Save Energy mit energieeffizienten Plastifizierantrieben

Marcel Möller, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. min.

Energieeffizienz

Drei Antriebskonzepte – ein Ziel: Den Energieverbrauch beim Dosieren senken

Hersteller von Kunststoffmaschinen stehen aktuell vor großen Herausforderungen. Neben der Produktivitäts­optimierung und prozesssicheren Fertigung qualitativ hochwertiger Produkte müssen die Maschinen infolge der stärkeren Betrachtung der Total Costs of Ownership vor allem auch energieeffizient arbeiten. Gerade beim energie­intensiven Plastifiziervorgang kann durch den Einsatz effizienter Antriebs­technik der Energieverbrauch signifikant gesenkt werden. Eine große Herausforderung stellt auch die Aufstellfläche der Maschine dar. Diese sollte so gering wie möglich sein, damit eine verbesserte Flächenproduktivität beim Maschinenanwender erreicht werden kann.

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Alle Informationen gibt es in unserem Webcast "Effiziente Antriebstechnik kontra steigende Energiekosten – Lösungen am Beispiel des Plastifizierantriebs"

Synchrondirektantriebe: Eine energieeffiziente und kompakte Alternative

Der Wirkungsgrad eines elektrischen Antriebs ist abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt und damit 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.

Aufgrund ihres konstant guten Wirkungsgrades über einen weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich, eignen sich Synchrondirektantriebe bestens 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 bzw. Teillastbedingungen. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad weiter und die Energiebilanz verbessert sich.

Wirkungsgradbetrachtungen entlang der Energiekette

Wirkungsgradbetrachtungen entlang der Energiekette

Positiver Nebeneffekt: Durch den Direktantrieb entfallen mechanische oder hydraulische Übertragungselemente. Dies wirkt sich positiv auf den Systemwirkungsgrad und die Energieeffizienz der Maschine aus. So werden beispielsweise Strömungsverluste im hydraulischen Leitungssystem zwischen Pumpe und Hydraulikmotor vermieden.

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 sowie wirtschaftlich optimale Auslegung des elektrischen Plastifizierantriebs.

Direktantrieb für den Schneckenantrieb

Direktantrieb für den Schneckenantrieb

Kompakte Synchronmotor-Getriebekombinationen

Alternativ ist auch eine Lösung mit Stirnradgetriebe möglich. Der energieeffiziente Synchronmotor DS2 eignet sich hervorragend für eine Motor-Getriebekombination. Diese erreicht aufgrund hoher Drehzahlbereiche des Synchronmotors sehr gute Wirkungsgrade und verbessert so die Energiebilanz der Maschine.

Auch ein Motor mit integriertem Planetengetriebe ist eine energie­effiziente Lösung. So ist zum Beispiel der kompakte Synchron­servomotor DSC1-071 eine gute Wahl für diese Variante. Mit dieser Lösung sind S3-60 Prozent Drehmomente bis ca. 600 Nm sowie Getriebe­abgangs­drehzahlen bis ca. 500 1/min realisierbar. Mit dieser Antriebs­einheit lässt sich eine Maschine deutlich kompakter bauen.

Motor mit Stirnradgetriebe | Bild: KraussMaffei

Motor mit Stirnradgetriebe | Bild: KraussMaffei

Synchronmotor mit Planetengetriebe

Synchronmotor mit Planetengetriebe

Eine weitere Besonderheit elektrischer Plastifizierantriebe sind Parallelfunktionen. Dadurch lassen sich Zykluszeiten deutlich 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.

Zykluszeitverkürzung durch Parallelfunktionen

Zykluszeitverkürzung durch Parallelfunktionen bei hybriden und elektrischen Maschinen

Wahl einer energieeffizienten Antriebstopologie

Die Energiebilanz der Maschine und der Antriebsachsen hängt maßgeblich von der gewählten Antriebstopologie ab.

Antriebstopologie mit Einspeiseeinheit

Beispielhafte Darstellung einer Antriebstopologie mit Einspeiseeinheit für vollelektrische Maschine

Dynamische Achsen wie Auswerfer-, Schließ- oder Einspritzachsen wandeln während des Bremsvorgangs Bewegungsenergie des Systems 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 und ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb. Optional kann Energie durch eine Rückspeiseeinheit ins Netz zurückgespeist oder zur Zwischenspeicherung überschüssiger Energie in ein Kapazitätsmodul des Zwischenkreises eingebunden werden.

Letzteres kann, bei Netzausfall oder beim Bremsvorgang, die Bewegungsenergie des Systems aufnehmen. Nach einem Netzausfall oder einer Störung ist es möglich, in Abhängigkeit der vorhandenen Restenergie und des Energiebedarfs, die Antriebsachsen in eine definierte Position zu bewegen. Damit können Beschädigungen vermieden und ein Wiederanlaufen der Maschine deutlich beschleunigt werden.

Fazit

Für Plastifizierantriebe gibt es im Vergleich zu konventionellen Lösungen einige attraktive und vor allen Dingen energieeffiziente Alternativen. Je nach Anforderung an die Applikation haben Lösungen mit Direktantriebstechnik, Planeten- oder Stirnradgetriebe individuelle Stärken.

Es lohnt sich, bestehende Konzepte zu überprüfen. Denn eine Elektrifizierung bietet viele Vorteile, wie den Wegfall mechanischer und hydraulischer Übertragungselemente bei der Direktantriebstechnik, die hohen Wirkungsgrade, die kompakte Bauform oder die kürzeren Zykluszeiten aufgrund von Parallelfunktionen. Auch die richtige Wahl der Antriebstopologie spielt eine entscheidende Rolle, wenn es um energieeffiziente Lösungen für die Plastifiziereinheit geht.

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Marcel Möller
Plastics I Baumüller Nürnberg GmbH

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