Druckluft kann man schlecht darstellen, aber sehr gut einsparen: Unter diesem Slogan bietet Etaopt druckluftlose Alternativen für die Industrie. Mit der preisgekrönten Saug-Hebevorrichtung „Etavac-SH-ZPN“ erhalten umweltbewusste Unternehmen eine effizientere und umweltfreundlichere Alternative zu Pneumatik und konventionellen Vakuumejektoren. Die Vorrichtung basiert auf der völlig neuen Vakuumtechnologie „Etavac“. Eine zentrale Komponente in dieser Entwicklung ist das neue Antriebssystem „Kannmotion“ von Koco Motion und Adlos.

Noch kaum zwei Jahre alt hat die Etaopt GmbH aus Kassel bereits den 3. Preis beim diesjährigen Robotics Award gewonnen. Kein Wunder, denn Geschäftsführer Dr.-Ing. Christoph Pohl hat das Unternehmen als Spin-off aus dem Fachgebiet ‚Umweltgerechte Produkte und Prozesse‘ der Universität Kassel gegründet. „Die patentierte Etavac-Technologie habe ich im Rahmen meiner Promotion entwickelt“, so der Geschäftsführer und weiter: „Nun möchten wir druckluftlose Handhabung für die Industrie salonfähig machen und den Markt der Druckluftsubstitution revolutionieren.“

Antriebsplattform zur rechten Zeit

„Unser zentraler Ansatz ist es, nur so viel Vakuum zu erzeugen wie benötigt und auch möglichst exakt dort, wo es benötigt wird – nämlich dezentral direkt an der Applikation“, erklärt Dr. Christoph Pohl. Bisher wurden zwei Ausführungen auf Basis der Etavac-Technologie entwickelt: die SH-ZPN Saug-Hebevorrichtung (SH) und die „BP-30“ Balgpumpe (BP). Während die Vorrichtung mit Balgpumpe so konzipiert ist, dass sie einen permanenten Vakuumvolumenstrom erzeugt, um beispielsweise auch Leckage behaftete Werkstücke zu handhaben oder Gewichte über 10 kg zu heben, stellt die Saug-Hebevorrichtung diesen Ansatz in seiner reinsten Form dar: Der Etavac-SH-ZPN ist ein zu 100 % vollständiger Vakuumgreifer, der sich mittels Adapter direkt an den Werkzeugflansch eines herkömmlichen Industrieroboters montieren lässt. Er erzeugt ein einmaliges Vakuum und eliminiert dieses wieder zum Absetzen des Werkstücks.

„Als wir damals auf der Suche nach einem passenden Motor waren, konnte uns Koco Motion auf Anhieb einen Antrieb anbieten, bei dem die Spindel durch den Motor läuft. Zudem waren die Dauchinger sehr flexibel hinsichtlich unserer spezifischen Anpassungswünsche wie einer eigens für uns angefertigten Steuerung“, resümiert Dr. Pohl. „Da kam die Entwicklung unserer neuen Antriebsplattform Kannmotion genau zur rechten Zeit“, erinnert sich Gerhard Kocherscheidt, Firmengründer und Geschäftsführer der Koco Motion GmbH.“ Erst Ende letzten Jahres hat der Dauchinger Antriebsspezialist zusammen mit Entwicklungspartner adlos AG seine Kannmotion-Plattform vorgestellt. „Die einfache Antriebsplattform für kundenspezifische Anwendungen kann nur das, was sie muss – und zwar perfekt“, erklärt Gerhard Kocherscheidt die Produktphilosophie.

Brückenschlag zwischen Vakuumtechnik und Elektromechanik

Bei der auf der Etavac-Technologie basierenden Saug-Hebevorrichtung ist die durch einen elektromechanischen Linearantrieb bewegte Kolbenstange an einen Faltenbalg angebunden, der direkt oder indirekt über einen Schlauch mit einem handelsüblichen Sauger für Vakuum-Anwendungen verbunden ist. Durch Auf- und Abwärtsbewegung vergrößert bzw. verkleinert sich das Volumen des Balges, wodurch ein Vakuum bis hin zum Sauger erzeugt wird. Das Zusammenpressen des Balges eliminiert, das Auseinanderziehen erzeugt das Vakuum. Dadurch wird dezentral ein Vakuum direkt am Einsatzort ohne Druckluft erzeugt. So lassen sich neue Produktionsanlagen ohne zusätzliche Druckluft-Infrastruktur aufbauen bzw. Bestandsanlagen von druckluftbetriebenen Anwendungen befreien.

„Im Grunde genommen schlägt die Technologie eine Brücke zwischen herkömmlicher Vakuumtechnik und effizienter Elektromechanik“, so Dr. Christoph Pohl. „In der Handhabung lassen sich damit bis zu 66 Prozent der Kosten einsparen und autark arbeitende Produktionsanlagen aufbauen. Abgesehen von wirtschaftlichen und klimapolitischen Vorteilen verbessert unsere Technologie auch das Arbeitsumfeld der Mitarbeiter, indem sie um 30 Dezibel weniger mit Lärm belästigt werden.“

Stand der Technik neu definiert

„Die Etavac-Technologie mit ihren daraus hervorgegangenen Produkten Saug-Hebevorrichtung und Balgpumpe sind in der Erzeugung eines dezentralen Vakuums mittels elektromechanischem Linearantrieb vollkommen konkurrenzlos und somit technologischer Vorreiter“, beschreibt Dr. Pohl die Innovation. Derzeit werde das dezentrale Vakuum in den Produktionsbetrieben meist durch Druckluft mit Hilfe von druckluftbetriebenen Vakuumejektoren erzeugt, was energetisch nachteilig ist. Zusätzliche Anforderungen an die vorliegende Infrastruktur der Produktionsstätte müssten beachtet und ein Anschluss der Produktionsanlage an ein zentrales Druckluftversorgungsnetz gewährleistet sein. Kapazitätserweiterungen in der Produktion brächten zudem in vielen Fällen zwangsläufig einen Ausbau der Druckluft-Infrastruktur mit sich.

BLDC Motor für hohe Laufruhe und lange Laufzeit

Die Anbringung des Vakuumerzeugers direkt am Einsatzort bringt aber noch weitere Vorteile: Sie vermeidet zusätzliche energetische Verluste aufgrund langer Vakuumleitungen und möglicher Undichtigkeiten. Der Freiheitsgrad von Greifern und Industrierobotern erhöht sich, weil hier keine Vakuum- oder Druckluftleitungen mehr durch Überdrehen beschädigt werden können. Das Zusammenbrechen kompletter Vakuumnetze findet nicht mehr statt, weil jede Applikation ihr eigenes Vakuum erzeugt. Und in einem Störfall lässt sich die Fehlersuche auf einen sehr kleinen Suchbereich eingrenzen, wodurch sich die Wiederinbetriebnahme erheblich beschleunigt.

Bauteilzahl runter – Wirkungsgrad rauf

„Bis zu diesem Zeitpunkt bestand der Antrieb aus einem BLDC Motor mit Getriebe. Die größte Herausforderung bei dieser Anwendung war es für uns, dieses System komplett so zu verändern, als dass wir einen Direktantrieb und die Steuerungstechnik in den vorhandenen Bauraum implementieren“, erinnert sich Olaf Kämmerling, Geschäftsführer der Koco Motion GmbH. Damit haben die Dauchinger den Antrieb dahingehend optimiert, dass sie mit weniger mechanischen Bauelementen auskommen, einen höheren Wirkungsgrad realisieren und so die Kosten minimieren.

„Unser Ansprechpartner Olaf Kämmerling hat nicht nur unsere Vorstellungen vom benötigten Antrieb mit seinem Team umgesetzt, sondern zudem mit eigenen Ideen einen zusätzlichen Mehrwert für unser Produkt geschaffen“, erinnert sich Dr. Christoph Pohl. „Die Experten von Koco Motion standen uns während der Entwicklung zuverlässig zur Seite, sei es bei Programmierung oder allgemeinen technischen Fragen.“

Charakteristik des Antriebssystems

Die Motoren und Faltenbälge sind die zentralen Komponenten der Etavac-Produkte. „Die Motoren beeinflussen dabei maßgeblich deren Performance hinsichtlich maximal erzeugbarem Unterdruck, Lebensdauer und realisierbarer Taktzeiten in der Produktion“, weist Dr. Pohl auf die Bedeutung des Antriebs hin.

In dieser Saug-Hebevorrichtung kommt ein Nema 11 Linearaktuator auf Schrittmotorbasis zum Einsatz, der eine Spindelsteigung von 10 mm pro Umdrehung bietet. Gesteuert wird er über die Kannmotion 17 Steuerung, die über 5 Ein- und 2 Ausgänge verfügt. Die maximale Verstellgeschwindigkeit beträgt 68 mm/s bei einer Verstellkraft von ca. 30 N. Die zur Funktion notwendigen Programme werden direkt in der Steuerung gespeichert und lassen sich anwendungsspezifisch anpassen.

Weil die Steuerungseinheit des Linearantriebes mit in das Gehäuse der Saug-Hebevorrichtung integriert ist, benötigt diese zum Betrieb lediglich eine 24 VDC/0,95 A Stromversorgung sowie 24 VDC Signale einer übergeordneten Steuerung als Fahrbefehle. Der Anschluss erfolgt über einen standardisierten 6-poligen M8-Stecker am Gehäuse. Die bereits vorliegende Strom- und Signalversorgung kann zur Funktionalität verwendet werden.

Vielfach höhere Lebensdauer

 „Unsere Antriebe bieten eine vielfach höhere Lebensdauer gegenüber der ursprünglichen Lösung“, so Olaf Kämmerling. Durch die Integration von Motor und Steuerung in das Gehäuse lässt sich die IP69 Vorrichtung auch in sensiblen Umgebungen einsetzen. Es stehen viel mehr Leistungsreserven zur Verfügung und in dieser Anwendung ist die zur Verfügung stehende Zugkraft zur Erzeugung des Vakuums deutlich höher als erwartet. „Als Ziel hatten wir uns vorgenommen, 0,20 mbar Unterdruck zu erreichen, es sind deutlich über 0,35 mbar geworden. Auch ist das System durch unseren mitgelieferten Stecker Plug-and-play fähig, so dass die sonst langwierige Parametrisierung entfällt“, fasst Olaf Kämmerling die Alleinstellungsmerkmale des Antriebs zusammen.

Zudem lässt sich der Antrieb durch die Schrittmotor-Technologie sehr einfach referenzieren. Er könne gegen einen festen Anschlag fahren und dann – abhängig von der benötigten Ansaugkraft – nahezu zu jeder Position innerhalb des maximalen Verfahrweges zur Unterdruckerzeugung gefahren werden. Das Zusammenspiel von Antrieb und Steuerung gestattet es Etaopt, variabler in den zu erzeugenden Unterdrücken und Verfahrgeschwindigkeiten zu sein als dies gegenüber der Vorgängerversion möglich war.

Anwendungen und Aussichten

Einsatzfälle für die Saug-Hebevorrichtung sieht Dr. Pohl zur Genüge in automatisierten Produktionsanlagen: „Hier finden sich eine Vielzahl an Arbeitsschritten, in denen die zu bearbeitenden oder zu montierenden Bauteile von einem Arbeitsschritt zum nächsten transportiert werden oder zur Bearbeitung in einer definierten Position gehalten werden müssen.“ Ein Beispiel hierfür wäre der Transport von Metallplatinen in einem Presswerk vom Zuschnitt zu den Pressen. Aufgrund der kompakten Bauweise eignet sich die SH-ZPN aber auch für die Handhabung von glatten und dichten Bauteilen bis zu einem Gewicht von 0,5 kg wie etwa Smartphone-Displays.

BLDC Motor: Wenn der DC Motor an seine Grenzen kommt

Auf Basis der Etavac-Technologie werden beide Unternehmen wohl künftig noch weitere Produkte gemeinsam realisieren. „Wir haben schon erste Ideen für weitere Produktvarianten in den beiden Produktreihen SH und BP. Sollte es zur konkreten Umsetzung kommen, ist Koco Motion für uns ein bevorzugter Entwicklungspartner“, blickt Dr. Christoph Pohl in die Zukunft. „Grundsätzlich sehen wir überall dort viele weitere Einsatzfälle, wo Dreh- oder Linearbewegungen realisiert werden müssen. Durch die Symbiose von Schrittmotor und Steuerung lassen sich die Antriebe unschlagbar günstig gegenüber anderen bürstenlosen Systemen einsetzen, sofern aufgrund der Entwicklungskosten eine gewisse Stückzahl dahintersteht“, ergänzt Olaf Kämmerling.

Bild oben: Innenleben des 100-prozentigen Vakuumgreifers mit Koco Motion Antrieb

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