Werkstückspannsystem

Spanner unter Strom

Jetzt zahl ich, jetzt zahl ich nicht... : An die Werbung eines Energiekonzerns erinnert die Innovation des Spannmittel-Herstellers Hainbuch.
Die neue Hohlspannzylinder-Generation von Hainbuch kommt völlig ohne Hydraulik aus. Und verbraucht dadurch auch deutlich weniger Energie. (Bilder: Hainbuch)
Chefredakteur Hajo Stotz hat sich den Elektrospanner genauer angesehen, der nur Energie während der Spannkraftverstellung verbraucht. Dabei ist das Justieren sogar während der Bearbeitung möglich.

Die Diagrammkurve, auf der der Laserpunkt entlang gleitet, führt steil nach oben. „Als Auftragseingang wäre die Kurve klasse. Aber das sind die Kosten für einen herkömmlichen hydraulischen Spannzylinder plus seine jährlichen Unterhaltskosten“, beschreibt Olivier Löbert den Weg seines Laserpointers. Für die üblichen Spannsysteme an Werkzeugmaschinen kostet ein Hydraulikaggregat in der Anschaffung etwa 3.500 Euro. Dazu kommen Kosten für das Hydrauliköl, Wartungskosten, vor allem aber die Energiekosten für das Aggregat. „Vom Energieaufwand für das Hydraulikaggregat können Sie mehr als 220 Waschmaschinen betreiben“, erklärt der Teamleiter Produktmanagement beim Automatisierungsspezialisten Hainbuch in Marbach. „Im Endeffekt belaufen sich die Unterhaltskosten auf über 2.500 Euro im Jahr. Die Hydraulik ist der Energiefresser an der Werkzeugmaschine. Deshalb denken viele Werkzeugmaschinen-Hersteller intensiv über Alternativen nach.“

Wer einer Werkzeugmaschine schon einmal „unter die Motorhaube“ schauen konnte, der weiß, wie viele Hydraulikleitungen dort verlegt sind. Der Montageaufwand für diese Leitungen ist ein hoher Zeit- und Kostenfaktor. Zugleich sind sie auch häufig Problemstellen. Denn der Pflegeaufwand für ein Hydrauliksystem ist extrem hoch, verschmutztes Hydrauliköl führt zu teuren Schäden. Deshalb benötigt eine Hydraulikmaschine einen hohen und teuren Wartungsaufwand. Der Wunsch der Maschinenbauer nach so wenig Hydraulik wie möglich wird mit steigenden Personalkosten daher auch immer größer.

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„Bei einer Drehmaschine etwa benötigt man Hydraulik heute eigentlich nur noch an zwei Stellen: Beim Spannen und bei der Revolverschaltung“, erklärt Hans-Michael Weller, Technischer Geschäftsführer von Hainbuch. „Jeder Drehmaschinenhersteller entwickelt zurzeit Revolver, die elektrisch zu schalten sind.“

Und beim neuen Hohlspanner von Hainbuch sucht man nach einem Hydraulikaggregat oder einer aufwendigen steuerungstechnischen Synchronisation ebenfalls vergebens. Der elektrisch angetriebene Spanner benötigt nur Energie bei der Spannkraftverstellung – und die ist sogar während der Bearbeitung möglich. „Durch den Wegfall des Hydraulikaggregates, der aufwendigen steuerungstechnischen Synchronisation sowie der Unterhaltskosten zahlen sich die rund 8.500 Euro für den Elektrospanner sehr schnell aus – in eineinhalb Jahren hat sich unser Spanner amortisiert“, rechnet Produktmanager Löbert vor. „Denn das ganz Besondere, was uns auch von anderen Elektrospannern abhebt, ist, dass nur dann wirklich Strom verbraucht wird, wenn er betätigt wird. Wenn das Werkzeug gespannt ist, hat der Elektromotor keine Arbeit zu verrichten.“

Elektrospanner sind eigentlich schon lange bekannt, bereits das erste Patent von 1936 zitiert noch ältere Konstruktionen. „Es gibt am Markt zwar bereits etliche Elektrospanner“, erklärt auch Geschäftsführer Weller. „Doch die haben mit unserer Entwicklung nichts gemeinsam. Die verfügen über einen zweiten Elektromotor, der im Prinzip nichts anderes macht, als synchron die Drehzahl der Spindelmotoren zu halten. Wenn man dann ein Stück weiter spannen will, dann gibt der zweite Elektromotor ein wenig mehr Gas.“ Wenn man sich aber vorstelle, wie hochdynamisch heute solche Maschinenspindeln die Drehzahlwechsel fahren, könne man nachvollziehen, welche Anforderungen entstehen, um das synchron zu halten. Weller: „Spätestens wenn die Drehrichtung zum Beispiel geändert werden muss, stoßen diese Konstruktionen an ihre Grenzen. Bei unserem Elektrospanner ist das überhaupt kein Thema. Der funktioniert wie ein hydraulischer Spannzylinder – bis auf die enormen Vorteile der Energieeinsparung und die Möglichkeit, die Spannkraft im laufenden Betrieb zu verstellen. Auch bei Not-Aus ist das System absolut sicher, das Werkstück bleibt gespannt.“

Kein zweiter Antrieb

Erreicht haben das die Schwaben durch einen grundsätzlich anderen Konstruktionsansatz. Von allen bereits am Markt befindlichen Elektrospannern unterscheidet sich der Spanner aus Marbach durch den Verzicht auf einen zweiten Antriebsmotor, der normalerweise synchron zur Spindel die Stellmutter der Spanneinheit antreibt. „Diese Drehzahl synchron zu halten, wäre vor zwanzig Jahren noch unmöglich und vor fünf Jahren immer noch ein großes Problem gewesen“, beschreibt Geschäftsführer Weller die Problematik. „Die Steuerungstechnik war einfach noch nicht dynamisch genug. Heute geht das.“

Doch das Problem konventioneller Elektrospanner sei bis heute der Stromausfall. „Bei Not-Aus hebt sich die Synchronisation auf“, erklärt Weller, „und dann löst sich der Spannzylinder. Das darf er natürlich nicht. Daher war unsere Überlegung: Wie kommt man von dieser Synchronisationsaufgabe weg?“

Als Lösung kamen die findigen Hainbuch-Ingenieure schließlich auf die Idee, auf den zweiten Motor zu verzichten und stattdessen den Spindelmotor als Synchronisationsmotor zu nutzen. Weller: „Deshalb hat unser Spanner einen zweiten Riemen.“ Seit Leonardo da Vinci seien schon alle Maschinenelemente weitestgehend bekannt, erläutert Hans-Michael Weller. Man müsse sie nur richtig mischen und intelligent zusammenstellen, dann bekomme man ein neues Produkt. Aus der Drucktechnik seien beispielsweise Lösungen seit langem bekannt, um zwischen den Druckwalzen den Papierzug aufrechtzuerhalten. „Das wird durch sogenannte Überlagerungsgetriebe realisiert“, erläutert der Hainbuch-Geschäftsführer, „in die eine zweite Drehzahl eingeleitet werden kann. Das haben wir aufgegriffen. Mit einem Überlagerungsgetriebe haben wir den Vorteil, dass wir keine Regelungstechnik mehr für die Synchronisation benötigen. Das ist der entscheidende Gag, der hinter der ganzen Entwicklung steckt.“

Raus mit der Hydraulik

Die Werkzeugmaschine muss für den Hainbuch-Elektrospanner auch nicht in jedem Fall neu ausgelegt werden, denn es sind zwei Einsatzvarianten möglich. Die erste: „Man bietet den Elektrospanner und alles, was dazu notwendig ist, wie Servo-Verstärker, ist in einer Black-Box“, erläutert Weller. „Diese Lösung kann direkt gegen den Hydraulikspanner ausgetauscht werden. Das haben wir hier im Haus auch mit einer ganz normalen Standardmaschine realisiert.“

Diese Lösung stößt vor allem bei Herstellern von einfachen zyklisch gesteuerten Drehmaschinen auf großes Interesse. Die werden in der Regel ohne Hydraulik gebaut. Doch es kommt nachträglich immer wieder der Wunsch bei Kunden auf, an der Maschine dann doch noch ein kraftbestätigtes Spannmittel einzusetzen. „Dann müssen diese Hersteller eine sehr teure Hydraulik nachrüsten“, erklärt Weller. „Für solche Fälle ist die elektrische Alternative natürlich ganz erheblich günstiger. Bei der Ideenfindung haben wir eigentlich an solche Maschinen gar nicht gedacht. Unser Fokus waren Produktionsmaschinen, bei denen es auf Schnelligkeit beim Spannen ankommt.“

Dieser Aspekt wird bei der zweiten Variante, die Hainbuch anbietet, wohl eher zum Tragen kommen: Dabei wird der Elektrospanner steuerungstechnisch in die Maschinensteuerung integriert. Für die Neukonstruktion ist das die sinnvollere Variante, wie auch Weller bestätigt: „Viele Maschinenhersteller, die sich das Konzept angesehen haben, sind von den damit verbundenen Möglichkeiten begeistert. Denn sie können mit den Möglichkeiten, die der Elektrospanner bietet, die Wertigkeit ihrer Maschinen noch steigern.“ Durch die Einbindung in die Maschinen-Software besteht zum Beispiel die Möglichkeit, im laufenden Bearbeitungsprozess die Spannkräfte dem Bearbeitungsstatus anzupassen: Höhere Spannung beim Schruppen oder geringere Spannung beim Bearbeiten des dünnwandigen Endproduktes.

Zudem können durch das integrierte Wegmesssystem Daten vom Spanner zur Steuerung zurückgemeldet werden und dem Maschinenbediener mitgeteilt werden, dass er das Teil noch stärker spannen oder den Spanner noch einen Millimeter weiter öffnen muss. „Theoretisch können wir damit sogar messen, wie groß der Ist-Durchmesser im Moment ist“, zeigt Weller weiter auf. „Die Möglichkeiten, die sich damit für die Maschinenbauer und Endbenutzer ergeben, sind vielfältig.“ So könnte der Bediener beispielsweise die Lage des Zugrohres messen und damit genau wissen, ob das Teil aus der Vorbearbeitung in der richtigen Qualität bei ihm angekommen ist. Der Maschinenhersteller ist damit in der Lage, seinem Kunden in Form einer automatisch eingebauten Prozesskontrolle zusätzliche Benefits zu bieten. Hans-Michael Weller: „Das interessiert den Maschinenhersteller natürlich, wenn er seine eigene Steuerungssoftware individuell aufbereiten kann.“

Der Elektrospanner, den Hainbuch derzeit als Prototyp an einer Standardmaschine austestet, ist ein Hohlspannzylinder mit einem Durchmesser von 52 Millimetern, der Drehzahlen von bis zu 6000 U/min erreicht. Bei den Spannzylindern gibt es zwei Typen: Die Hohlspannzylinder, bei denen eine Welle oder Stange durchgesteckt werden kann, und die Vollspannzylinder ohne Loch. Bedingt durch das Loch, fällt bei Hohlspannzylindern alles größer aus: Die Massen, die Drehzuführungen und auch die Verlustleistungen.
Auf der AMB im Herbst will Hainbuch den Elektrospanner dann auch als Vollspannzylinder mit bis zu 7000 U/min vorstellen. „Da besteht beispielsweise bei Maschinenherstellern von Senkrechtdrehmaschinen großes Interesse“, erläutert Hans-Michael Weller. Denn eine Senkrechtdrehmaschine hat den Nachteil, dass während der Bearbeitung auch die gesamten Hydraulikleitungen für den Spanner hin- und hergeschoben werden müssen. Das ergibt nicht nur von der Dynamik her Schwierigkeiten. „Mit einem Elektrospanner und einem geschützten Elektrokabel haben sich die Probleme erledigt“, verspricht Weller. Beim Vollspannzylinder ist Hainbuch zudem in der Lage, das Getriebe direkt unter dem Spanner zu integrieren. Hainbuch-Geschäftsführer Hans-Michael Weller: „Dann ist das eine komplette Einheit und die Riemen werden nicht mehr zu sehen sein.“

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