksichtigt<br />
werden müssen, werden in Form von Konstruktionsrichtlinien<br />
festgehalten (Bild 07 links).<br />
In Bild 14 ist ein Entwurf der Abschnitte 2.1 und 3.1 abgebildet.<br />
Dieser Bereich ist im Wesentlichen auf Torsion belastet. Eine<br />
FEM Simulation liefert bei einer Torsionsbelastung von 14,25 Nm<br />
eine maximale Spannung von 35,17 MPa. Dieser Wert liegt deutlich<br />
unter dem theoretisch zulässigen Grenzwert. Um einen<br />
schädlichen Wärmestau im Fertigungsprozess zu vermeiden,<br />
bleibt der Bauteilquerschnitt weitestgehend konstant oder<br />
nimmt mit der Bauhöhe (in z-Richtung) ab. So kann die durch<br />
den Laser eingebrachte thermische Energie über das Bauteil in<br />
die Bauplattform abfließen. Hohe Eigenspannungen, Verzug und<br />
Pulveranhaftungen werden dadurch vermieden.<br />
ZUSAMMENFASSUNG<br />
Die bisherigen Untersuchungen liefern vielversprechende Ergebnisse<br />
und zeigen das Potential der Additiven Fertigung im Elektromaschinenbau<br />
auf. Materialien, die bisher nicht oder nur in einem<br />
beschränkten Umfang verarbeitet werden konnten, werden durch<br />
das LBM-Verfahren vearbeitbar. Trotz verbleibender Fehlstellen<br />
im Material konnte bereits eine maximale relative Permeabilität<br />
von µ r,max<br />
= 7055 erreicht werden. Die Verluste konnten bei additiv<br />
gefertigtem FeSi2.9 bei 10 Hz um 53 % reduziert werden.<br />
Neben der Möglichkeit, neue Materialien zu verwenden, bietet<br />
AM neue Optimierungspotentiale hinsichtlich der Bauteilfunktionalität.<br />
In elektromagnetischen Funktionsbereichen kann die<br />
Flussführung durch eine gezielte Gestaltung beeinflusst und die<br />
Leistungsdichte der Maschine erhöht werden. Auch eine Verringerung<br />
des Rastmoments durch neuartige 3D-Gestaltung des Aktivteils<br />
ist möglich. Die Reduzierung des Materialeinsatzes auf<br />
funktional erforderliche Bereiche bietet ein hohes Leichtbaupotential.<br />
Durch die vorgesehene Komplettfertigung des Rotoraktivteils<br />
und der Welle kann das Material auch mechanisch ideal ausgenutzt<br />
werden. Die elektromagnetisch wirksamen Rotorabschnitte<br />
können ohne spannungserhöhende Verbindungsstellen<br />
als mechanisch tragende Bereiche genutzt werden. Rein mechanisch<br />
belastete Rotorabschnitte können optimal an die wirkenden<br />
Belastungen angepasst werden. Das Potential der Additiven<br />
Fertigung zur Funktionsintegration, zur Erhöhung der Leistungsdichte<br />
und zum Leichtbau im Elektromaschinenbau wurde somit<br />
erfolgreich aufgezeigt.<br />
Dieser Lösungsansatz wird weiter untersucht und durch zusätzliche<br />
experimentelle Versuche an Prüfkörpern und an der finalen<br />
Rotorgestalt validiert.<br />
42 <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 www.<strong>antriebstechnik</strong>.de
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG<br />
Literaturverzeichnis:<br />
[Ada15] ADAM, G. A. O.: Systematische Erarbeitung von Konstruktionsregeln<br />
für die additiven Fertigungsverfahren Lasersinter, Laserschmelzen und Fused<br />
Deposition Modeling. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität<br />
Paderborn, Forschungsberichte des Direct Manufacturing Research Centers, Band<br />
1, 2015.<br />
[AZ14] ADAM, G. A. O.; ZIMMER, D.: Design for Additive Manufacturing<br />
– Element transitions and aggregated structures. CIRP Journal of Manufacturing<br />
Science and Technology, vol 7, iss. 1, pp.20-28, 2014.<br />
[BNM13] BRENNE, F.; NIENDORF, T.; MAIER, H.J.: Additively manufactured<br />
cellular structures - Impact of microstructure and local strains on the monotonic<br />
and cyclic behavior under uniaxial and bending load. Journal of Materials<br />
Processing Technology 2013; 213, S. 1558-1564.<br />
[Bon00] BONNETT, A. H.: Operating temperature considerations and<br />
performance characteristics for IEEE 841 motors. NY: Institute of Electrical and<br />
Electronics, 2000, New York.<br />
[BSJ+08] BOLFARINI, C.; SILVA, M.C.A.; JORGE JR, A.M.; KIMINAMI, C.S.;<br />
BOTTA, W.J.: Magnetic properties of spray-formed Fe–6.5%Si and Fe–6.5%Si–<br />
1.0%Al after rolling and heat treatment. Journal of Magnetism and Magnetic<br />
Materials 2008; 320, Issue 20, S. 653-656<br />
[Buc10] BUCHBINDER, D.: Generative Fertigung von Aluminiumbauteilen<br />
für die Serienproduktion – AluGenerativ. Abschlussbericht; Projektlaufzeit:<br />
Februar 2007 - Januar 2010.: Technische Informationsbibliothek u. Universitätsbibliothek;<br />
2010, Aachen.<br />
[CTF06] CAMPOS, M.F.; TEIXEIRA, J.; LANDGRAF, F.: The optimum grain size<br />
for minimizing energy losses in iron. Journal of Magnetism and Magnetic<br />
Materials, 2006, 301, S. 94–99<br />
[ESK+11] EMMELMANN, C.; SANDER, P.; KRANZ, J.; WYCISK, E.: Laser<br />
Additive Manufacturing and Bionics: Redefining Lightweight Design. Physics<br />
Procedia 2011; Issue: 12, S. 36-48, 2011.<br />
[GAA+15] GARIBALDI, M.; GERADE, C.; ASHCROFT, I.; HAGUE, R.; MORVAN,<br />
H.: The impact of additive manufacturing on the development of electrical<br />
machines for MEA Applications: A feasibility study, in MEA2015 More Electric<br />
Aircraft, Toulouse, Frankreich, 2015.<br />
[Geb11] GEBHARDT, A.: Understanding additive manufacturing: Rapid<br />
prototyping – rapid tooling – rapid manufacturing. Hanser Verlag, 2011,<br />
München.<br />
[Geb13] GEBHARDT, A.: Generative Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing<br />
und 3D Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion. 1st ed. s.l.: Carl<br />
Hanser Fachbuchverlag, 2013, München.<br />
[GRS10] GIBSON, I.; ROSEN, D. W. ; STUCKER, B.: Additive Manufacturing<br />
Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. Boston, MA:<br />
Springer Science+Business Media LLC; 2010.<br />
[HUP19] HULLMANN, M.; URBANEK, S.; PONICK, B.: Surface Eddy Current<br />
Suppression on Additively Manufactured Solid Rotor Active Parts, International<br />
Conference on Energy Efficiency in Motor Driven Systems (EEMODS), Tokyo<br />
Japan, 2019.<br />
[IRH03] ISSLER, R.;RUOß, H.;HÄFELE, P.: Festigkeitslehre – Grundlagen,<br />
Springerverlag, Heidelberg, 2003<br />
[KBC+16] KRINGS, A.; BOGLIETTI, A.; CAVAGNINO, A.; SPRAGUE, S.: Soft<br />
Magnetic Material Status and Trends in Electric Machines. IEEE Transactions on<br />
Industrial Electronics, 2016, 64, Issue 3, S. 2405 - 2414<br />
[Kle13] KLEIN, B.: Leichtbau-Konstruktion – Berechnungsgrundlagen und<br />
Gestaltung. Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013<br />
[KFV+04] KRUTH, J. P.; FROYEN, L.; VAN VAERENBERGH, J.; MERCELIS, P.;<br />
ROMBOUTS, M.; LAUWERS, B.: Selective laser melting of iron-based powder.<br />
Journal of Materials Processing Technology 2004; 149, S. 616–622.<br />
[KG05] KREITH, F.; GOSWAMI, D. Y.: The CRC Handbook of Mechanical<br />
Engineering 2nd ed., Boca Raton, CRC press, 2005, London.<br />
[Kub82] KUBASCHEWSKI, O.: IRON - Binary Phase Diagrams, Springer, 1982<br />
[LAS+16] LAMMERS, S.; ADAM, G.; SCHMID, H.J.; MROZEK, R.; HOFFMANN,<br />
M.J.; QUATTRONE, F.; PONICK, B.: Additive Manufacturing of a Lightweight<br />
Rotor for a Permanent Magnet Synchronous Machine. In: Proceedings of the<br />
EDPC International Electric Drives Production Conference, 2016, Nürnberg.<br />
[LF92] LASKA, R.; FELSCH, C.: Werkstoffkunde für Ingenieure. Springer<br />
Verlag, 3. Auflage, Wiesbaden, 1992.<br />
[LRB+13] LINDNER, F.; RUDOLPH, J.; BRÄUER, P.; WERNER, R.; RIECKER, S.;<br />
STUDNITUKY, T.; KIEBACK, B.: Dreidimensionaler Siebdruck als material-,<br />
energie- und kosteneffiziente Fertigungsmethode für Komponenten elektromagnetischer<br />
Energiewandlungssysteme. ETG-Kongress, 2013.<br />
[NWH05] NIEMANN, G.; WINTER, H.; HÖHN, B.-R.: Maschinenelemente<br />
- Band 1: Konstruktion und Berechnung von Verbindungen, Lagern, Wellen.<br />
Springer-Verlag, Berlin, 2005<br />
[MWG10] MEINERS, W.; WISSENBACH, K.; GASSER, A.: Verfahren zur<br />
Herstellung eines Formkörpers. Patentnr. DE19649865 C1.<br />
[OCD15] OLAKANMI, E. O.; COCHRANE, R. F.; DALGARNO, K. W.: A review<br />
on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders.<br />
Processing, microstructure, and properties. Progress in Materials Science 2015;74,<br />
S. 401-477.<br />
[Reh10] REHME, O.: Cellular design for laser freeform fabrication. 1st ed.<br />
Göttingen: Cuvillier; 2010.<br />
[TKB+19] TIISMUS, H.; KALLASTE, A.; BELAHCEN, A.; RASSLKIN, A.;<br />
VAIMANN, T.: Challenges of Additive Manufacturing of Electrical Machines,<br />
IEEE International Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power<br />
Electronics and Drives (SDEMPED), 2019.<br />
[TLR+12] THÖNE, M.; LEUDERS, S.; RIEMER, A.; TRÖSTER, T.; RICHARD, H.<br />
A.: Influence of heat-treatment on Selective Laser Melting products – e.g. Ti6Al4V.<br />
Solid Freeform Fabrication Symposium 2012.<br />
[UML+18] URBAN, N.; MEYER, A.; LECKEL, M., LEDER, M.; FRANKE, J.:<br />
Additive Manufacturing of an Electric Drive a Feasability Study, in International<br />
Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion<br />
(SPEEDAM), Italy, 2018.<br />
[UP18] URBANEK, S.; PONICK, B.: Surface Eddy Current Loss Reduction in<br />
Additively Manufactured Permanent Magnet Rotor Active Parts, XIII IEEE<br />
International Conference on Electrical Machines (ICEM), Alexandroupoli,<br />
Griechenland, 2018.<br />
[UPT18] URBANEK, S.; PONICK, B.; TAUBE, A.; HOYER, K.-P.; SCHAPER, M.;<br />
LAMMERS, S.; LIENEKE, T.; ZIMMER, D.: Additive Manufacturing of a Soft<br />
Magnetic Rotor Active Part and Shaft for a Permanent Magnet Synchronous<br />
Machine, IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), Long<br />
Beach, USA, 2018.<br />
[UKP+20] URBANEK, S.; KEUTER, R.; PETER, E.; PONICK, B.: Effects of<br />
Continuous Rotor Skewing in Additively Manufactured Permanent Magnet<br />
Rotors, 25th Int. Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation<br />
and Motion (SPEEDAM), Sorrent, Italien, 2020.<br />
[WE19] WU, F.; EL-REFAIE, A.M.: Towards Fully Additively-Manufactured<br />
Permanent Magnet Synchronous Machines: Opportunities and Challenges, IEEE,<br />
2019.<br />
[VTK+12] VRANCKEN, B.; THIJS, L.; KRUTH, J.-P.; VAN HUMBEECK, J.: Heat<br />
treatment of Ti6Al4V produced by Selective Laser Melting - Microstructure and<br />
mechanical properties. Journal of Alloys and Compounds 2012;541, S. 177-185.<br />
[Zäh06] ZÄH, M. F.: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien:<br />
Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren. Hanser Verlag, 2006,<br />
München.<br />
[ZA13] ZIMMER, D.; ADAM, G. A. O.: Konstruktionsregeln für Additive<br />
Fertigungsverfahren. Konstruktion – Zeitschrift für Produktentwicklung und<br />
Ingenieur-Werkstoffe Sonderdruck aus Heft 7-8, Seite 77-82, Springer-VDI-Verlag,<br />
2013, Düsseldorf.<br />
DIE AUTOREN<br />
Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer, Leitung am<br />
Lehrstuhl für Konstruktions- und<br />
Antriebstechnik, Universität Paderborn<br />
Sebastian Magerkohl, M.Sc., Wissenschaftlicher<br />
Mitarbeiter am Lehrstuhl für<br />
Konstruktions- und Antriebstechnik,<br />
Universität Paderborn<br />
Prof. Dr.-Ing. Mirko Schaper, Leitung am<br />
Lehrstuhl für Werkstoffkunde an der<br />
Fakultät für Maschinenbau, Universität<br />
Paderborn<br />
Lennart Tasche, M.Sc., Wissenschaftlicher<br />
Mitarbeiter am Lehrstuhl für Werkstoffkunde<br />
an der Fakultät für Maschinenbau,<br />
Universität Paderborn<br />
Prof. Dr.-Ing. Bernd Ponick, Leitung am<br />
Institut für Antriebssysteme und<br />
Leistungselektronik an der Fakultät für<br />
Elektrotechnik und Informatik, Leibniz<br />
Universität Hannover<br />
Stefan Urbanek, M.Sc., Wissenschaftlicher<br />
Mitarbeiter am Institut für Antriebssysteme<br />
und Leistungselektronik an der<br />
Fakultät für Elektrotechnik und Informatik,<br />
Leibniz Universität Hannover<br />
www.<strong>antriebstechnik</strong>.de <strong>antriebstechnik</strong> <strong>2021</strong>/06 43
MULTIMEDIAL VERNETZT<br />
KUNDEN GEWINNEN!<br />
FÖRDERTECHNIK<br />
MATERIALFLUSS<br />
LOGISTIK<br />
FLUIDTECHNIK<br />
Profitieren Sie von unserem<br />
einmaligen Mediennetzwerk!<br />
Bitte kontaktieren Sie mich, ich berate Sie gerne!<br />
Carmen Nawrath<br />
Head of Sales<br />
Telefon: 0049/6131/992-245<br />
c.nawrath@vfmz.de