Elektromechanik oder Hydraulik – diese Frage stellt sich für Hersteller und Anwender von Kunststoff-Spritzgießmaschinen zunehmend. Die Elektromechanik befindet sich im Wettstreit der Antriebstechnologien in einer aufstrebenden Position, denn der Trend zur elektromechanischen Antriebstechnik in Kunststoffmaschinen hält weiter an. Da aber die Hauptantriebe der Spritzgießmaschinen – die Schließeinheiten – traditionell über Hydraulikzylinder betätigt werden, ist es noch ein langer Weg. Aber es setzen sich immer häufiger elektrische Antriebe durch, bei denen Servomotoren, Kugelgewindetriebe und hochpräzise Linearführungen zum Einsatz kommen. Engel Austria, Schwertberg, Österreich, gehört zu den Pionieren auf diesem Gebiet. Heute ist das Unternehmen mit der Baureihe E-Motion, die für Schließkräfte bis 500 Tonnen verfügbar ist, erfolgreich im Markt vertreten. Dafür gibt es Gründe – zum Beispiel die Reproduzierbarkeit der Bewegungsabläufe.

Das Energieübertragungsmedium hydraulischer Antriebe ist viskos, und die Viskosität verändert sich mit der Temperatur. Das trifft auf die Elektroantriebe nicht zu, die somit präzisere Bewegungen mit definierten Beschleunigungsprofilen ermöglichen. Dies ist ein klarer Pluspunkt, wenn zum Beispiel dünnwandige Komponenten mit hoher Präzision gefertigt werden. Weitere Vorteile der Elektroantriebe sind die geringeren Geräuschemissionen und – immer wichtiger – die hohe Energieeffizienz. Elektrische Kunststoffmaschinen benötigen bei gleicher Leistung deutlich weniger Energie als Hydraulische.

Schwerlastspindeln mit hoher Dynamik und Präzision

Allerdings sind die Anforderungen an die elektromechanischen Linearantriebe, die die Hydraulik-Achsen ersetzen, sehr hoch. Das gilt vor allem für die größeren Maschinen mit Schließkräften von 2.000 bis 5.000?kN (200 bis 500?t). Hier spricht man von Hochlast-Anwendungen, und in diesem Bereich kann das Unternehmen NSK nicht nur umfassendes Know-how vorweisen, sondern auch Baureihen von Kugelgewindetrieben, die sich durch eine Kombination von Genauigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnen. Diese Erfahrung nutzt Engel und stattet seit etwa vier Jahren verschiedene Baureihen, mit der Lineartechnik aus. Der österreichische Maschinenbauer profitiert dabei von der globalen Forschung und Entwicklung des japanischen Wälzlagerspezialisten und Automobilzulieferers. Gerade weil sich asiatische Hersteller – zum Teil getrieben durch gesetzliche Anforderungen – schon früher mit elektrischen Präzisionsantrieben beschäftigen als die europäischen Produzenten. Die Kooperation zwischen den Österreichern und den Japanern hatte zum Ziel, eine schnellere Fertigung vor allem von Massenprodukten wie Handygehäusen oder Verschlusskappen zu erreichen.

Hier sind kürzeste Taktzeiten erwünscht. Erreicht wird dieses Ziel mit den Kugelgewindetrieben der Baureihe HTF-SRC sowie ASRC und ASRD. Die Spindeln weisen Durchmesser von 50 bis 120?mm auf und erreichen Steigungen von 16 bis 50. Verschlusskappen lassen sich so zum Beispiel in einem 96-fach-Werkzeug mit Zykluszeiten von unter drei Sekunden fertigen. Diese Konstellation erwies sich als geeignet, um neue Dimensionen bei der Leistungsfähigkeit zu erschließen – und die Entwicklung geht noch weiter. Bei neuen Maschinengenerationen streben die Österreicher noch kürzere Taktzeiten und höhere Schließkräfte an.

In den elektrischen Spritzguss-Maschinen kommen nun Kugelgewindetriebe der Serie HTF (High Tough Force) zum Einsatz. Diese Schwerlast-Spindeln setzen Maßstäbe in Sachen Axialkräfte und Dynamik, und wurden konsequent weiterentwickelt, um neue Dimensionen für die Leistungsfähigkeit von elektromechanischen Linearantrieben zu erschließen. Dass dies gelungen ist, zeigt die kontinuierliche Erweiterung des Programms an elektrischen Kunststoffmaschinen, die seitdem mit Schließkräften bis 5.000  kN verfügbar sind. Aber nicht nur die Schließeinheiten, auch die Spritzeinheiten sind mit besonderen Kugelgewindetrieben ausgestattet. Die Maschinen können auch deshalb vollständig modular aufgebaut werden und der Verarbeiter kann zwischen einer und mehreren Spritzeinheiten wählen.

Produktivitätsgewinn durch gekühlte Mutter

Zu den Kennzeichen der HTF-Baureihe gehört das optimierte Verhältnis von Kugeldurchmesser und Gewindesteigung. Die Laufbahngeometrie der Gewindespindel und der Mutter sowie die Materialspezifikation und deren Paarung (Mutter/Kugel/Spindel) ist ebenso ein wichtiger Faktor für die hohe Leistungsfähigkeit wie die präzise Bearbeitung und Oberflächenbeschaffenheit aller Komponenten. Die japanischen Entwickler arbeiten daran, die Voraussetzung für weitere Leistungssteigerungen zu schaffen. Ein Baustein auf diesem Weg ist das A1-Dichtungskonzept, das den Schmiermittelaustrag aus der Mutter signifikant reduziert.

Neben einem verminderten Schmiermittelverbrauch verringern sich die Betriebskosten über die Verlängerung der nötigen Wartungs- und Schmierintervalle der mit Dichtungen ausgestatteten Schwerlastspindeln. Zudem kann einer Mangelschmierung entgegengewirkt werden.
Weitere Effizienz- und Produktivitätsgewinne verspricht man sich durch eine gekühlte Mutter. Der Antrieb wird hierbei gezielt dort gekühlt, wo die Wärme entsteht, nämlich im Kontaktbereich von Mutter und Spindel. Dadurch sind nochmals höhere Geschwindigkeiten bei höchster Präzision vor allem dort möglich, wo der Linearantrieb schnelle, kleine Hubbewegungen ausführt. Erste Praxisanwendungen im Kunststoffmaschinenbau bestätigen, dass die gezielte Mutternkühlung tatsächlich die Zykluszeiten des Spritzgießens von kleineren Komponenten verkürzen kann. n

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Gerald Scheffels ist Fachjournalist in Wuppertal. gscheffels@t-online.de