Umrichterlösung für Spritzgießmaschinen

Dauerläufer mit Flüssigkeitskühlung

Wenig Platzbedarf im Schaltschrank war gefordert. Ein Kühlwasseranschluss hingegen von Anfang an vorhanden. Da lag es nahe, die Servoantriebe und die Umrichter für die Spritzgießmaschinen von Arburg als flüssigkeitsgekühlte Versionen einzusetzen. Durch die eingesetzte Antriebstechnik der Unternehmensschwester AMKmotion profitiert der Maschinenbauer von hoher Leistung, kompakten Abmessungen und langlebiger Elektronik.
 Die Flüssigkeitskühlung der KE/KW-Umrichter von AMKmotion spart viel Platz im Schaltschrank und erhöht die Verfügbarkeit der Elektronik.
Die Flüssigkeitskühlung der KE/KW-Umrichter von AMKmotion spart viel Platz im Schaltschrank und erhöht die Verfügbarkeit der Elektronik.Bild: Arburg GmbH + Co KG

Seit rund 20 Jahren werden die flüssigkeitsgekühlten Umrichter KE/KW von AMKmotion im Schaltschrank der Allrounder-Spritzgießmaschinen von Arburg eingesetzt. Die Geräte kombinieren die Kompakteinspeisung mit einem oder mehreren Kompaktwechselrichtern und bieten dabei eine sehr hohe Leistungsdichte auf kleinem Raum. In diesem Sinne belegen sie seit zwei Jahrzehnten, dass sie energieeffiziente Dauerläufer sind. Die ersten Maschinen, die mit dieser Technik ausgestattet wurden, haben inzwischen mehr als 200.000 Betriebsstunden hinter sich und laufen weiterhin ohne Beanstandung. AMKmotion entwickelte die KE/KW-Umrichter gemeinsam mit dem Maschinenbauer. „Gerade im Spritzgießbereich ist ein geringes Aufstellmaß ein gutes Verkaufsargument“, erklärt Michael Kaupp, der in der Produktentwicklung bei Arburg für die Antriebstechnik zuständig ist. Bei den Allrounder-Spritzgießmaschinen ist das Unternehmen deshalb auch heute noch auf kompakte Abmessungen bedacht. Dabei rückte auch der Schaltschrank in den Fokus.

 Entwickelten gemeinsam mit den Konstrukteuren von AMKmotion die KE/KW-Umrichter (v.l.): Volker Kethur und Michael Kaupp, Produktentwickler bei Arburg.
Entwickelten gemeinsam mit den Konstrukteuren von AMKmotion die KE/KW-Umrichter (v.l.): Volker Kethur und Michael Kaupp, Produktentwickler bei Arburg.Bild: Arburg GmbH + Co KG

Umrichter mit Wasserkühlung

„Wir wollten in unseren Schaltschränken so viel Leistung wie möglich auf so geringem Platz wie nötig unterbringen. Deshalb machten wir uns auf die Suche nach einem kompakten Umrichter“, führt Volker Kethur aus, der in der Entwicklung bei Arburg auf Elektrotechnik spezialisiert ist. „Und da an den Anlagen sowieso eine Wasserkühlung vorhanden war, unter anderem für die Hohlwellen-Synchron-Servomotoren der Baureihen SKT und DT von AMKmotion, lag es nahe, auch bei den Umrichtern auf Flüssigkeitskühlung zu setzen.“ Gemeinsam begannen die Konstrukteure Mitte der 1990er-Jahre mit der Entwicklung. Die Grundlage bildeten die luftgekülten KU-Umrichter von AMK. „Das Edelstahlgehäuse formten wir nach unseren Vorstellungen“, so Kaupp. „Damit traten wir an die AMK-Konstrukteure heran, die unseren Entwurf komplett überarbeiteten und zur Serienreife führten.“

Die damals entstandenen Servo-Umrichter KE/KW zeichnen sich durch die ausgeklügelte Kühltechnik aus, die für eine besonders gute Wärmeabfuhr und damit eine lange Lebensdauer der Elektronik sorgt. Die Module in Coldplate-Ausführung werden einfach auf einer flüssigkeitsgekühlten Platte montiert. Das ist insbesondere bei großen Leistungen von Vorteil, denn die Wärme wird sehr effektiv abgeführt. Das Besondere: Durch die Flüssigkeitskühlung sparen Anwender im Vergleich zu luftgekühlten Anlagen bis zu 50 Prozent des Volumens ein. Ein weiterer Vorteil der Flüssigkeitskühlung: Kunststoffverarbeiter können die Abwärme z.B. zur Temperierung der Halle oder von Büroräumen nutzen.

Die Servo-Umrichter bestehen aus der kompakten Einspeisung KE, die einen DC-Zwischenkreis erzeugt und je nach Ausführung Energie auch sinusförmig zurück ins Netz speisen kann. Das macht sie besonders energieeffizient. Der Zwischenkreis versorgt die modularen Wechselrichter KW. Diese Baureihe gibt es mit der passenden Performance für typische Anwendungen im Maschinenbau in einem Leistungsbereich von 1 bis 200kVA als Einzel- und Doppelachsmodul. Durch die skalierbaren Reglerkarten bieten sie bei Bedarf zudem funktionale Sicherheit über EtherCAT (FSOE) sowie sichere I/Os.

 Die Servo-Umrichter KE/KW zeichnen sich durch die ausgeklügelte Kühltechnik aus, die für gute Wärmeabfuhr und lange Lebensdauer der Elektronik sorgt.
Die Servo-Umrichter KE/KW zeichnen sich durch die ausgeklügelte Kühltechnik aus, die für gute Wärmeabfuhr und lange Lebensdauer der Elektronik sorgt.Bild: AMKmotion GmbH + Co KG

Individuelle Funktionen ergänzen

Die Reglerplattform im AMKmotion-Antriebssystem KE/KW eröffnet mit moderner Prozessortechnik viele Möglichkeiten für höhere Leistungsfähigkeit. Echtzeit-Ethernet über Ethercat oder Varan erlaubt eine leistungsfähige Systemkommunikation zur Automatisierung der Anlagen. Die Geräte verfügen über einen hohen Sicherheitsstandard. Die Wechselrichter KW gibt es mit der integrierten EF-Sicherheitsfunktion: TÜV-zertifiziert gegen Wiederanlauf für Anlagen bis PLe nach ISO13849-1 (analog zu STO). Funktionale Sicherheit kann mit sicheren Reglerkarten ebenfalls bis PLe realisiert werden.

Apropos Sicherheit: Ist eine Flüssigkeitskühlung im Schaltschrank ein Risiko? „Nein, denn der Wasseranschluss befindet sich außerhalb des Schaltschranks. Innen ist alles hermetisch abgeschlossen und garantiert dicht“, unterstreicht Kethur. Die Flüssigkeitskühlung punktet sogar auf einem anderen Gebiet: der Sauberkeit. Bei luftgekühlten Anlagen müssen regelmäßig Ventilatoren und Gitter gereinigt sowie Filtermatten getauscht werden – ein Aufwand, der bei der Flüssigkeitskühlung komplett entfällt.

Kontinuierliche Weiterentwicklung

Stellt sich noch die Frage: Sind die Umrichter – und damit die Antriebstechnik der Spritzgießmaschinen – noch auf dem technischen Stand der 2000er-Jahre? „Natürlich nicht“, betont Kethur. „Das Besondere an den Umrichtern von AMKmotion ist, dass sich die Rechnerkarten einfach austauschen lassen. Damit können wir die Maschinen kontinuierlich an neue Anforderungen anpassen und ihre Leistungsfähigkeit erhöhen, wenn z.B. eine neue Chip-Generation verfügbar ist.“ Auch die im Grundgerät enthaltene Leistungselektronik wird stets an aktuelle Bauteile mit höherer Performance und Energieeffizienz adaptiert. Durch die Modularität der Servoumrichter ist es unkompliziert möglich, die Technik immer auf dem aktuellen Stand der Technik zu halten. „Darüber hinaus können wir auch weitere Achsen ergänzen und die Präzision oder die Effizienz des Spritzgießens steigern“, erklärt Kaupp. Das erlaubt eine kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbesserung – bei überschaubarem Investitionsbedarf sowie hoher Verfügbarkeit.

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