Die Wahl der richtigen Presse

Pressentechnologie – ob mechanisch, hydraulisch oder Servo – spielt viele Rollen

Es gibt Auswahlmöglichkeiten bei den Pressen, was eine gute Sache ist. Die Debatte ist nicht, was am besten ist, sondern welches für den jeweiligen Job geeignet ist. Es gibt Kompromisse in Bezug auf Kosten, Funktion und Qualität zwischen den Haupttypen von Druckmaschinen, die man wählen kann.

Es ist eine freundschaftliche Debatte und die Karten liegen für alle sichtbar auf dem Tisch.

Schnellüberprüfung der Technik

Laut Stephanie Price, Senior Application Engineer bei Promess Inc, Brighton, Mich., schätzen viele Menschen in der Industrie die Vorteile der Servopressentechnologie nicht vollständig. Umgekehrt argumentiert Mike Josefiak, Maschinenbauingenieur bei Greenerd Press &Machine, Nashua, N.H., dass eine hydraulische Presse für einige Anwendungen die beste Lösung ist. Und Jim Landowski, Vizepräsident der in Chicago ansässigen Komatsu America Industries LLC, würde Ihnen sagen, dass es immer noch Situationen gibt, in denen eine traditionelle mechanische Presse in Ordnung ist.

Eine mechanische Presse wandelt die Rotationsbewegung eines Schwungrades in die lineare Bewegung des in das Werkstück drückenden Stößels um. Wie Landowski es beschrieb, kann man sich „den Kreis vorstellen, mit Null oben und 180 unten. Eine mechanische Presse geht in einer kontinuierlichen Bewegung von null über 180 und zurück auf null oder 360.“ Der Hub hat oben keine Kraft und unten eine maximale Kraft, so dass „je nach Matrize Sie anfangen können, das Material bei 160 Grad oder so zu schieben. Aber wenn es 180 erreicht, ist das Teil fertig, weil Ihre Folie wieder nach oben geht.“

Wie Bob Southwell, Executive Vice President von AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio, erklärte, sind die meisten Servopressen Versionen derselben Anordnung, „außer dass Sie einen mechanischen Antriebsstrang mit einem Servomotor anstelle eines Schwungrads antreiben mit einem Kupplungsbremsmechanismus.“ Eine mechanische Presse hat einen festen Hub und eine konstante Geschwindigkeit. Aber „fügen Sie einen Servomotor hinzu, und jetzt können Sie das Bewegungsprofil programmieren. Sie können verlangsamen, pausieren, schnell nachzünden und verschiedene Dinge tun, die mit einer mechanischen Standardpresse nie möglich waren.“ Es gibt auch eine Version mit Direktantrieb (Servomotor zu Kugelumlaufspindel) mit besseren Drehmomenteigenschaften als der servomechanische Hybrid.

Eine hydraulische Presse kombiniert eine Reihe von Pumpen, Ventilen und Schläuchen, um den Stößel mit unter Druck stehendem Fluid in Eingriff zu bringen. Dieser Ansatz hat zwar Vorteile, beinhaltet jedoch nicht die oben beschriebene Art der Bewegungssteuerung. Eine Servopresse bietet also zusätzliche Möglichkeiten und löst eine Reihe von Problemen, die bei rein mechanischen oder hydraulischen Pressen auftreten.

Neue Materialien, neue Herausforderungen

Landowski stellte fest, dass der Trend zu fortschrittlichen Legierungen, der durch den Leichtbau in der Automobilindustrie und andere Faktoren hervorgerufen wird, die Nachfrage nach Servopressen antreibt. Wie er es ausdrückte:„Stellen Sie sich Stahl als Flüssigkeit vor, er muss fließen … Sie bearbeiten nicht das Material, Sie arbeiten mit dem Material.“

Härtere Materialien erfordern eine feine Anpassung der Stößelgeschwindigkeit, um „das Material richtig fließen zu lassen, sonst wird es wie Toffee und beginnt sich zu lösen“. Zum Beispiel, sagte er, könnte das Formen eines Bechers aus einer harten Legierung eine Verlangsamung von 30 auf 15 IPM über einen Hub von 3 Zoll (76,2 mm) mit einer präzisen – und möglicherweise variierenden – Änderungsrate erfordern.

Nur eine Servosteuerung könnte dies bewältigen, da die Anpassungen in Millisekunden erfolgen.

Der Hauptvorteil eines Servos, so Landowski, ist die Flexibilität, mit verschiedenen Metallen zu arbeiten, indem man den Materialfluss einwählt. „Deshalb haben wir Leute, die kommen, um verschiedene Optionen auszuprobieren. Ich kann einen guten Teil oder einen schlechten Teil machen, indem ich einfach die Geschwindigkeit der Rutsche ändere.“

Southwell stimmte dem zu und berichtete, dass diese Materialherausforderungen zu einem Marktanteil von Servopressen von etwa 80 Prozent in der nordamerikanischen Automobilherstellung geführt haben. „Hochfeste und ultrahochfeste Stähle und Aluminiume sind viel schwieriger zu formen als die Materialien von vor zehn bis fünfzehn Jahren. Und die Fähigkeit eines Servos, das Formprofil anzupassen, hat sich für den Kundenstamm als äußerst vorteilhaft erwiesen.“

Josefiak von Greenerd stimmte zu, dass die Servosteuerung einen Vorteil in der Reaktionszeit gegenüber der Hydraulik hat, bei der die Reaktion gedämpft ist, sagte aber, er habe „nicht viele Anwendungen gesehen, bei denen dieses Maß an Kontrolle im Bewegungsprofil einen wesentlichen Einfluss darauf hat, ob Sie eine machen oder nicht gutes Produkt." Aber er räumte ein, dass „Nachzünden ein gutes Beispiel für eine reine Servofunktion ist. Auf den Grund gehen und dann innerhalb von Sekundenbruchteilen wieder zuschlagen, das kann man mit Hydraulik nicht machen.“

Wenn Sie die Geschwindigkeit nicht kontrollieren müssen, argumentierte Landowski, brauchen Sie möglicherweise kein Servo.

„Wenn Sie zum Beispiel Unterlegscheiben oder kleine Nieten oder ähnliches herstellen, werden Sie die Presse nicht verlangsamen, Sie werden die Geschwindigkeit nicht kontrollieren. Sie wollen so viele Teile wie möglich so schnell wie möglich herstellen.“ Hier glänzt eine mechanische Presse, sagte er. Hier sind auch hydraulische Pressen am wenigsten geeignet.

Servo-Vielseitigkeit in der Montage

Southwell fügte hinzu, dass die einfache Umprogrammierung einer Servopresse für verschiedene Teile ein weiterer Erfolgsfaktor ist, selbst in der Welt der Automobilindustrie mit hohen Stückzahlen.

„Die meisten Drucksysteme sind für die Verarbeitung mehrerer Arten von Teilen ausgelegt. Sie lassen ein Werkzeug eine Stunde lang laufen, tauschen es aus und rollen ein anderes Werkzeug ein. Praktisch niemand richtet eine Druckmaschine ein und lässt sie einfach laufen … Sie können auf keinen Fall wettbewerbsfähig bleiben. Wir verkaufen viele Systeme an OEMs über Tier Ones und Tier Twos für große Familien verschiedener Teile oder Werkzeugsätze über eine einzige Presse.“

Die Vielseitigkeit der Servopresse geht weit über die einfache Programmierung hinaus und erstreckt sich auch auf heikle Montagevorgänge, sagte Price von Promess.

Um bei einem Automobilbeispiel zu bleiben, wies Price auf die Montage eines Türscharniers hin. Sie erklärte, dass eine Servopresse sowohl eine hohe Präzision als auch eine inhärente Rückkopplungsschleife bietet, mit der Position und Kraft genau überwacht werden können. So kann Promess beim Zusammendrücken des Scharniers auch den entstehenden Widerstand im Gelenk abschätzen, um sicherzustellen, dass die Tür weder zu leicht aufschwingt noch zu schwergängig ist, um für den Autobesitzer unangenehm zu sein.

Diese Fähigkeit, ein bewegliches Teil zu aktivieren und Kräfte in Echtzeit zu messen, bietet auch die Möglichkeit, Teiletoleranzen zu lockern und dadurch die Komponentenkosten zu senken. Wie Price erklärte, sind Ingenieure ohne Feedback während der Montage oft gezwungen, Konstruktion und Herstellung mit sehr engen Toleranzen vorzunehmen, um sicherzustellen, dass die Teile richtig zusammenpassen.

„Sie nutzen die Tatsache, dass die Presse bis zu einer bestimmten Tiefe ging, und gehen aufgrund ihrer engen Toleranzen davon aus, dass das Teil korrekt montiert wurde. Sie haben keine Signaturanalyse, um das zu verifizieren.“

Mit einer Servopresse könnten sie stattdessen die Toleranzen lockern und die Daten während des Montageprozesses beobachten, um festzustellen, ob das, was sie zusammengepresst haben, tatsächlich richtig sitzt. Price sagte, dass die integrierten Sensorfunktionen ihrer Servopressen in einigen Fällen zu einer Reduzierung der Ausschussrate von bis zu 50 Prozent geführt haben.

Price wies auch darauf hin, dass eine Anwendung, die zusätzliche Erfassung erfordert (über die Rückmeldung des Servomotors hinaus), einfach in ihre Systeme integriert werden kann.

„Wir haben Kunden, die neun bis zehn verschiedene Druckaufnehmer, Positionsaufnehmer oder externe Wägezellen verwenden. Wir können all diese Informationen aufnehmen, um zu verstehen, was innerhalb des Prozesses vor sich geht“, sagte er. „Und darauf können wir im Prozess reagieren. Und weil alles elektrisch ist, ist es sehr einfach einzurichten. Schließen Sie einfach einen Wandler an einen digitalen Signalaufbereiter an. Der Controller kann dann dieses Signal aufnehmen und es verwenden, um eine Entscheidung zu treffen.“

Pressen, Kontrolle und Kompromisse

Hydraulische Pressen sind in diesem Bereich nicht blind. Josefiak sagte, dass es spezielle Bewegungssteuerungen für Hydrauliksysteme mit „extrem schnellen Abtastzeiten gibt, die den Druck auf beiden Seiten eines hydraulischen Aktuators betrachten. Und dann können wir mit schnell reagierenden Druckwandlern die tatsächliche Kraft anzeigen, die auf das Werkstück ausgeübt wird.“ Ein solches System aktualisiert die Kraftmessung in weniger als einer Millisekunde. Anwendungen, die eine schnellere Kraftmessung erfordern, sind seiner Meinung nach „sehr dünn gesät.“

Laut Southwell sind Servopressen bei der Herstellung komplexer Teile, die eine Reihe von Stempeln erfordern, viel besser als hydraulische Pressen. Vor Jahren wäre dies durch manuelles Übertragen von Teilen von Presse zu Presse geschehen, erklärte er. Aber jetzt „ist die einzige Möglichkeit, wettbewerbsfähig zu sein“, die Teile mechanisch von Stufe zu Stufe innerhalb einer einzigen Presse zu transportieren. Aber „wenn Sie mehrere Stationen verwenden, um ein Teil herzustellen, haben Sie eine außermittige Belastung, was für einen hydraulischen Antriebsstrang sehr nachteilig ist.“

Josefiak entgegnete:„Außermittige Belastung schadet sowohl mechanischen als auch hydraulischen Systemen. Beide bewältigen diese außermittigen Lasten bei entsprechender Konstruktion und Führung des Stahlfachwerks. Wir haben Systeme mit mehreren Hydraulikzylindern, um eine außermittige Belastung zu ermöglichen, die viel größer ist als bei einer handelsüblichen servomechanischen Presse.“

Es gibt auch einige Kontroversen über Anwendungen, die die Verwendung von Öl in Lebensmittelqualität als Schmiermittel erfordern. Landowski berichtet, dass „mehrere Kunden von hydraulischen auf servomechanische Pressen umgestiegen sind, nur weil Zylinder nässen und die Schieberleisten auf das Material tropfen. Alle Teile müssen nach dem Formen gereinigt werden, um alle möglichen Verunreinigungen zu entfernen. Kunden haben uns auch mitgeteilt, dass die Reinigung von Schmiermitteln in Lebensmittelqualität aufgrund von FDA- oder EPA-Vorschriften weniger kostspielig ist als die von Nicht-Lebensmittelqualität.“

Josefiak sagte, dass sie bei einer Reihe von Projekten sowohl medizinische als auch Lebensmittelsicherheitsstandards erfüllt haben, „indem sie die Dichtung in ihren Pressen modifiziert haben, um Öl in Lebensmittelqualität anstelle von Standardindustrieölen zu verwenden.“ Wohingegen Landowski erklärte, dass seine Standard-Servopresse von der Stange keine Modifikationen benötige, „nur das lebensmitteltaugliche Öl für den Pressenantrieb und die Gleitschmierung“. Ein Kunde „stellt Gummistopfen für Reagenzgläser her. Jeder Hub der Presse liefert 65 bis 75 Gummistopfen, und Schmiermittel, die nicht für Lebensmittel geeignet sind, würden diesen speziellen Prozess ungültig machen.“

Hydraulik erobert Tiefziehen

Laut Southwell „besteht der Vorteil einer hydraulischen Presse darin, dass Sie während des gesamten Hubs über die volle Tonnage oder Kraft verfügen. Wenn es sich also um eine 200-Tonnen-Presse handelt und Sie einen 12-Zoll-Hub haben, können Sie während des gesamten Hubs 200 Tonnen Druck ausüben. Bei einer Servopresse, die den gleichen mechanischen Exzenter-Antriebsstrang wie die ursprüngliche mechanische Presse hat, haben Sie ein Getriebe, die Kurbelwelle oder eine zentrische Welle und einen Mittelzahnradantrieb. Es gibt eine Tonnage- oder Drehmomentkurve, und die Kraft, die Sie aufbringen können, variiert je nach Winkel der Motorwelle vom Boden.“ Dies ist bei direkt angetriebenen Servopressen wie denen von Promess nicht der Fall, aber diese Systeme werden mit zunehmender Tonnage sehr teuer. Promess erreicht zum Beispiel 1 MN (~100 Tonnen) in einem einzelnen Zylinder.

Die Fähigkeit, die volle Kraft über den gesamten Hub aufzubringen, macht hydraulische Pressen perfekt für Tiefziehanwendungen, und Josefiak ging so weit zu sagen, dass dies „die einzige Option ist, die wirklich Sinn macht.“

Als aktuelles Beispiel nannte er ein Projekt zur Herstellung „relativ großer Druckbehälter. Wir haben ein automatisiertes System installiert, das große, flache Rohlinge in eine Tiefziehpresse lädt, die einen Arbeitshub von 1,50 m hat.“ Das System hat mehrere Operationen, erklärte er. Die erste verwendet eine 170-Tonnen-Presse, um zwei Hälften des Tanks zu ziehen. Es folgen eine automatisierte Stanzpresse sowie nachgeschaltetes Besäumen und Schweißen. Der Schlüssel hier, sagte Josefiak, ist, dass ein solcher Arbeitshub „nicht leicht mit einer Servopresse zu replizieren ist. Tiefziehen ist also ein Bereich, in dem die Hydraulik immer noch dominiert. Und das in ziemlich vielen Branchen. Es ist mehr der Prozess als die Industrie.“

Josefiak sagte, dass die Hydraulik auch „sehr gut in Situationen mit sehr langen Zykluszeiten abschneidet, in denen wir eine sehr geringe Leistungsaufnahme bei einem gleichmäßigen Druck über die gesamte Bettfläche und relativ kostengünstig aus Kapitalkostensicht bewältigen können.“ Formpressen bietet ein wichtiges Beispiel. „Normalerweise ist Formpressen eine Kombination aus Zeit, Temperatur und Druck, die ein Material in eine Form bringt“, erklärt Josefiak. Die Presse würde ein relativ dünnes Material gegen eine Positiv- oder Negativform unter Druck halten. „Die Dauer kann nur fünf Sekunden oder zwei Stunden betragen. Und sehr oft … versuchen wir, im gesamten Arbeitsbereich eine konstante Plattentemperatur von etwa 300 bis 700 Grad aufrechtzuerhalten und einen sehr konstanten Druck im gesamten Arbeitsbereich zu kontrollieren.“ Dadurch wird sichergestellt, dass das zu formende Material durchgehend gleichmäßig ist. Die Technik wird für Dinge wie Ladeflächenauskleidungen für Autos (einschließlich der neuen Verbundstoff-Ladeflächenauskleidungen) und Autohimmel aus einem teppichähnlichen Material verwendet. Als weiteres Beispiel nannte er „Pulverkompaktierung zur Herstellung von Schleifscheiben aus Aluminiumoxid.“

Kostenüberlegungen

Im Großen und Ganzen übersteigt die Kapitalinvestition für eine Servopresse die von herkömmlichen mechanischen oder hydraulischen Pressen. Aber es sind Betriebskosten und damit verbundene Faktoren zu berücksichtigen, die diesen Vergleich nahezu nutzlos machen. Darüber hinaus sind nicht alle Pressen eines bestimmten Typs gleich, selbst bei den gleichen Tonnage-/Drehmomentwerten.

Beginnen wir mit dem Energieverbrauch. Eine hydraulische Presse muss den Druck in den Leitungen aufrechterhalten, um den Stößel bei Bedarf zu bewegen, und das bedeutet, dass die Pumpen durch die Zyklen laufen. Das ist ungünstig im Vergleich zu einer Servopresse, die nur dann Strom verbraucht, wenn sich der Stößel bewegt. Das bringt laut Landowski etwa „50 Prozent Energieeinsparung bei einer Servopresse, je nach Maschinengröße“. Preis verwies auf eine Studie der Universität Kassel, die bei der Servopresse einen Wirkungsgrad von 90 Prozent bei der Energieumwandlung feststellte gegenüber 57 Prozent beim vergleichbaren Hydrauliksystem. Laut Southwell untersuchte Honda seine eigenen Systeme und veröffentlichte die Erkenntnis, dass Servopressen eine Einsparung von 30 Prozent beim tatsächlichen Stromverbrauch liefern.

Southwell wies auch darauf hin, dass einige AIDA-Druckmaschinen ein „100-prozentig kondensatorbasiertes Energiemanagementsystem“ verwenden. Dieser speichert die benötigte Arbeitsenergie in Kondensatoren, die während des arbeitsfreien Teils des Hubs wieder aufgeladen werden. Dies „reduziert die Spitzenlast erheblich“, erklärte er, im Vergleich zu einer mechanischen oder hydraulischen Presse, die eine „große Spitze hat, wenn sie zum ersten Mal einrastet“. Die Stromaufnahme von AIDA ist „ziemlich flach. Ihr tatsächlicher Spitzendurchfluss beträgt also möglicherweise nur 20 bis 30 Prozent der Spitzenlast mechanischer oder hydraulischer Systeme. Das ist entscheidend, denn Energieversorger müssen den Strom, den sie an den Kunden liefern, nach Spitzenlast dimensionieren.“

Josefiak entgegnete, dass es in einer Hochproduktionsumgebung wenig oder gar keine Leerlaufzeiten gebe, daher sei es „eigentlich nicht so wichtig“, dass die Hydraulikpumpen kontinuierlich laufen. Und „in Systemen mit langen Leerlaufzeiten von 10 Minuten oder mehr können wir eine ‚Soft-Start‘-Motorsteuerung installieren, die den Motor abschaltet, um Energie zu sparen.“ Obwohl diese Option nur 2 bis 3 Prozent der Systemkosten hinzufügt, berichtete Josefiak interessanterweise, dass es nie eine starke Nachfrage danach gegeben habe. Er fügte hinzu, dass der Wechsel von einer Konstantpumpe zu einer Verstellpumpe auch „unseren Stromverbrauch im Leerlauf drastisch senken kann“. Aber auch das ist eine Option, die in den USA noch nicht zur Norm geworden ist

Der Hydrauliktechnik mit all ihren Pumpen, Ventilen, Rohren und Schläuchen wird oft vorgeworfen, sie sei komplexer und wartungsintensiver als servobasierte Systeme. Price sagte, dass ihre Servopressen nicht mehr als zweimal im Jahr das Schmieren der Kugelumlaufspindeln erfordern – und selbst das ist sehr vorsichtig. Halten Sie umgekehrt Hydraulikleitungen monatelang unter hohem Druck, Zyklus für Zyklus, und früher oder später wird zwangsläufig etwas lecken oder eine Teilkomponente ausfallen. Das Gegenargument, sagte Josefiak, ist, dass „niemand mehr NPT-Fittings verwendet. Es gibt eine Reihe von Metall-auf-Metall- und O-Ring-Dichtungen, die aus besseren Materialien hergestellt sind und eine viel bessere Arbeit bei der Leckagekontrolle geleistet haben.“ Außerdem seien die einzelnen Komponenten relativ kostengünstig und leicht zu reparieren, während „Reparaturen an einem Servosystem dramatisch teurer sind.“

Dieser letzte Punkt bringt uns zum Thema der richtigen Dimensionierung der Komponenten für den Job. Es stimmt, wenn Sie in ein paar Jahren einen Servomotor durchbrennen, müssen Sie mit einer hohen Reparaturrechnung rechnen. Aber Price sagte, dass ihre Systeme routinemäßig 20 Jahre ohne solche Ausfälle laufen, weil sie mit einem Sicherheitsfaktor von 2,5× ausgelegt sind. Die Antriebe sind so dimensioniert, dass sie im Dauerstrom des Servomotors laufen, anstatt im Spitzenwert, sodass die Presse das Teil unbegrenzt halten kann, ohne zu überhitzen und auszufallen.

Ebenso haben die Kugelumlaufspindeln eine dynamische Belastbarkeit von 2,5 x der Nennkraft der Presse. Beispielsweise hat der Kugelgewindetrieb in einer Promess 40-kN-Presse eine dynamische Tragfähigkeit von 134 kN und eine statische Tragfähigkeit von 320 kN. Laut Price kann man davon ausgehen, dass ein solches System über 22 Jahre lang störungsfrei funktioniert, wenn es einen Job mit einer durchschnittlichen Kraft von 30 kN und 16 Zyklen/min über 14 Stunden/Tag ausführt. Vergleichen Sie dies mit nur 32 Wochen für einen Kugelgewindetrieb mit einer dynamischen Belastung von 40 kN; Selbst bei einer Nennleistung von 80 kN würde das System weniger als fünf Jahre halten.