Grundlagen der Pneumatik: Schlüsselkonzepte & Systemanwendungen

Grundlagen der Pneumatik und pneumatischer Systeme

Die Pneumatik spielt seit langem eine wichtige Rolle als Technologie zur Ausführung mechanischer Arbeiten. Sie wird auch bei der Entwicklung von Automatisierungslösungen eingesetzt. Pneumatische Systeme ähneln hydraulischen Systemen, verwenden jedoch anstelle von Hydraulikflüssigkeit Druckluft.

Ein pneumatisches System nutzt Druckluft zur Übertragung und Steuerung von Energie. Pneumatische Systeme finden in verschiedenen Industrien umfangreiche Anwendung. Die meisten pneumatischen Systeme sind auf eine konstante Zufuhr von Druckluft angewiesen, die von einem Verdichter bereitgestellt wird. Der Verdichter saugt Umgebungsluft an und speichert sie in einem Hochdruckbehälter, dem Druckluftbehälter. Diese Druckluft wird dann über ein Rohrleitungsnetz und Ventile dem System zugeführt.

Der Begriff „Pneuma“ bedeutet Luft. Pneumatik beschäftigt sich mit der Nutzung von Druckluft zur Arbeitsverrichtung. Druckluft ist Umgebungsluft, die durch Verdichtung ihr Volumen verringert und ihren Druck erhöht. Sie wird normalerweise als Arbeitsmedium bei Drücken von 6 bis 8 bar eingesetzt. Mit pneumatischen Systemen können Kräfte bis zu 50 kN erzeugt werden. Die Betätigung der Steuerungen kann manuell, pneumatisch oder elektrisch erfolgen. Druckluft verrichtet Arbeit hauptsächlich durch Einwirken auf einen Kolben oder Schaufel. Diese Energie wird in vielen Bereichen der Stahlindustrie genutzt.

Vorteile pneumatischer Systeme

Pneumatische Systeme werden in verschiedenen Industrien zum Antrieb automatischer Maschinen häufig eingesetzt. Sie bieten zahlreiche Vorteile:

• Hohe Effektivität – Die Atmosphäre bietet eine unbegrenzte Luftmenge zur Erzeugung von Druckluft. Zudem lässt sich Druckluft in großen Volumen einfach speichern. Der Transport über Rohrleitungen ist über beliebige Distanzen möglich. Nach der Nutzung kann Druckluft unbehandelt in die Atmosphäre entlassen werden.
• Hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit – Pneumatische Komponenten sind äußerst langlebig und widerstandsfähig. Im Vergleich zu elektromotorischen Komponenten sind sie langlebiger und zuverlässiger.
• Einfaches Design – Die Konstruktion pneumatischer Komponenten ist relativ einfach. Sie eignen sich daher gut für einfache automatische Steuerungssysteme. Bewegungsarten wie Linearbewegung oder Drehbewegung sind mit stufenlos verstellbaren Betriebsgeschwindigkeiten realisierbar.
• Hohe Anpassungsfähigkeit an raue Umgebungen – Im Vergleich zu Komponenten anderer Systeme ist Druckluft weniger empfindlich gegenüber hohen Temperaturen, Staub und korrosiven Umgebungen. Daher eignen sie sich für raue Einsatzbedingungen.
• Sicherheitsaspekte – Pneumatische Systeme sind sicherer als elektromotorische Systeme, da sie in entzündbaren Umgebungen ohne Brand- oder Explosionsgefahr arbeiten können. Überlastung führt lediglich zum Stillstand oder Durchrutschen; Komponenten überhitzen oder brennen nicht.
• Einfache Einstellung von Geschwindigkeit und Druck – Die Geschwindigkeiten von geradlinigen und schwingenden Bewegungen lassen sich einfach justieren und unterliegen wenigen Einschränkungen. Druck und Volumen der Druckluft können über einen Druckregler leicht angepasst werden.
• Umweltfreundlich – Pneumatische Systeme erzeugen keine Schadstoffe. Sie sind umweltrein und können mit entsprechender Abluftbehandlung sogar Reinraumstandards erfüllen. Daher kommen sie in Umgebungen mit hohen Sauberkeitsanforderungen zum Einsatz, z. B. in Fertigungslinien für integrierte Schaltkreise.
• Wirtschaftlich – Da pneumatische Komponenten kostengünstig sind, fallen die Systemkosten niedrig aus. Zudem sind Wartungskosten aufgrund der hohen Langlebigkeit deutlich geringer als bei anderen Systemen.

Einschränkungen pneumatischer Systeme

Trotz ihrer vielen Vorteile unterliegen pneumatische Systeme auch gewissen Limitationen:

• Geringere Genauigkeit – Da der Antrieb durch die Kraft der Druckluft erfolgt, ist der Betrieb vom Volumen der Druckluft abhängig. Volumenänderungen durch Erwärmung oder Verdichtung können die Genauigkeit mindern.
• Begrenzte Lastaufnahme – Da die Zylinder in pneumatischen Systemen nicht sehr groß sind, können sie keine extrem schweren Lasten bewegen.
• Aufbereitung vor Gebrauch erforderlich – Druckluft muss vor der Nutzung getrocknet und gefiltert werden, um Wasserdampf und Staub zu entfernen. Andernfalls verschleißen bewegte Teile durch Reibung schneller.
• Ungleichmäßige Bewegungsgeschwindigkeit – Da Luft leicht komprimierbar ist, sind die Kolbengeschwindigkeiten relativ ungleichmäßig.
• Geräuschentwicklung – Beim Entspannen der Druckluft aus pneumatischen Komponenten entsteht typischerweise Lärm.

Komponenten pneumatischer Systeme

Pneumatikzylinder, Drehantriebe und Druckluftmotoren liefern Kraft und Bewegung für die meisten pneumatischen Systeme – zum Halten, Bewegen, Formen und Bearbeiten von Materialien. Zum Betrieb und zur Steuerung dieser Aktuatoren werden weitere Komponenten benötigt: Luftaufbereitungseinheiten zur Vorbereitung der Druckluft sowie Ventile zur Steuerung von Druck, Durchfluss und Bewegungsrichtung der Aktuatoren. Ein grundlegendes pneumatisches System besteht aus zwei Hauptbereichen:

• Erzeugung, Transport und Verteilung von Druckluft
• Druckluftverbrauchssystem

Zu den Hauptkomponenten des Erzeugungs-, Transport- und Verteilungsystems gehören: Verdichter, Elektromotor und Motorsteuerzentrale, Druckschalter, Rückschlagventil, Druckluftbehälter, Druckmessgerät, Automatikablass, Trockner, Filter, Öler, Rohrleitungen und diverse Ventile. Die Hauptkomponenten des Verbrauchssystems umfassen: Ansaugfilter, Verdichter, Entnahmeventil, Automatikablass, Wartungseinheit, Wegeventil, Aktuatoren und Drosselventile. Die Grundkomponenten sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Hauptkomponenten eines pneumatischen Systems

Wichtige Einzelkomponenten

Ansaugfilter (Luftfilter) entfernt Verunreinigungen aus der Umgebungsluft.

Verdichter wandelt die mechanische Energie eines Elektro- oder Verbrennungsmotors in die potenzielle Energie von Druckluft um. Es gibt verschiedene Verdichtertypen: Kolbenverdichter (ein- oder zweistufig, Membranverdichter), Rotationsverdichter (Schieflamellen-, Schraubenverdichter), Zentrifugalverdichter und Axialverdichter. Die Auswahl richtet sich nach maximalem Lieferdruck und erforderlichem Volumenstrom.

Elektromotor wandelt elektrische in mechanische Energie um und treibt den Verdichter an.

Druckluftbehälter (Luftbehälter) glättet den pulsierenden Volumenstrom vom Verdichter, kühlt die Luft und lässt Feuchtigkeit kondensieren. Er muss groß genug sein, um die gesamte vom Verdichter gelieferte Luft aufzunehmen. Der Behälterdruck wird höher als der Systembetriebsdruck gehalten, um Druckverluste in den Leitungen auszugleichen. Die große Oberfläche unterstützt die Wärmeabfuhr.

Luftaufbereitung ist essenziell für den zufriedenstellenden Betrieb. Atmosphärische Luft enthält Staub, Rauch und Feuchtigkeit, die Verschleiß und Korrosion verursachen. Während der Verdichtung steigt die Lufttemperatur, weshalb Kühler eingesetzt werden. Wasserdampf wird durch Abscheider oder Trockner entfernt. Die Aufbereitung erfolgt in drei Stufen:

1. Grobe Partikel werden durch das Ansaugfilter zurückgehalten.
2. Primäraufbereitung: Kühlung und Trocknung der heißen, feuchten Druckluft nach dem Verdichter (Adsorption, Absorption, Kältetrocknung oder Membrantrocknung) sowie Feinfilterung.
3. Sekundäraufbereitung: weitere Feinfiltration.

Schmierung der bewegten Teile von Zylindern und Ventilen ist unerlässlich. Druckluftöler führen einen feinen Ölnebel in die Druckluft ein. Üblicherweise werden Öle mit kinematischer Viskosität von 20–50 cSt verwendet.

Steuer- und Regelventile regeln Richtung, Durchfluss und Druck. Ihre Hauptfunktion ist die Aufrechterhaltung eines konstanten nachgeschalteten Drucks unabhängig von Schwankungen der Vordrucks. Wegen des druckabhängigen Druckverlusts zwischen Behälter und Verbraucher wird der Behälterdruck höher gehalten. Am Verbrauchsort wird der Druck konstant geregelt. Drei Regelprinzipien werden unterschieden:

• Nichtentlastende Regler – Der Verbraucher entlüftet kontinuierlich in die Atmosphäre. Der Regler drosselt den Durchfluss. Bei totem Ende (kein Durchfluss) steigt der Druck bis zum Behälterdruck an.
• Entlastende Regler – Der Regler selbst entlüftet, um den Druck abzubauen, auch bei totem Ende.
• Regelkreis mit Druckwandler, Regler und Entlüftungsventil – Bei großen Verbrauchern wird ein geschlossener Regelkreis eingesetzt, der bei Drucküberschreitung über den Wandler und Regler das Entlüftungsventil öffnet.

Aktuatoren (Zylinder und Motoren) wandeln die Energie der Druckluft in mechanische Bewegung um. Man unterscheidet:

• Lineare Aktuatoren (Kolbenzylinder) – erzeugen Linearbewegung.
• Rotationsaktuatoren – erzeugen Drehbewegung.
• Ventilbetätigungsaktuatoren – steuern Durchfluss und Druck von Fluiden (Gase, Dampf, Flüssigkeiten).

Der Aufbau hydraulischer und pneumatischer Linearaktuatoren ist ähnlich, sie unterscheiden sich jedoch in den Betriebsdruckbereichen: Hydraulikzylinder ca. 1000 bar, Pneumatikzylinder ca. 10 bar.

Verteilung von Druckluft

Eine korrekte Druckluftverteilung ist entscheidend für die Leistung. Wichtige Anforderungen:

• Rohrleitungslayout (Offen- oder Ringhaupt) mit ausreichend Ablassventilen an diagonal gegenüberliegenden Ecken.
• Rohrdimensionierung nach Volumenstrom, Druckverlust, Anzahl und Art der Formstücke sowie absolutem Druck.
• Gefälle der horizontalen Hauptleitung vom Verdichter aus ca. 1:20.
• Abzweigungen von der Oberseite der Horizontalleitung mit U-Bogen oder 45°-Winkel.
• Sammler mit Ablasshahn am Fuß aller Vertikalleitungen.
• Wartungseinheiten im rechten Winkel an Vertikalleitungen anschließen.

Alle Hauptkomponenten lassen sich durch genormte pneumatische Symbole darstellen. Jedes Symbol zeigt nur die Funktion, nicht die Konstruktion. Aus Symbolen können pneumatische Schaltpläne zusammengesetzt werden, die die Beziehungen zwischen den Komponenten und damit das Systemdesign beschreiben. Ein typischer Schaltplan ist in Abbildung 2 gezeigt.

Abb. 2 Typischer Schaltplan eines pneumatischen Systems

Betrachtungen bei Analyse und Design

Bei der Analyse oder Auslegung eines pneumatischen Schaltkreises sind vier Aspekte entscheidend:

• Betriebssicherheit
• Erfüllung der gewünschten Funktionen
• Betriebseffizienz
• Kosten

Anwendungen pneumatischer Systeme

Typische Anwendungen umfassen: pneumatische Pressen, Bohrer, Betätigung von Systemventilen für Luft, Wasser oder Chemikalien, Entleerung von Bunkern und Silos, Werkzeugmaschinen, pneumatische Rammgeräte, Heben und Bewegen von Objekten, Spritzlackieren, Spannen in Vorrichtungen und Spannmitteln, Halten beim Löten oder Schweißen, Umformvorgänge, Nieten, Betätigung von Prozessapparaturen u. v. m.