Antriebstechnik der Zukunft – mechatronisch und unkonventionell

In der Antriebstechnik hält der Trend zur mechanischen, elektrischen und informationstechnischen Integration in den technologischen Prozess unvermindert an. Im Rahmen der von der Energietechnischen Gesellschaft im VDE (ITG) und der VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) organisierten Expertentagung “Innovative Klein- und Mikroantriebstechnik” wurden die aktuellen Entwicklungen vorgestellt und diskutiert.

Neben der Faszination der Kleinheit spielen bei Mikrosystemen zunehmend Fragen der Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit eine Rolle. So benötigen etwa mechatronische Antriebe für eine hoch integrierte Bauweise Systemkomponenten mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad. Allerdings gelten die eingesetzten Motoren, Getriebe und Elektronikteile bezüglich des Wirkungsgrads als weitgehend ausgereift.

“Optimierungen sind nur in geringfügigem Maße mit extremen Aufwand zu erzielen”, resümiert Hans-Hermann Spohr von der Igersheimer WITTENSTEIN motion control GmbH. Ein Ansatz zur Problemlösung bei Antrieben mit kurzen Zykluszeiten sei der Einsatz von Motoren und Getrieben mit minimalen Rotationsträgheiten und optimierter Getriebeübersetzung. Dies habe eine niedrigerer Leistungsaufnahme zur Folge, da zur Beschleunigung und zum Bremsen der rotierenden Masse des Antriebs weniger Leistung benötigt werde.

Ein Beispiel aus der Getränkeindustrie verdeutlicht die Herausforderung: So steht die Branche durch den Siegeszug von neuen Verpackungsmaterialien wie PET vor einem grundlegenden Wandel mit der Folge, dass die Hersteller von Getränkeabfüllanlagen bereits seit Jahren unter dem Druck stehen, immer schnellere Maschinen zu entwickeln und gleichzeitig die Kosten zu senken. “Durch eine steigende Vielfalt von Verpackungsvarianten ist heute die Flexibilität einer Abfüllmaschine mindestens genauso wichtig wie ihre Geschwindigkeit”, erläutert Volker Müllerschön von der ELAU AG in Marktheidenfeld.

Dem Unternehmen ist es gelungen, einen innovativen Servo-Antrieb für Verschließsysteme zu entwickeln. “Dieser gewährleistet, dass eine Getränkeflasche einerseits sicher verschlossen und andererseits auch mit normalem Kraftaufwand wieder zu öffnen ist”, versichert Müllerschön. Für den Getränkehersteller oder den Abfüller bedeute dies, dass der Verschließvorgang auch bei unterschiedlichen Taktzahlen der Anlage gleichbleibende liefere. Darüber hinaus biete die Servo-Antriebstechnik die Möglichkeit, die Qualität jedes einzelnen Verschließvorgangs zu kontrollieren und zu dokumentieren. “Ich gehe davon aus, dass dies künftig zum Standard wird”, prophezeit Müllerschön.

Ebenfalls als zukunftsträchtig gilt der Einsatz magnetorheologischer Flüssigkeiten (MRF) in der Antriebstechnik. MRFs zählen – ebenso wie die elektrorheologischen Flüssigkeiten – zu den sogenannten steuerbaren Fluiden, das heißt, sie ändern beim Anlegen eines magnetischen bzw. elektrischen Feldes schnell und reversibel ihre rheologischen Eigenschaften. Während sich in der Makrowelt hydraulische Antriebe vor allem durch Höchstwerte hinsichtlich Dehnung, Druck und Energiedichte auszeichnen, lassen sich mit den zusätzlichen Vorteilen des Einsatzes von magnetorheologischen Flüssigkeiten miniaturisierte und modular aufgebaute Ventile für unkonventionelle hydraulische Kleinantrieb realisieren.

“Es ist uns gelungen, ein Simulationsmodell für die Optimierung des dynamischen Verhaltens von hydraulischen Antriebssystemen zu entwickeln”, erklärt Alexander Steck vom Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung. Das auf der Netzwerkmethode basierende Modell erlaube die gleichzeitige Ermittlung der elektrischen und magnetischen Kennwerte sowie der strömungstechnischen Kennlinien der Ventile. Experten gehen davon aus, dass das Modell einen wichtigen Beitrag zum Einzug der sogenannten “unkonventionellen Methoden” in der Antriebstechnik leisten dürfte.