Mit Unternehmergeist, Expertise auf dem Gebiet der Niettechnologie und dem Planetenwälzgewindetrieb PWG von Schaeffler realisierte die Schweizer BalTec Maschinenbau AG eine völlig neuartige elektrische Nietmaschine. Sie erlaubt kürzeste Taktzeiten und eine 100%ige Prozesskontrolle.
Ein Erfahrungsbericht der beteiligten Ingenieure
Als mittelständisches Unternehmen behauptet sich die international aufgestellte BalTec- Gruppe weltweit mit ihren Nietmaschinen in einer technologisch sehr anspruchsvollen Nische. Bei der BalTec Maschinenbau AG, am Hauptsitz der Gruppe in Pfäffikon ZH, konzentrieren sich 35 Mitarbeiter auf die Produktion und Weiterentwicklung der Nieteinheiten bzw. -maschinen für die drei Verbindungstechnologien Radialnieten, Taumelnieten und Rollieren. Etwa 60% des Umsatzes generiert BalTec mit der Automobilbranche. Teile für Sitzverstellungen, Gurtbefestigungen und Schlösser werden in der Zulieferindustrie mittels Kaltumformung dauerhaft und sicher verbunden. Zweitwichtigster Absatzmarkt ist die Möbelindustrie mit ihren Beschlägen, gefolgt von Branchen wie der Elektroindustrie, der Feinmechanik und der Medizinaltechnik. Nicht selten hängen Menschenleben von einer dauerhaften und sicheren Nietverbindung ab.
Basis der BalTec-Maschinen sind pneumatisch, hydraulisch und neuerdings auch elektrisch angetriebene Nieteinheiten. Es stehen insgesamt 24 Modelle mit einem Kraftbereich von 0,5 bis 100 kN zur Verfügung. Sie können einerseits in Produktionsanlagen integriert oder z.B. mit Tisch- und/oder Ständerkonstruktionen zu Nietmaschinen komplettiert werden.
Trends und Marktanforderungen an die Niettechnologie
Besondere Bedeutung für das Unternehmen hat die optional angebotene Prozesskontrolle, d.h. die exakte Steuerung und Überwachung des Kraft-Weg-Verlaufes über der Zeit sowie die Nietanfangserkennung. Philippe Meienberg, Leiter Technik bei BalTec, erklärt dazu: „Mit unserer Sensorik und unserem Wissen auf dem Gebiet des Nietprozesses konnten wir einen speziellen Algorithmus patentieren. Dadurch verfügen wir über die schnellste Prozessüberwachung und -steuerung am Markt. Das ist sehr wichtig für einen stabilen Prozess. Jede zweite BalTec-Nietmaschine wird heute mit Prozesskontrolle ausgestattet. Themen wie Rückverfolgbarkeit und Haftungsregeln spielen z. B. in der Automobilindustrie und in der Medizintechnik eine sehr große Rolle. Hinsichtlich der Flexibilität bei der Steuerung des Nietprozesses und bei den Taktzeiten stößt man mit hydraulischen bzw. pneumatischen Antrieben irgendwann jedoch an physikalische Grenzen, was letztlich auch die Motivation war, eine elektrisch angetriebene Einheit zu entwickeln.“
Auswahl einer geeigneten Spindelbauart
Bereits 2012 begann man bei BalTec mit systematischen Untersuchungen, wie eine elektrisch angetriebene Nietmaschine konzeptionell aussehen könnte und welche USPs generiert werden können. Zu den Entwicklungszielen erzählt Klaus Huber, Productmanager bei BalTec: „Unser Anliegen war es, die Konstruktion sehr kompakt zu halten und in dem identischen Bauraum unserer pneumatischen Maschinen zu realisieren, sodass der Grundaufbau mit der Ständerkonstruktion im Wesentlichen beibehalten werden kann. Damit sollte sichergestellt sein, dass die Anlagenbauer bei Bedarf sehr leicht auf die neue Technologie umrüsten können.“
Flexibilität der Servotechnik im Vergleich zur Pneumatik
Bei pneumatischen Nietmaschinen mit Prozesskontrolle wird der Verformungsprozess – und dieser bestimmt ja die Qualität der Verbindung – mit den Parametern Kraft, Weg und Zeit eingestellt. Daraus ergeben sich zwangsläufig die Anfahrgeschwindigkeit, die Auftreffgeschwindigkeit auf den Niet und auch die Zykluszeit.
Bei einer servogesteuerten Maschine lässt sich die Bewegung des Werkzeugs und der Verformungsprozess weitgehend frei definieren. BalTec-Geschäftsführer Domenico Mollo präzisiert:
„Wir entkoppeln damit die nicht wertschöpfenden Zeiten komplett vom Verformungsprozess: Die Weg-Zeit-Funktion des Stempels bis zum Niet ist frei wählbar, typischerweise mit maximaler Beschleunigung. Die Auftreffgeschwindigkeit auf den Niet kann auf einen optimalen Wert eingestellt werden. Auch die Kraft-Weg-Funktion während der Umformung ist frei gestaltbar, insbesondere die Überlagerung der Zustellgeschwindigkeit mit der Rotation des Nietstempels. Durch die freie Wahl der kinematischen Parameter sind minimalste Taktzeiten realisierbar.“
Bei der Konzeption eines Spindelantriebs für Nietmaschinen ist man geneigt, es zunächst mit der weit verbreiteten Bauart Kugelumlaufspindel zu versuchen, berichtet Klaus Huber. Steigungen unter 5 mm sind jedoch nicht erhältlich, so dass ein zusätzliches Getriebe erforderlich wird, um mit Hilfe einer großen Gesamtübersetzung die geforderten Axialkräfte von 15 kN aufbringen zu können.
Damit der Antrieb aus Motor-Getriebe und Kugelumlaufspindel nicht zu lang gerät, ist man gezwungen, den Motor neben die Spindel zu platzieren. Klaus Huber erklärt zu dieser Variante: „Konzeptionell ist ein solcher Aufbau nicht besonders steif – aber gerade die Steifigkeit des Antriebes ist entscheidend für eine präzise und sehr dynamische Prozesskontrolle.“ Eine Lösung dieses Konfliktes besteht in einer tragfähigen Spindel mit großer Übersetzung, d. h. sehr kleiner Gesamtsteigung. Dann kann man auf ein zusätzliches Getriebe verzichten und es entsteht ein steifer und spielfreier Antrieb mit einem sehr direkten Kraftfluss vom Motorläufer über die Spindelmutter auf die Spindel und das Werkzeug. Für die Realisierung dieses Konzeptes war die Spindel ganz entscheidend. Der BalTec-Produktmanager erinnert sich: „Das Angebot an Spindeln mit sehr kleinen Gesamtsteigungen und dennoch hoher Tragfähigkeit war nicht besonders groß. Rollengewindetriebe mit Rollenrückführung bieten relativ kleine Steigungen und kamen noch in die engere Auswahl. Der Ein- und Auslauf der Rollen begrenzt jedoch das Drehzahlniveau, sodass die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit nicht erreicht wird.“ Klaus Huber erinnert sich: „Ich suchte schließlich in Fachzeitschriften nach ähnlichen Entwicklungen und Alternativen. Genau zu diesem Zeitpunkt veröffentlichte Schaeffler einen Artikel über den Planetenwälzgewindetrieb PWG. Die beschriebenen Eigenschaften und technischen Daten passten sehr gut zu unserem Vorhaben, so dass ich mit dem Außendienst von Schaeffler sofort Kontakt aufnahm.“
Zusammenarbeit mit Schaeffler
Beide BalTec-Spezialisten, Philippe Meienberg und Klaus Huber, betonen zum Ablauf des Projektes: „Als Entwickler in einem relativ kleinen Unternehmen hatten wir Bedenken mit einem sehr großen Partner eine völlig neue Lösung zu entwickeln. Diese Scheu erwies sich jedoch als unbegründet. Wir haben die unkomplizierte Zusammenarbeit sehr zu schätzen gelernt. Schon die ersten Muster wurden genau passend zu unserer Anwendung mit abgestimmten Fertigungstoleranzen geliefert. Die Anpassung des Spindelendes sowie die Integration der Spindelmutter und des Überlastschutzes in den Motor lief völlig problemlos.“
Überlastschutz in den Motor integriert
Eine rein elektrische Abschaltung bei einer Blockfahrt genügt nach Überzeugung der BalTec-Ingenieure nicht. „Wir schützen die Spindel vor Überlast auf mechanischem Wege, denn bei einem Crash kann nach unserer Erfahrung der Antrieb aufgrund der Trägheit des Motors nicht schnell genug stillgesetzt werden“, erklärt Klaus Huber. Die Spindelmutter verfügt hierzu über einen Schiebesitz in der Bohrung des Rotors. Ein vorgespanntes Federpaket ermöglicht bei einer Blockfahrt einen Verschiebeweg der Spindelmutter bzw. des Gewindetriebes von 4 bis 5 mm. So wird die Bewegungsenergie sicher abgebaut und die Axialkraft erreicht niemals die Grenzlast der Spindel. Philippe Meienberg ergänzt: „Das demonstrieren wir Kunden gerne bei unseren Schulungen. Vor allem neuen Kunden erleichtert der Überlastschutz den Umgang mit der Maschine, denn Bedienfehler kann man vor allem an Anfang niemals ausschließen.“
Konstruktive Freiheiten mit dem Planetenwälzgewindetrieb PWG
Der sehr kompakte Aufbau und die hohe Tragfähigkeit des Planetenwälzgewindetriebes PWG ermöglichte es BalTec, diesen in den Servomotor zu integrieren und die Spindel durch den Motor zu führen, wodurch axial sehr wenig Bauraum beansprucht wird. Dies eröffnete wiederum die Möglichkeit, den zweiten Antriebsmotor für das Prozessgetriebe koaxial zur Spindelachse zu platzieren. So entstand ein sehr schlanker kompakter Aufbau mit einem sehr direkten und steifen Kraftfluss. Die daraus resultierende exakte Steuerung der Zustellbewegung und den weiten Kraftbereich bis 15 kN nutzte BalTec geschickt, um mit einer einzigen Maschine die Verbindungstechnologien Taumelnieten, Radialnieten und Rollieren anbieten zu können.
Wolfram Hau, Programm-Manager bei Schaeffler, über das Projekt ELECTRIC: Es war sehr spannend zu sehen, wie man bei BalTec auf dem sprichwörtlich weißen Papier eine neue Maschine ganz speziell auf einen Prozess hin entwickelt hat. Für uns ist diese Anwendung des Planetenwälzgewindetriebs eine Bestätigung dafür, welche enorme Kraftdichte Linearaktoren mit dem PWG erreichen können.“
Statement:
Philippe Meienberg, Leiter Technik bei der BalTec Maschinenbau AG hält den PWG für ein sehr innovatives Produkt:
„Bei unserem Benchmark mit anderen Anbietern war mit den geforderten Daten am Ende keine große Auswahl mehr übrig. Insbesondere in der hohen Fertigungspräzision zu einem recht attraktiven Preis steckt nach meiner Einschätzung die eigentliche Innovation des Planetenwälzgewindetriebs von Schaeffler.“
