Elektrische Servonantriebssysteme für industrielle Pressen

Industrielle Umformprozesse erfordern eine präzise Steuerung der Stößelkinematik, eine hohe Kraftdichte und extreme Wiederholgenauigkeit bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an Netzstabilität und Energieeffizienz. Bei herkömmlichen mechanischen und hydraulischen Pressen führen kontinuierlicher Leerlaufbetrieb, ungepufferte Spitzenlasten und unkontrollierte Bremsvorgänge zu hohen Anschlusskosten und beträchtlichen Energieverlusten. Der Antriebshersteller Baumüller begegnet diesen betrieblichen Herausforderungen mit anwendungsspezifischen elektrischen Servonantrieben und hybriden servohydraulischen Systemarchitekturen für Spindelpressen und hydraulische Umformmaschinen in der Automobil-, Luftfahrt- und metallverarbeitenden Industrie.

Ingenieurtechnische Herausforderungen bei der Schwerlast-Metallumformung
Die Auswahl der optimalen Antriebsarchitektur richtet sich primär nach der Geometrie des Werkstücks, der Prozessgeschwindigkeit sowie dem erforderlichen Kraft-Weg-Verlauf. Spindelpressen und hydraulische Pressen stellen dabei grundlegend unterschiedliche Anforderungen an die Antriebskonstruktion. Mechanische Spindelpressen erfordern eine hochdynamische Synchronisation mehrerer Lastachsen, um den Parallellauf des Stößels auch bei außermittiger Belastung sicherzustellen, sowie Systeme zum Beherrschen massiver kinetischer Energiehübe während der Reversierbewegungen. Hydraulische Pressen hingegen weisen in unproduktiven Prozessphasen wie Haltezeiten, Werkstückwechseln oder Werkzeugpositionierungen oft einen kontinuierlichen Motorbetrieb auf, was zu parasitärem Leistungsbedarf und unnötiger Erwärmung des Hydrauliköls führt.

Gemeinsamer Zwischenkreisverbund für Spindelpressen
Für den Einsatz in Spindelpressen hat synchropress in Zusammenarbeit mit Baumüller ein intelligentes Antriebssystem entwickelt, das in Maschinen mit Presskräften von 100 kN bis 10.000 kN eingesetzt wird. Die Antriebsarchitektur der synchropress 4M ersetzt klassische Kopfantriebe durch vier Gewindespindeln, die von axial im Pressentisch angeordneten Motoren direkt in Flucht mit den Spindellagerungen angetrieben werden. Je nach geforderter Presskraft kommen hochdynamische Servomotoren der Baureihe Baumüller DSD2 oder drehmomentstarke DST2-Torquemotoren zum Einsatz. Diese integrierte Bauweise macht zusätzliche Getriebestufen überflüssig und verringert den erforderlichen Bauraum der Maschine erheblich.

Die synchrone Ansteuerung der vier Achsen übernehmen aktive Netzeinspeisungseinheiten vom Typ Baumüller b maXX 5100 in Kombination mit b maXX 5500 Achsreglern. Das zentrale Konstruktionsprinzip basiert auf einem gemeinsamen Gleichstrom-Zwischenkreis (DC-Link), der die rückspeisefähigen Einspeisungen mit den b maXX 5300 bzw. b maXX 5500 Achseinheiten verbindet. Integrierte Zwischenkreiskondensatoren puffern prozessbedingte Leistungsspitzen ab, die beim Auftreffen des Stößels auf das Werkstück entstehen. Dadurch kann der elektrische Netzanschluss der Gesamtanlage für eine signifikant geringere Dauerlast ausgelegt werden, was die infrastrukturellen Anschlusskosten senkt.

Zusätzlich ermöglicht der Zwischenkreisverbund die Rückgewinnung kinetischer Energie beim Abbremsen des Stößels. Nach dem Umformhub wird die Bremsenergie generatorisch in elektrische Energie gewandelt, in den Kondensatoren zwischengespeichert und unmittelbar für den nächsten Arbeitszyklus bereitgestellt. Dieser geschlossene Energiekreislauf senkt den tatsächlichen Energiebedarf pro gefertigtem Bauteil spürbar.

Bedarfsgerechte Servohydraulik für kraftintensive Umformung
Für hydraulische Umformanwendungen setzt der türkische Pressenhersteller Hürsan Pres auf Antriebstechnik von Baumüller in seiner Ende 2024 vorgestellten SERVO-Pressenserie. Ziel war es, die Druckerzeugung energetisch zu optimieren und gleichzeitig die bestehende übergeordnete Maschinensteuerung beizubehalten.

Die realisierte servohydraulische Lösung kombiniert dynamische Baumüller DSD2-Servomotoren, b maXX 5500 Servoumrichter und direkt im Frequenzumrichter integrierte Servohydraulik-Softwaremodule. Das System arbeitet mit einer Konstantpumpe, die direkt an die Motorwelle des Servomotors gekoppelt ist. Volumenstrom und Druck werden hochdynamisch ausschließlich über die Drehzahl des Servomotors geregelt.

Im Gegensatz zu konventionellen Asynchron-Hydraulikaggregaten, die kontinuierlich mit konstanter Drehzahl gegen Proportional-Bypassventile arbeiten, fördert die Servopumpe nur bei tatsächlichem Bedarf. In kraftlosen Zyklusphasen, während der Druckhaltezeiten oder beim Werkstückwechsel drosselt der Servomotor die Drehzahl drastisch oder schaltet vollständig ab. Dieses Funktionsprinzip eliminiert Drosselverluste an Ventilen, reduziert die thermische Belastung des Hydraulikfluids und verkürzt die Gesamtzykluszeit durch einen schnelleren Druckaufbau.

„Die Maschinen mussten den Umformprozess präzise steuern und maximale Umformkraft bei möglichst geringem Energieverbrauch liefern“, erläutert Alfons Knust, Vertriebsbeauftragter bei Baumüller, die technischen Anforderungen an Mehrachs-Umformsysteme.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten sind.

Hersteller industrieller Pressen ersetzen zunehmend traditionelle Schwungrad-Kupplungs-Kombinationen sowie ventilgesteuerte Asynchronaggregate durch servo-elektrische Systeme, um Energieeffizienzstandards wie ISO 50001 und regionale Vorgaben zur industriellen Dekarbonisierung einzuhalten. Bei Spindelpressen weisen herkömmliche mechanische Reibkupplungen verschleiß- und temperaturbedingte Kraftschwankungen von bis zu 5 Prozent zwischen den Zyklen auf. Eine direkte elektrische Mehrspindelsynchronisation begrenzt Stößelverkippungen dagegen auf Mikroradiant-Toleranzen, was die Standzeit von Präzisionswerkzeugen beim Gesenkschmieden und Prägen verlängert.

Gegenüber ungeregelten hydraulischen Standardantrieben mit konstanter Drehzahl und Proportionalventil-Drosselung, deren Wirkungsgrad aufgrund kontinuierlicher Umwälzung und Wärmeabfuhr häufig unter 40 Prozent liegt, erzielen Servopumpensysteme hydraulische Gesamtwirkungsgrade von über 70 bis 80 Prozent. Gemeinsame DC-Zwischenkreise mit kapazitiver oder kinetischer Pufferung gelten in der Industrie als anerkannte Methode zur Glättung zyklischer Netzlastspitzen und ermöglichen häufig eine Reduzierung der elektrischen Transformator-Anschlussleistung um 30 bis 50 Prozent gegenüber ungepufferten Direktantrieben.

Redigiert von Evgeny Churilov, Induportals Media – Angepasst durch KI.

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