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Save Energy mit energieeffizienten Plastifizierantrieben

Annina Schopen,

Drei Antriebskonzepte – ein Ziel

Für den energieeffizienten Betrieb von Kunststoffmaschinen eignen sich Synchrondirektantriebe, kompakte Synchronmotor-Getriebekombinationen sowie Motoren mit integriertem Planetengetriebe. Die Energiebilanz der Maschine und der Antriebsachsen hängt maßgeblich von der gewählten Antriebstopologie ab.

Spritzgussmaschine © Baumüller

Hersteller von Kunststoffmaschinen stehen vor großen Herausforderungen. Neben der Produktivitätsoptimierung und prozesssicheren Fertigung qualitativ hochwertiger Produkte müssen die Maschinen infolge der stärkeren Betrachtung der Total Costs of Ownership auch energieeffizient arbeiten. Gerade beim energieintensiven Plastifiziervorgang lässt sich durch den Einsatz effizienter Antriebstechnik der Energieverbrauch signifikant senken. Eine große Herausforderung ist auch die Aufstellfläche der Maschine; sie sollte für eine optimale Flächenproduktivität so gering wie möglich sein.

Es lohnt sich also, bestehende Konzepte zu überprüfen. Eine Elektrifizierung bietet Vorteile, etwa den Wegfall mechanischer und hydraulischer Übertragungselemente bei der Direktantriebstechnik, die hohen Wirkungsgrade, die kompakte Bauform oder die kürzeren Zykluszeiten aufgrund von Parallelfunktionen.

Der Wirkungsgrad eines elektrischen Antriebs ist abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt; er ist eine Funktion von Drehzahl und Drehmoment. Umso entscheidender für die Energiebilanz ist es, die tatsächlichen Arbeitspunkte im Produktionsbetrieb den korrelierenden Wirkungsgraden der gewählten Antriebstechnik gegenüberzustellen. Auch ein Blick auf mögliche Übertragungsverluste entlang der gesamten Energiekette ist wichtig, um das energetisch optimale Antriebssystem zu finden.

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Maßgebend ist der Wirkungsgrad

Aufgrund ihres konstant guten Wirkungsgrades über einen weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich eignen sich Synchrondirektantriebe für den Einsatz in Plastifiziereinheiten. Denn beim Einsatz von Direktantrieben steigt die Energieeffizienz bei Betriebspunkten mit reduziertem Drehmomentbedarf weiter an. Bei der Verarbeitung verschiedener Materialen kommt es zu unterschiedlichen Betriebspunkten beziehungsweise Teillastbedingungen. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad weiter, und die Energiebilanz verbessert sich. Außerdem entfallen durch den Direktantrieb mechanische oder hydraulische Übertragungselemente, was sich positiv auf den Systemwirkungsgrad und die Energieeffizienz der Maschine auswirkt; beispielsweise werden Strömungsverluste im hydraulischen Leitungssystem zwischen Pumpe und Hydraulikmotor vermieden.

Direktantrieb für den Schneckenantrieb. © Baumüller

Mit den High-Torque-Motoren DST2 bietet Baumüller Direktantriebe mit einem weiten Drehmoment- und Drehzahlspektrum an. Die Achshöhen ermöglichen durch ihre fein skalierte Baulängenstaffelung eine technisch und wirtschaftlich optimale Auslegung des elektrischen Plastifizierantriebs. Alternativ ist auch eine Lösung mit Stirnradgetriebe möglich. Der energieeffiziente Synchronmotor DS2 eignet sich gut für eine Motor-Getriebekombination; sie erreicht aufgrund hoher Drehzahlbereiche des Synchronmotors hohe Wirkungsgrade und verbessert die Energiebilanz der Maschine.

Kompakte Konstruktionen

Wirkungsgradbetrachtungen entlang der Energiekette. © Baumüller

Auch ein Motor mit integriertem Planetengetriebe ist eine energieeffiziente Lösung. Der kompakte Synchronservomotor DSC1-071 ein Beispiel für diese Variante. Mit dieser Lösung sind Drehmomente bis rund 600 Newtonmeter sowie Getriebeabgangsdrehzahlen bis etwa 500 Umdrehungen pro Minute realisierbar. Mit dieser Antriebseinheit lässt sich eine Maschine kompakt bauen.

Eine weitere Besonderheit elektrischer Plastifizierantriebe sind Parallelfunktionen. Dadurch lassen sich Zykluszeiten reduzieren und die Produktivität der Maschinen steigern. Dies ist durch eine wirtschaftliche und leistungsoptimale Auslegung des Hydrauliksystems möglich. Die Funktion ermöglicht es, bereits während des Dosierens mit der Werkzeugentriegelung zu beginnen und damit die Zykluszeit deutlich zu reduzieren.

Auch die richtige Wahl der Antriebstopologie spielt eine entscheidende Rolle, wenn es um energieeffiziente Lösungen für die Plastifiziereinheit geht. Dynamische Achsen wie Auswerfer-, Schließ- oder Einspritzachsen wandeln während des Bremsvorgangs Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Der Servoumrichter speist die zugeführte Energie in den Zwischenkreisverbund und verteilt diese auf die anderen, motorisch arbeitenden Achsen wie beispielweise den Plastifizierantrieb. Dies führt zu einer besseren Energieeffizienz des gesamten Verbunds. Optional lässt sich Energie durch eine Rückspeiseeinheit ins Netz zurückführen oder zur Zwischenspeicherung überschüssiger Energie in ein Kapazitätsmodul des Zwischenkreises einbinden.

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