Bauraum und Gewicht sparen

Derzeit befindet sich die Maschinenbaubranche erneut im Umbruch – und damit wieder einmal auch eines ihrer Kernfelder: Die Antriebstechnik. Integrierte Antriebe heißt das Zauberwort, das momentan die Entwickler beschäftigt. Diese Antriebe fassen Motoren, Kupplung, Getriebe und Leistungselektronik in einem Gerät zusammen. Und zumindest in Europa boomt dieser Markt. Laut einer Studie der Unternehmensberatung Frost & Sullivan erwirtschaftete der europäische Markt im Jahr 2010 für integrierte Motoren und Antriebe Umsätze in Höhe von 285,3 Millionen US-Dollar, die bis zum Jahr 2017 auf 632,8 Millionen US-Dollar anwachsen werden. „Die Nachfrage nach hoher Effizienz, verbunden mit der Notwendigkeit eines verringerten Energieverbrauchs, wird Investitionen in integrierte Antriebslösungen anziehen“, erläutert Frost & Sullivan Research Analyst Ramasubramanian Natarajan.

Getrieben wird diese Entwicklung insbesondere von der Informations- und Kommunikationstechnik sowie der zunehmenden Automatisierung. „Schon heute machen diese Komponenten laut einer Schätzung des VDMA rund 30 Prozent der Herstellungskosten von Maschinen und Anlagen aus“, weiß Ralf Michael Franke, CEO der Siemens-Division Drive Technologies. „Die intelligente Verbindung von Antriebstechnik, Sensorik und Automatisierung wird also immer entscheidender für die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen“, so der Topmanager weiter. Genau hier kommt seiner Ansicht nach die Integration ins Spiel. Denn diese sei mehr als die Summe der Einzelkomponenten. Siemens nennt das Integrated Drive Systems (IDS). Kernelement des Konzepts ist die dreifache Integration des Antriebsstranges – horizontal von Kupplung und Getriebe bis zum Motor und Umrichter entlang des Energieflusses, vertikal innerhalb der Automatisierungspyramide in die Steuerungsarchitektur industrieller Fertigungsprozesse und digital innerhalb des Produktlebenszyklus. „Erst durch die Integration von Antriebstechnik und Automatisierungslösungen und die optimale Abstimmung der Komponenten eröffnen sich neue Möglichkeiten, die Flexibilität und Qualität der Produktion zu erhöhen, Kosten einzusparen sowie die Anlagensicherheit und Energieeffizienz zu verbessern“, ist sich Franke sicher. Dies würden die Maschinenbauer zunehmend erkennen, was letztlich die Nachfrage nach integrierten Antriebssystemen steigen ließe.

Auch sein Kollege Dr. Omar Sadi, technischer Geschäftsführer bei Nord Drivesystems, sieht den Trend hin zu dezentralen, integrierten Antriebslösungen. „Möglich wird diese Entwicklung durch die Weiterentwicklung der Elektronik“, argumentiert Sadi und ergänzt: „Früher hatte man große elektronische Bauteile, so dass eine kompakte, integrale Einheit nicht möglich war.“ Mittlerweile seien elektronische Komponenten nicht nur kleiner, sondern auch leistungsfähiger, was integrierte Systeme möglich mache. Die Vorteile gegenüber zentralen Lösungen sind aus seiner Sicht immens. Zum einen spare man Schaltschränke ein, zudem entfalle die Schnittstellenproblematik, da man Motor, Kupplung, Getriebe und Frequenzumrichter verschiedener Hersteller nicht mehr aufeinander abstimmen müsse, sondern mit der integrierten Lösung alles aus einer Hand habe. Ein weiteres Plus könne die dezentrale, integrierte Antriebstechnik durch die Möglichkeit verbuchen, dass Diagnose und Bedienung direkt vor Ort möglich seien. „Das heißt, bei der Diagnose hat man den Antrieb im Blickfeld und kann entsprechend besser steuern, als wenn man über große Entfernungen das System prüfen muss“, verdeutlicht Sadi. Weiterhin lassen sich mit dieser Technik höhere Schutzarten realisieren, die elektromagnetische Verträglichkeit verbessern und durch die Reduzierung von Leitungsverlusten höhere Wirkungsgrade erzielen.

Integrierte Antriebe sparen Energie

Woran das liegt erklärt Siegfried Wallauer, Produktmanager bei Wittenstein Motion Control: „Durch den Wegfall von Verbindungstechnik zwischen Motor und Getriebe, muss man weniger Trägheitsmasse zum Rotieren bringen und die Verdrehsteifigkeit im Antriebsstrang nimmt deutlich zu.“ Damit werden die Eigenfrequenzen im Antriebsstrang günstig beeinflusst und ermöglichen einen höheren Wert für das Verhältnis der Fremd- zur Eigenträgheitsmasse (Lambda-Faktor). „Und höherer Lambdafaktor heißt, dass bei gleichbleibender externer Last oder Fremdträgheitslast ein kleinerer Motor mit geringerem Trägheitsmoment verwendet werden kann, vorausgesetzt natürlich er erzielt dynamisch das gleiche Ergebnis“, sagt der Experte. So lasse sich mit integrierten Antrieben Energie einsparen und man könne ein sogenanntes Downsizing betreiben. Wallauer nennt ein Beispiel: „Wo ich bei herkömmlicher Antriebstechnik einen Motor der Baugröße 100 benötige, kann ich bei der integrierten Technik einen der Baugröße 70 wählen.“ Das bringe letztlich mehr als bei den heute ausgereiften Bauteilen wie Servoregler, Motoren oder Getrieben den Wirkungsgrad noch um ein Prozent zu verbessern. „Wenn ich aber einen Baugrößensprung realisieren kann, sprechen wir gleich von 20 % Energieeinsparung – und da bekommt Integration einen ganz deutlichen Kundennutzen“, ist er überzeugt.

Solche Kosten/Nutzen-Beispiele eignen sich gut, um die Akzeptanz integrierter Antriebslösungen in der Industrie weiter zu steigern. Das sieht auch Frost & Sullivan Analyst Natarajan so: „Eine vertiefte Kenntnis in Bezug auf ihren potentiellen Nutzen wird die Einführung von integrierten Motoren und Antrieben über weitreichende industrielle Anwendungsbereiche ermöglichen.“ Argumente, die den potentiellen Nutzen integrierter Systeme herausstreichen, hat Siemens-Mann Franke zur Hand. „Wenn wir uns die physikalische Ebene ansehen, so werden bei integrierten Lösungen die einzelnen Komponenten des Antriebsstranges funktional, mechanisch und energieeffizient passend für die jeweilige Aufgabenstellung optimal aufeinander abgestimmt“, erklärt er. Als Basis hierfür diene im Falle von Siemens ein umfassendes Portfolio bei Getrieben, Kupplungen, Motoren und Umrichtern und deren Kombinationsmöglichkeiten. Durch die optimierte Abstimmung werde die Produktivität und Verfügbarkeit einer Anlage gesichert. Doch damit nicht genug: Schon während der Engineering-Phase lassen sich verschiedene Konfigurationen für den Einsatz in der Produktion simulieren und damit optimieren. Integrierte Lösungen, so Franke, „unterstützen den Anwender also auf dem Weg zu integrierten Produkt- und Produktions-Lebenszyklen“. Die Konfiguration in der Planungsphase, die dazugehörige Simulation und die Auslegung des Antriebsstrangs inklusive der nahtlosen Datenhaltung im Rahmen des PLM-Prozesses ermöglichen neue Dimensionen in Effizienz und Zuverlässigkeit. „Damit sind die Anwender optimal für die wachsende Digitalisierung der Fertigungswelt gerüstet“, resümiert er.

Für ARC-Analyst Sal Spada stellt das Siemens-Konzept des Integrated Drive System, also die Fähigkeit, komplett integrierte Antriebstränge als System anzubieten, eine natürliche Evolution dar. „Siemens versorgt bereits seit langem seine Kunden im Bereich Fertigungsmaschinen mit diesen Leistungen“. Die derzeitigen Integrations- und Konstruktionsverfahren für einen Antriebsstrang verlangen nach Spezifikationen für jede einzelne Komponente“, betont Spada und ergänzt: „Stellen Sie sich anstelle dessen jedoch einen Antriebsstrang vor, der komplett integriert geliefert wird und in dem alle Aspekte für die Kosten des Antriebsstrangs berücksichtigt werden – horizontal, vertikal und der gesamte Lebenszyklus.“ Zusammengenommen, so der Analyst weiter, reduziere die horizontale und vertikale Integration sowie die Integration des gesamten Lebenszyklus, die Realisationszeit einer Applikation. Gleichzeitig steige die potentielle Wirtschaftlichkeit während der Gesamt-Lebenszeit der Applikation.

Das sieht auch Wittenstein so und setzt deshalb auf den Systemgedanken und eine intelligente Dimensionierung mit einer leistungsfähigen Auslegungssoftware sowie Applikations-Know-how in der Beratung. „Bei uns bekommen Sie ein komplettes Antriebssystem als Paket“, verdeutlicht Wallauer. Insbesondere die Auslegungssoftware Cymex sei hier richtungsweisend hinsichtlich der Art, wie ein Antriebsstrang durch die Berücksichtigung verschiedener Motoren, Getrieben und der entsprechenden Leistungselektronik ausgelegt wird. Cymex sieht dabei nicht nur Wittenstein-Komponenten, sondern der Anwender kann mit der Software auch Motoren von Drittanbietern auswählen und damit seine Auslegung gestalten. Dieses passgenaue Engineering setzt Aufwand und Grad der Zielerreichung in Korrelation zueinander und impliziert das Erreichen definierter Resultate mit möglichst wenig Ressourcenaufwand. „Diese Effizienz möchten wir nicht nur bei Produkten, Systemen oder Technologien erreichen, sondern in der gesamten Partnerschaft mit unseren Kunden“, erläutert Wallauer. Dabei stehe immer der größtmögliche Kundennutzen im Vordergrund.

Effizienzhebel Integration

Integration wird somit zunehmend zum entscheidenden Effizienzhebel. Ein Beispiel dafür ist die Systemlösung Indradrive Mi von Bosch Rexroth, die Maschinenbauern viel Flexibilität und Effizienz bietet. Auch hier ist das grundlegende Konzept die Verschmelzung von Antriebselektronik und Motor zu einer integralen Einheit. Damit lassen sich den Antriebsspezialisten aus Lohr zufolge das Schaltschrankvolumen, der Verkabelungsaufwand sowie die Energieverluste im Schaltschrank um jeweils 90 % senken. Beeindruckende Zahlen, die nach Ansicht von Sal Spada dazu führen werden, dass sich die Wahrnehmung von Herstellern ändern wird. „Antriebssysteme werden in Zukunft als eine direkte Einnahmequelle wahrgenommen und nicht mehr nur als Kostenfaktor für den laufenden Betrieb“, so der Analyst.

Und dass es sich bei diesen Zahlen nicht nur um Prognosen beziehungsweise Annahmen von Herstellern und Marktforschern handelt, zeigen Anwendungsbeispiele wie das Eisen- und Stahlwerk Kunming Iron & Steel in der westchinesischen Provinz Yunnan, das tschechische Maschinenbauunternehmen Sklostroj sowie Volkswagen. Die Wolfsburger etwa setzten bei der Modernisierung von drei Pressenstraßen auf eine Siemens-Komplettlösung aus Antriebstechnik und Automatisierungskomponenten für drei identische Straßen, bestehend aus einem Antriebssystem mit Sinamics S120 und Simotion D, einer Pressenstraßen-Simulation zur Prozessoptimierung und einem Siplus CMZ-Zustandsüberwachungssystem für die vorbeugende Wartung. Damit konnte der Autobauer unter anderem seine Produktivität steigern, was letztlich zu einer langfristigen Reduktion von 17 auf acht Pressenstraßen führen wird. Außerdem senkte VW den Energieverbrauch um 40 und erhöhte die Verfügbarkeit um mindestens 96 %.

Das auf die Herstellung von Glasflaschen spezialisierte Maschinenbauunternehmen Sklostroj beauftragte den deutschen Automatisierungsspezialisten mit einem neuen Konzept zur Anlagen-Automatisierung. Teil der Modernisierung war der Austausch der bestehenden pneumatischen Lösung durch eine neue, innovative Motion-Control-Lösung mit Simotion, Sinamics S120 und Simotics Servomotoren 1FK7 und 1FK6. „Wir haben uns bei der Integration des Antriebsstrangs für Siemens entschieden. Das Unternehmen ist ein verlässlicher Partner mit umfangreicher technischer Kompetenz für Antriebsstränge und für deren Integration in die TIA Landschaft“, so Rolf Themann, Executive and Technical Director bei Sklostroj. Das Ergebnis: Auf Basis von Integrated Drive Systems erreichten die Tschechen eine Steigerung der Energieeffizienz um 40 % und eine Erhöhung der Verfügbarkeit um 15 %.

Bedenkt man all diese Vorteile, wundert es kaum, dass einer Studie von Quest Techno Marketing aus dem Jahr 2011 zufolge fast jeder dritte untersuchte Maschinenbauer, die Antriebstechnik an den Maschinen zu ändern beabsichtigt. Befragt wurden rund 650 Maschinenbauer mit 100 und mehr Beschäftigten in zehn automatisierungsrelevanten Branchen. Neben allen Vorteilen integrierter Antriebe, gibt es jedoch auch einige Nachteile. So sind beispielsweise die Anschaffungskosten vergleichsweise hoch und auch die derzeitige technische Schwierigkeit, integrierte Systeme für höhere Leistungsbereiche zu entwickeln, macht den Konstrukteuren das Leben schwer.

„Die technischen Schwierigkeiten, integrierte Antriebe für höhere Leistungsbereiche zu entwickeln, sind sicherlich eine Herausforderung“, bestätigt Siegfried Wallauer von Wittenstein. Durch das Verbinden von Elektronik und Motor habe man Probleme bezüglich der Wärmeeinträge beider Komponenten. „Integrierte Systeme im unteren Kilowatt-Bereich sind locker und leicht machbar, weil die Verlustleistung relativ gering ist“, erklärt er. Ab 5 Kilowatt finde man heute jedoch sehr wenige integrierte Systeme. Zudem besitzen diese Motoren, die einen Frequenzumrichter integriert haben, laut Wallauer oft ein Derating von einer Leistungsstufe. Das zeige die Problematik: Leistungselektronik und Motor werden warm, aber die Fläche zum Abstrahlen ist begrenzt. Man könne zwar mit verschiedenen Kühltechniken oder Lüftern arbeiten, aber das gehe alles auf Kosten des Bauraums und bedeute zusätzlichen Installationsaufwand.

Effizienz im hohen Leistungsbereich

„Ab einer gewissen Größe stoßen integrierte Einheiten auch auf andere Probleme“, weiß der Experte. „Mit einem TPM-Servoaktuator von Wittenstein (Anmerkung: Integration von Präzisionsplanetengetriebe und Synchronservomotor) werden Bauraum und Gewicht eingespart. Wenn ich nun einen weiteren Integrationsschritt gehe, also eine Leistungselektronik dazu nehme, dann ist mein Bauraumvorteil weg und das System nimmt wieder an Gewicht zu.“ Deswegen stelle sich auch die Frage, ob dezentral und nicht integriert der bessere Weg ist. „Durch das dezentrale Konzept können die Schaltschränke deutlich kleiner gestaltet werden. Die Funktionalitäten im Servoregler werden an die Maschine verlagert, aber werden nicht Teil des Aktuators, sondern befinden sich in Form eines sog. Feldgerätes mit hoher Schutzart IP 65 in unmittelbarer Nähe. Mit unserem Antriebsverstärker Simco Drive ermöglichen wir unseren Kunden dieses dezentrale Konzept, bei gleichzeitiger Optimierung der Performance. Siemens setzt hinsichtlich höherer Leistungsbereiche auf seine Simotics Flexible-Duty-Motoren, die optimal auf Sinamics-Umrichter abgestimmt sind „Diese Motoren“, so Ralf-Michael Franke, „ermöglichen auch im hohen Leistungsbereich ein hohes Maß an Effizienz – in diesem Fall bei Pumpen-, Lüfter- und Kompressoren-Anwendungen, aber auch in der Förder- und Hebetechnik.“ Und Nord Drivesystems bietet mit SK180E (bis 2,2 kW) und SK200E (bis 22 kW) eine integrierte Frequenzumrichterbaureihe. Diese modular aufgebaute Baureihe ist für Pumpen, Lüfter und fördertechnische Anlagen optimal geeignet. Nach Meinung von Dr. Omar Sadi hat sein Unternehmen damit einen Wettbewerbsvorteil. Mit der Leistung bei integrierten, dezentralen Antrieben weiter nach oben zu gehen, also bis 30 oder 55 kW, stellt er momentan in Frage: „Hier muss man sich fragen, ob das bezüglich der Abmessungen, der Größe und der Kosten überhaupt Sinn macht“.

Damit bleiben die höheren Anschaffungskosten. Hier gehen Experten von Mehrkosten von etwa 20 bis 30 % aus – keine Kleinigkeit also. Doch Sadi warnt davor, lediglich die Anschaffungskosten zu betrachten: „Man muss das Thema ganzheitlich betrachten, also auch die Projektierung, die Installation sowie die Wartung über den Lebenszyklus.“ So würden Anlagenbetreiber bei der Projektierung 30 bis 40 %, bei der Installation 40 bis 60 % und bei der Wartung 40 bis 50 % einsparen. Rechnet man also alle Kosten zusammen, spare man durch die Verwendung integrierter Systeme zehn bis 30 % Kosten ein – auch keine Kleinigkeit.

Die „Evolution“ zu komplett integrierten Antriebssystemen bietet den Maschinenbauern also enorme Vorteile. Gleichzeitig unterstützt sie aber auch eine „Revolution“, nämlich die Vierte. Denn Antriebssysteme von Wittenstein, Nord Drivesystems, Siemens und vieler weiterer Hersteller setzen das Konzept von Industrie 4.0 bereits in Produkte um. Doch das ist eine andere (Titel-)Geschichte. Johannes Gillar