Kein Klemmen, kein Auswalzen, höchste Geschwindigkeit mit niedrigen Betriebskosten: Mit wenigen Worten lassen sich die Vorteile des so genannten Flexfeed-Verfahrens zusammenfassen. Hinter dieser Erfindung steht mit der Firma Tecodrive eine erfolgreiche Ausgründung aus dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibnitz Uni Hannover. Welches Potenzial hinter Flexfeed steckt, wird deutlich, wenn man einen Blick in die Blechverarbeitung beispielsweise des Arnsberger Unternehmens Trilux wirft: Die Lichtexperten stanzen aus dünnem Aluminium Reflektorbleche für hochwertige Leuchtsysteme. Die dafür eingesetzte Stanze arbeitete bis dato mit einem klassischen Walzenvorschub mit 200 Hüben in der Minute. Dass eine höhere Taktzahl nicht möglich war, lag allerdings nicht an der Stanze selbst – sie hätte locker das Doppelte geschafft. "Vielmehr war es der Walzenvorschub, der die Produktivität begrenzte", erklärt Dr. Olaf Marthiens, geschäftsführender Gesellschafter von Tecodrive.

Die beiden Statoren erzeugen in der Vorschubeinheit das für das neue Verfahren erforderliche, kräftige Magnetfeld, welches wiede­rum von einem Kollmorgen-Servoregler gesteuert wird.

© Torsten Sienk

Heute setzt der Leuchtenhersteller den Flexfeed von Tecodrive ein – mit erstaunlichen Ergebnissen. Das Unternehmen fährt jetzt mit doppelter Geschwindigkeit und kann die Leistungsfähigkeit der Blechbearbeitungsmaschinen endlich voll ausnutzen. "Unser Auftrag bestand am Anfang des Projektes darin, 400 Hübe in der Minute zu erreichen – was wir auch geschafft haben", blickt Hans-Jörg Lindner, ebenfalls geschäftsführender Gesellschafter von Tecodrive, zurück und ergänzt: "Bei bestehenden Prozessen erreichen wir in der Regel eine Steigerung um den Faktor zwei".

Die hinter Flexfeed stehende kontaktfreie Technik fördert das Material absolut schonend, ohne Querkräfte und ohne Bildung von Bandwellen mit höchster Geschwindigkeit. Und dies funktioniert so: Wie bei der linearen Direktantriebstechnik auch, nutzt der kontaktfreie Vorschub das Prinzip der magnetischen Anziehung beziehungsweise Abstoßung. Dafür sind in dem nur knapp einen Meter langen Gerät zwei Statoren gegenüberliegend angeordnet. Sie erzeugen im dazwischen liegenden Metallband eine magnetische Wanderwelle, die dank der dabei entstehenden Lorenz-Kraft für den Vorschub genutzt wird. Das Wirkprinzip lässt sich im Flexfeed mit einem asynchronen Li­nearantrieb vergleichen, bei dem das Metallblech die Rolle des Kurzschlussläufers einnimmt. Dieses Detail bringt für die Regelungstechnik jedoch einige Herausforderungen mit sich, die letztlich auch den Kern des patentierten Verfahrens bilden.

Neues Regelverfahren ­entwickelt

Die Umsetzung des Flexfeed-Verfahrens erforderte die Realisierung ein neues Regelungsverfahrens: Das Bild zeigt die Beschleunigungs- und Bremsrampe eines Positionierzyklus.

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"Ich musste ein Programm schreiben, mit dem sich der Phasenwinkel des Stroms und die Amplitude verändern lassen", blickt Dr. Olaf Marthiens auf die Anfänge der Entwicklung zurück. Die Verwendung der feldorientierten Vectorreglung (FOC) funktionierte in diesem speziellen Einsatzgebiet nicht, weil das sich ständig ändernde magne­tische Verhalten des zu transportierenden Werkstoffes den Regelkreis instabil machen würde. Die FOC reagiert Mar­thiens zufolge ganz empfindlich auf die so genannte Rotorkonstante – also das Verhältnis der Induktivität zum elek­trischen Widerstand des zu fördernden Bleches. In einem Standard-Asynchronmotor ist der Rotor mechanisch unverändert und die Rotorkonstante nur von der Temperatur abhängig. Und selbst das könne einen Applikator beim Einsatz von Asynchronmotoren in hoch­dynamischen Regelanwendungen 'zur Weißglut bringen'.

Die Flexfeed-Einheit sollte hingegen genau dafür konzipiert sein, möglichst viele unterschiedliche Metallwerkstoffe in einer Bearbeitungsmaschine hoch­dynamisch und genau zu positionieren. Ergo war durch die zu erwartenden, ­unterschiedlichen Dicken, Breiten und unsichtbaren Ver­änderungen des Ma­terialgefüges immer wieder mit neuen Widerstands- und Induktivitätswerten zu rechnen – und damit mit veränderten Rotorkon­stanten. Gelöst hat Tecodrive dieses Problem gemeinsam mit seinem Antriebstechnik-Partner Kollmorgen dahingehend, dass es in dieser Anwendung nur noch einen Strom- und Lageregler gibt. Mit anderen Worten: Es gibt keine feldorientierte Regelung mehr, weil der verwendete Servoumrichter S772 so programmiert ist, dass er das Feld fix vorgibt. Für die Positionsbestimmung des Blechs setzt Tecodrive auf eigenentwickelte Messräder als Rückführung.

Bemerkenswert ist die Schnelligkeit des Regelkreises, weil das neue Ver­fahren ohne Umweg über eine Steuerung oder den Feldbus direkt aus der tatsächlichen Lage des Blechs im ­Magnetfeld den nächsten Sollwert berechnet. Dr. Olaf Marthiens hierzu: "Wir brauchen die absolute Verzögerungsfreiheit, um selbst bei einer ­Taktzahl von 4000 Hüben pro Minute noch mit 10 µm genau zu positionieren. Die Spitzenwerte sind mit eine Folge der hohen Rechenperformance der S700-Reger sowie der insgesamt sehr schlanken und übersichtlichen Programmierung."

Geringer Energieverbrauch

Gemeinsam haben es Tecodrive und Kollmorgen also geschafft, einen Vorschub zu konzipieren, der Kennzahlen erreicht, die mit Walzen niemals möglich wären – allein schon deshalb, weil sich die Massen gar nicht so schnell ausregeln lassen. Der Vorschub besitzt hingegen keine eigene Masse, weil er nur aus einem Magnetfeld besteht. Der Prozess reduzierte sich damit – einfach ausgedrückt – auf das masselose Ein- und Ausschalten des Stroms. Mit diesem Prinzip sind in der Praxis noch weitere Vorteile verbunden: Das Schalten erfolgt geräuschlos und frei von mechanischen Belastungen. Dieser Aspekt steigert gerade im Hochleistungsbetrieb erheblich die Lebensdauer der Pro­duktionsmittel, weil es keinen mechanischen Verschleiß in der Vorschubeinheit gibt.

Der Flexfeed ist bereits erfolgreich bei einem Leuchtenhersteller sowie einem Automobilbauer im Einsatz.

© Torsten Sienk

Und noch ein weiterer Punkt lässt ­aktuell auch Firmen im direkten und ­indirekten Automobilumfeld aufhorchen: Die Neuentwicklung benötigt nur einen Bruchteil der Energie, die ein Walzenvorschub zur Versorgung aufnimmt. "Wir müssen zwar einen 35-kW-Servoregler von Kollmorgen einsetzen, um den notwendigen Magnetisierungsstrom zu erreichen, die reine Wirk­leistung beträgt aber nur 700 Watt", so Dr. Olaf Marthiens. Für seinen Mit­geschäftsführer Hans-Jörg Lindner sprechen diese Vorteile zudem dafür, in der Materialzuführung gewohnte Wege zu verlassen: "Wir haben es bei Trilux geschafft, aus zwei Anlagen eine zu machen – und dieses bei gleicher Produktivität sowie mit deutlich weniger Platzbedarf und Aufwand für die Werkzeuge." Ähnlich gute Erfahrungen habe es bei Volkswagen in ­Hannover Stöcken gegeben. Auch dort habe die neue Technik bereits die ­Rüst-, Wartungs- und Stillstandzeiten bei der Produktion filigraner Kühler­lamellen erheblich reduziert. Flexfeed ist aktuell konzipiert für alle elektrisch leitfähigen Metalle mit Banddicken bis 3 mm und Bandbreiten zwischen 10 und 500 mm.

Autor:
Dr. Arne Linder ist Produktmanager bei Kollmorgen Europe.