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Entscheidung zwischen pneumatischen und elektrischen Aktuatoren

HeikoL
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Bei meinem letzten Besuch am Produktionsstandort für speicherprogrammierbare Steuerungen (Programmable Logic Control, PLC) von Siemens in Amberg erzählte mir der Betriebsleiter, dass das Unternehmen beabsichtigt, die konventionellen pneumatischen Zylinder in den Fertigungsbändern zu ersetzen. Auf meine Frage, weshalb diese Änderung angedacht sei, erwiderte er, dass elektrische Aktuatoren leichter zu installieren und zu warten wären. Ferner seien sie auch leiser während des Betriebs, sodass der Lärm der Fertigungsbänder reduziert werde.

Dies brachte mich zu dem Gedanken, dass die pneumatischen Aktuatoren im Lauf der nächsten Jahre durch elektrische ersetzt werden und sich diese Veränderung ganz erheblich auf die großen Anbieter pneumatischer Systeme wie Festo, SMC, Parker oder Norgren auswirken wird. Ich war neugierig und wollte etwas mehr über diesen „Trend“ in Erfahrung bringen. Ich erkannte, dass dieser Trend de facto bereits in vielen Debatten und Foren im Internet thematisiert wird. Im nachstehenden Artikel habe ich meine Ergebnisse zusammengefasst und erläutere die Vor- und Nachteile der beiden Technologien.

Die wichtigste Erkenntnis möchte ich gleich vorwegnehmen. Die Frage, ob pneumatische oder elektrische Aktuatoren besser sind, lässt sich nicht eindeutig beantworten. Wie bei so vielen Entscheidungen im Leben beginnt die Antwort auf diese Frage auch hier ganz typisch mit: „Nun, es hängt davon ab …“

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Vor- und Nachteile von pneumatischen Aktuatoren

Tatsache ist, dass pneumatische Aktuatoren mehr Kraft aufwenden können als jede andere Aktuatorentechnologie, mit Ausnahme von hydraulischen Systemen. Als zweiter Hauptvorteil sind die hohen Geschwindigkeiten zu nennen, die mit pneumatischen Aktuatoren möglich sind. Diese beiden Faktoren lassen sich unabhängig voneinander einstellen, entweder mit Druckentlastungsventilen für die Kraft und/oder mit Durchflussreglern für die Geschwindigkeit. Dies ist ein weiterer Vorteil dieser Technologie.

Zwei weitere Faktoren sprechen für die pneumatischen Aktuatoren Zunächst wären hier die niedrigen Kosten pro Einheit zu nennen; die Preise der kleinsten Zylinder bewegen sich im Bereich von 10 GBP. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Platzbedarf. Die sehr kleinen Abmessungen sind das Ergebnis der sehr begrenzten Steuerungs- und Einstellungsmöglichkeiten, die der Zylinder direkt bietet

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Dies ist die perfekte Überleitung zu einem der Nachteile pneumatischer Aktuatoren, nämlich den Kosten der relativ teuren Infrastruktur, die für pneumatische Systeme erforderlich ist. Am Anfang steht in der Regel ein Kompressor, der die Druckluft bereitstellt. Danach kommt eine FRL-Einheit (Filter, Regulator, Lubricator, Luftfilter/Regler/Schmiervorrichtung), die die Luft bedarfsgerecht für die Geräte aufbereitet, die mit der Luft versorgt werden. Diese Luft wird in einem Behälter gespeichert, der als Puffer zwischen dem Kompressor und dem Verbraucher eingesetzt wird. Die typischen Verbraucher von aufbereiteter Druckluft sind Ventile und Aktuatoren. Komplettiert wird der Bestand der üblicherweise in pneumatischen Systemen eingesetzten Komponenten durch Schalter, Regler, Schalldämpfer, Schläuche, Armaturen und Überwachungsgeräte wie Manometer oder Drucksensoren.

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Angesichts der oben aufgeführten Faktoren liegt es auf der Hand, dass die Gesamtkosten pneumatischer Systeme für den Antrieb von Aktuatoren ziemlich hoch sein können. Ferner müssen die im pneumatischen System eingesetzten Geräte regelmäßig gewartet werden. Nach Angaben des Energieministeriums entfallen 24 Prozent der jährlich für Druckluft anfallenden Kosten auf Wartung, Geräte und Installation, 76 Prozent entfallen direkt auf die Kosten für die Stromversorgung des Kompressors.

Vor- und Nachteile von elektrischen Aktuatoren

Einer der Hauptvorteile elektrischer Aktuatoren ist die Möglichkeit der präzisen Steuerung und Positionierung. Die Elemente lassen sich so mühelos in bestehende Maschinen und Systeme integrieren und die Betriebskosten sind niedrig. Da die Elektronik vom Aktuator getrennt untergebracht ist, wird die Wartung erleichtert und die Kosten für den Austausch sind minimal. Ein weiteres Hauptunterscheidungsmerkmal ist das im Vergleich zu den pneumatischen Aktuatoren sehr leise Betriebsgeräusch der elektrischen Variante.

Es sind verschiedene Versionen elektrischer Aktuatoren verfügbar. In der Regel bestehen sie sämtlich aus einem Kugelgewinde-, Trapezgewinde- oder Rollengewindetrieb, der über eine Kupplung mit einem Elektromotor verbunden ist. Wenn sich der Gewindetrieb dreht, wird der Kolben bewegt. Der Kolben ist mit einer Stange oder einem Schlitten verbunden, mit dem die Last bewegt wird

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Bei manchen Varianten werden Zahnriemen mit zwei Riemenscheiben verwendet, die sehr hohe Geschwindigkeiten ermöglichen. Diese Aktuatoren werden häufig in Robotern eingesetzt.

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Die Leistung und die Kosten elektrischer Aktuatoren variieren je nach Material und technischem Prinzip, das für den Aktuator verwendet wird.

 Bei elektrischen Aktuatoren kommen in der Regel Schritt- oder Servomotoren zum Einsatz, manchmal auch Wechselstrommotoren oder Bürsten-Gleichstrommotoren, in Kombination mit Endschaltern, wenn es nicht entscheidend auf die Positionsgenauigkeit ankommt. Schrittmotoren sind die kostengünstigste Wahl, wenn eine exakte Positionierung notwendig ist. Sie eignen sich allerdings nur für Anwendungen, bei denen eine geringere Geschwindigkeit ausreicht. Es empfiehlt sich, einen Schrittmotor mit Encoder zu verwenden, damit mögliche Synchronisierungsverluste mit einer Steuerung vermieden werden. Die größte Präzision bietet ein elektrischer Aktuator mit einem Servomotor. Dadurch wird eine optimale Leistung gewährleistet, mit herausragender Präzision und höchster Geschwindigkeit. Allerdings sind bei dieser Option auch die Kosten pro Einheit am höchsten.

Die Preise für elektrische Aktuatoren beginnen üblicherweise bei rund 500 GBP, Miniaturausführungen sind dagegen schon für unter 100 GBP erhältlich. 

Ich hoffe, die obigen Ausführungen haben Ihnen geholfen, die Hauptunterscheidungsmerkmale der beiden Technologien nachzuvollziehen, und unterstützen Sie bei der Eingrenzung Ihrer Wahlmöglichkeiten.

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