Warum in Spritzgießmaschinen Hohlwellenmotoren arbeiten

Die ersten Kontakte zwischen AMK Motion, damals noch AMK Arnold Müller und Arburg reichen bis 1994 zurück. Schon zu dieser Zeit war die AMK mit der Entwicklung flüssigkeitsgekühlter Antriebsmotoren beschäftigt. Eine Technik, die auch der Spritzgießmaschinenhersteller aus Loßburg, in seinen elektrischen Spritzgießmaschinen einsetzen wollte. Da lag der Einsatz flüssigkeitsgekühlter, kompakter Motoren nahe. Diese Hohlwellen-Synchron-Servomotoren werden bis heute unter dem Produktnamen SKT geführt.

Einfach erklärt ist ein Hohlwellenmotor eine spezielle Servo-Antriebseinheit, die in der Mittelachse des Motors eine Durchgangsöffnung aufweist, um eine Antriebsspindel aufzunehmen, die eine rotative in eine lineare Bewegung umsetzt. Anbauteile und Bauraum konnten auf diese Weise gespart werden, die Maschinen, in die diese Art der Motoren integriert wurden, konnten wesentlich kompakter aufgebaut werden. Vor allem für den mechanischen Antrieb zum Vorschub der Werkzeugbewegung, also der Bewegungen der Schließeinheit an den Arburg-Spritzgießmaschinen, kommen diese Hohlwellenmotoren bis heute zum Einsatz. Um bis zu einem Drittel platzsparender werden die SKT Motoren vor allem dadurch, dass die Antriebsspindel in den Motor ein- respektive durchtaucht.

Bei der Hohlwellen-Technologie geht es in erster Linie darum, eine rotative in eine lineare Bewegung umzuwandeln. Dabei sorgen die Lager für das Abfangen der axialen Kräfte, der notwendige Kraftaufbau auf der linearen Strecke erfolgt über die Spindel. Dabei dreht sich die Spindelmutter, die Spindel bewegt sich axial. Je nach Einsatzfall ist technisch aber auch der umgekehrte Weg möglich: Dabei dreht sich die Spindel, Motor und Spindelmutter bewegen sich. Durch dieses Spindel-Mutter-System wird aus dem Hohlwellenmotor SKT ein einsatzbereiter Linearantrieb. Damit sind die Systeme eine effiziente Alternative zu pneumatischen oder hydraulischen Antrieben.

„Das Hirn dieses Servoantriebs“, so drückt es Marc Scheer, Head of Key Account Management bei AMK Motion, aus, „ist der Multiturn-Absolutwertgeber. Über ihn lassen sich unterschiedliche Drehzahlen so feinfühlig realisieren, dass die jeweils notwendigen Wegstrecken der Servomotoren hochgenau definier- und anfahrbar werden. Über den Absolutwertgeber kann das Antriebssystem auf den Punkt genau bewegt werden, wobei sich die einmal angefahrenen und festgelegten Positionen auch speichern lassen. Nach dem Wiedereinschalten der Maschinen weiß der Geber sofort, an welcher Position er steht. Der Vorteil dabei: Es ist keine weitere Messtechnik für die Linearbewegung notwendig. Ein Energieeinsatz ist nur für die Bewegung selbst erforderlich, was den Hohlwellenmotor durch eine exakt mögliche Betriebspunktauslegung wirtschaftlich und effizient werden lässt.“

Servomotoren waren für die elektrischen Arburg-Allrounder Alldrive, Edrive, Golden Electric sowie die hybriden Allrounder Hidrive von Anfang an gesetzt. Sie sollten möglichst kompakt gebaut sein. Hinzu musste eine optimale Kühlung für eine möglichst lange Lebensdauer kommen. Aus der Partnerschaft mit Arburg ergab sich in der Folge eine sehr enge Zusammenarbeit. In der bislang rund 15-jährigen Entwicklungszeit floss das Wissen beider Seiten in die Technologie der SKT-Hohlwellenmotoren ein. Hinzu kam die gemeinsame Vision nach geringerem Bauraum bei einer gleichzeitig auch energetisch optimalen Leistung. Aufgrund dieser Umstände haben die Arburg- Unternehmerfamilien Hehl und Keinath 2021 dann auch die Chance genutzt und die AMK-Sparte „Drives and Automation“ von der Zhongding Holding Europe übernommen. Der chinesische Investor wollte dieses Geschäftsfeld damals aufgrund strategischer Änderungen verkaufen.

Die aus der Zusammenarbeit mit Arburg resultierende zweite Motorengeneration wurde dann sozusagen in die Maschinen „hineindesignt“, dadurch in ihren Leistungsstufen auch skalierbar und auf die Baugrößen der Allrounder genau anpassbar. Die entstehende Motorwärme wird bei der Flüssigkeitskühlung unmittelbar dort abgeführt, wo sie entsteht, und kann weiterverwendet werden, etwa zur Beheizung anderer Verbraucher und Räumlichkeiten. Das erhöht die Lebensdauer der Hohlwellenmotoren nachhaltig. Genau auf die Einsatzanforderungen angepasst wurden aber auch das Material der Motormagnete und deren Anordnung für eine noch höhere Leistung. Alles in allem durch Abwärmenutzung und verlängerte Laufzeiten gleich mehrfach effizient. Die kompakten, modular aufgebauten mechatronischen Funktionseinheiten bestehen aus einem Servomotor mit integrierter Axiallagerung und Multiturn-Absolutwertgeber.

Auch der zweite Schritt zur Entwicklung der Hohlwellenmotoren, die Realisierung flüssigkeitsgekühlter Servoumrichter, war in erster Linie der weiteren Optimierung des Platzbedarfs geschuldet. Interessant ist auch die Wärmeabfuhr über den sogenannten „Cold-Plate-Ansatz“. Dieser Vorgang funktioniert so: Der Umrichter gibt die Wärme an die Kühlplatte ab, diese wiederum an die durchfließende Kühlflüssigkeit. Die Anschlüsse der Kühlplatte sitzen außerhalb auf der Rückseite des Schaltschranks. „Es gab unseres Wissen nach noch nie einen Kühlungsausfall, weder bei den Motoren noch bei den Servoumrichtern“, sagt Marc Scheer.

Die Technologie ermöglicht eine längere Lebensdauer der Motoren durch weniger Verschleißteile, eine direktere Kraftübertragung mit entsprechend hohem Wirkungsgrad, eine kompaktere Bauform sowie eine hohe Wirtschaftlichkeit im Bereich von Service und Wartung.

Hohlwellenmotoren überzeugen, verglichen etwa mit einer riemenangetriebenen Lösung, auch durch weitere Features:

• Die modulare Konzeption der Linearantriebe erlaubt eine spezifische Anpassung an den speziellen Anwendungsfall. So lassen sich Leistungsbereich, Spindeldurchmesser und Axialkraft der Servomotoren individuell anpassen.
• Die Hohlwellenmotoren sind energieeffizienter aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, verglichen mit hydraulischen Systemen.
• Die spindelintegrierte Bauweise sorgt für minimale Abmessungen. Die gesamten Funktionselemente, etwa der Servomotor, die Lager, die Spindeladapter, die Festhaltebremse und das Gebersystem sitzen in einem gemeinsamen Gehäuse und werden auch gemeinsam gekühlt.
• Durch das integrierte Lager wird eine deutliche Reduzierung der Lagerstellen erreicht. Die in sich steife Gehäusekonstruktion sowie der hochwertige Kühlmantel der Servomotoren aus Edelstahl sorgen für Resistenz gegen Flüssigkeiten und damit für Langlebigkeit.
• Mit den abgedichteten Lagern und einstellbarer Lagervorspannung ist eine beliebige Einbaulage der Hohlwellenmotoren möglich.
• Hightorque-Motoren und der geschlossene mechanische Aufbau gewährleisten einen praktisch wartungsfreien Betrieb und eine hohe Verfügbarkeit. Integrierte Temperaturfühler schützen vor thermischer Überlastung.
• Die Bewegung hoher Lasten bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten ist einer der wichtigsten Pluspunkte der Hohlwellenmotoren.
• Wenn diese Servomotoren wie im Fall von Arburg flüssigkeitsgekühlt sind, können sie noch kompakter ausgeführt werden. Hinzu kommt eine höhere Dynamik durch weniger bewegte Massen. Die Motoren lassen sich auch beim Einbau einfacher handhaben.

Hohlwellenmotoren eignen sich auch für den Einsatz in anderen Maschinenbaubranchen, etwa für Druckgussmaschinen, Pressen aller Art oder auch Sonderanwendungen wie Drehdurchführungen. Hohe Lasten lassen sich bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten hochgenau bewegen, wie bei elektrischen Pressen. Für diese Einsatzfälle müssen die Motoren nicht zwangsläufig flüssigkeitsgekühlt werden, es kann auch eine Konvektionskühlung sein.

Quelle: AMK Motion, Arburg