Welt der Fertigung
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Samag: Innovation durch Interdisziplinarität

Partner entwickeln zukunftsfähigen Elektroantrieb

Ein Erfolg versprechendes Konzept für einen zukunftsfähigen Antrieb entsteht nur dann, wenn sich Spezialisten zusammenfinden und ihr jeweiliges Expertenwissen miteinander verknüpfen. Auf Basis bekannter physikalischer Prinzipien entsteht durch die Kombination mit neuen Werkstoffen und moderner Elektronik ein neuartiger Antrieb, der die technologische Lücke zwischen Direktantrieben und klassischen Motor-Getriebe-Kombinationen schließt. Der Wachstumskern LEANTEC-Antrieb besteht aus fünf Industrieunternehmen und drei Forschungseinrichtungen aus den Bundesländern Sachsen und Thüringen. Eines der beteiligten Unternehmen ist die SAMAG Saalfelder Werkzeugmaschinen GmbH.


In die Argumentation und die konzeptionelle Überlegung fließen ökologische und wirtschaftliche Aspekte als Basis der technischen Entwicklung ein. Rohstoffe sowie deren Beschaffung und Preisentwicklung spielen aktuell eine entscheidende Rolle beim Entwurf neuer Antriebskonzepte. Der Verzicht auf Seltene Erden beispielsweise schont nicht nur knappe endliche Ressourcen, deren heutige Abbaumethoden zudem massive Umweltschäden verursachen, sondern bedeutet auch eine Unabhängigkeit von einem zum aktuellen Zeitpunkt schwer einzuschätzenden Monopolanbieter.

Zudem zeichnet sich eine steigende Tendenz bei der Preisentwicklung, insbesondere von Neodym, ab. Eine Unabhängigkeit von diesem Seltenerdmetall trägt also zu einer bedeutend stabileren Preiskalkulation bei. Das Motto von LEANTEC lautet: „So leicht geht Antrieb“ – wenn der Rotor nicht 100 kg wiegt, sondern lediglich 800 g, liegt der Vorteil auf der Hand. Insgesamt ist die Masse des Antriebs verglichen mit Leistungsdaten anderer Konzepte um circa 50 Prozent reduziert worden.

Die Innovation liegt laut Dr. Michael Schmidt, Geschäftsführer von BITSz engineering und Sprecher des Wachstumskerns, in der Interdisziplinarität. Eine der Herausforderungen des Projekts ist die Großserienproduktion der Komponenten aus Sinter- oder Verbundwerkstoffen. Leistungssteigerung bei geringer Masse und minimiertem Bauraum ist einer der grundlegenden Schritte in Richtung Energie-, Material- und Ressourceneffizienz.

Fünf Bausteine für den Erfolg
Das Konzept von LEANTEC beruht auf fünf Elementen, die das Bündnis von konventionellen Motorherstellern unterscheiden: Erstens ist dies der Einsatz bisher im Motorenbau unüblicher Werkstoffe und Fertigungstechnologien. Hierzu zählen Verbundwerkstoffe und Sintermaterialien, die unter anderem zur deutlichen Massereduzierung beitragen. Der effiziente Einsatz der Rohstoffe ist für Elektroantriebe ausgesprochen wichtig, um die verschärften gesetzlichen Vorgaben zu erfüllen. Außerdem lassen sich so, angesichts der zu erwartenden steigenden Nachfrage durch die Weiterentwicklung der Elektromobilität und des verstärkten Einsatzes der elektrischen Antriebe als Alternative zu Fluidantrieben, entsprechende Kapazitäten schaffen.

Zweitens erlaubt der interdisziplinäre Ansatz die Entwicklung einer eigenen Steuerung, mit deren Hilfe die elektronischen und die mechanischen Komponenten optimal aufeinander abgestimmt werden können.

Drittens erlaubt das große Kompetenzspektrum der Bündnispartner auch die Durchführung der zur eigenen Antriebsentwicklung notwendigen wissenschaftlichen Grundlagenarbeiten im Hinblick auf Simulation und Auslegung der Motoren.

Viertens befördern eigener Werkzeugmaschinen- und Vorrichtungsbau die anwendungsorientierte Entwicklung.

Fünftens werden wichtige Schritte der Produktion im Hinblick auf die Großserienfertigung bereits im Wachstumskern vorbereitet.

Zudem haben alle beteiligten Partner bereits Erfahrungen damit, Produkte von der Entwicklung bis zur Serienreife zu bringen und stellen im Verbund ihre jeweiligen Kompetenzen zur Verfügung.

Mehr Möglichkeiten für Elektroantriebe
In der Summe dieser Aspekte ist die LEANTEC-Antriebsplattform geeignet, Barrieren zu überwinden, die heute dem Einsatz konventioneller Elektroantriebe im Weg stehen. Für jede Zielanwendung ist die Ausgangssituation unterschiedlich geprägt. Eine gründliche Analyse der Gegebenheiten schafft hier Transparenz und Möglichkeiten für eine realistische Planung der Markteinführung.

Die Vorzüge des LEANTEC-Antriebs liegen – rein technisch betrachtet – vor allem in den Bereichen Drehzahl- und Drehmomentstärke. Nicht ganz nebenbei zeichnet sich dieser Antrieb durch geringe Bauhöhe und geringes Gewicht aus.

SAMAG beispielsweise schafft mit dem Einsatz der LEANTEC-Antriebe in den eigenen Werkzeugmaschinen einen zusätzlichen Kundennutzen: die Etablierung zusätzlicher Bearbeitungsoperationen im Bearbeitungszentrum, in diesem Falle des Drehens beziehungsweise Dreh-Fräsens. Nach Aussage von Rainer Lenz, Leiter Forschung und Entwicklung bei SAMAG und im Vorstand des Wachstumskerns zuständig für den Bereich Marketing, ist dieser Trend natürlich nicht vollständig neu. Der LEANTEC-Antrieb bietet jedoch gegenüber den derzeit eingesetzten Systemen – Hauptwettbewerber ist in diesem Falle der Torque-Antrieb – eine bis zu doppelt so hohe Drehzahl bei immer noch konstantem Drehmoment, was im Falle des LEANTEC-Antriebs sogar bereits ab der Drehzahl „Null“, das heißt, im Bereich der Lageregelung, zur Verfügung steht. Diese Eigenschaften des LEANTEC-Antriebs sind entsprechend auch für andere Werkzeugmaschinenhersteller sehr interessant, erste Kontakte zu namhaften marktführenden Unternehmen wurden bereits geknüpft.

SAMAG ist nicht nur selbst zukünftiger Anwender von LEANTEC-Antrieben in Rundtischen, sondern verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der präzisen Fertigung von Teilen für die Automobilindustrie in Großserie. Die Kompetenz in Sachen perspektivischer Großserienfertigung von Teilen für LEANTEC-Motoren ist hier ebenso gegeben wie die Kompetenz in der Bearbeitung von Leichtbauwerkstoffen.

Die Möglichkeiten der Elektronik mit modernen Umrichter- und Steuerungsarchitekturen bilden die Grundlage, die mechanischen Prinzipien der hochpoligen Transversalflussmotoren in serienreifen Antrieben umzusetzen. Dies ist die Innovation des Partners BITSz engineering GmbH. Das Zwickauer Unternehmen entwickelt und fertigt im Bereich der Embedded Systeme und der Antriebstechnik. Hier werden der LEANTEC-Antrieb ausgelegt sowie die zugehörigen Motorregler inklusive der Elektronik und der Software entwickelt und das gesamte elektronische System geprüft.

Zielmärkte für neue Antriebe

Für die LEANTEC-Antriebe wurden vier Zielmärkte definiert: Neben PKW-Antrieben sind dies Werkzeugmaschinen, wo die Motoren als schnelle Direktantriebe für Rundtische eingesetzt werden können, sowie stationäre und mobile Arbeitsmaschinen. Ziel der Betrachtung ist immer die Energieeffizienz im Gesamtsystem. Die Sandwichbauweise des Antriebs erlaubt die skalierbare Ausführung für unterschiedliche Anwenderbranchen.

Exemplarisch werden Demonstratoren für vier Zielanwendungen gebaut und erprobt. Ein Direktantrieb soll in Rundtischen für Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen, ein weiterer in einer direktangetriebenen Spannvorrichtung zur Schleifbearbeitung von Messern. Bei den stationären Arbeitsmaschinen ist ein LEANTEC-Antrieb als Hauptantrieb eines Extruders in Spritzgießmaschinen vorgesehen, und als Beispiel für einen Fahrantrieb wird ein LEANTEC-Radnabentrieb für Radlader entwickelt.

Zum Innovationskonzept und zur Stärken-Schwächen-Analyse gehören die Identifizierung und die gezielte Reduzierung von Risiken in der Antriebsentwicklung mittels der Kompetenzen der einzelnen Partner. Die Beschaffung der Rohstoffe und der nötigen Normteile erfolgt auf einem gesicherten Markt mit mehreren Anbietern, sodass hier eine gute Versorgung sichergestellt ist. Auch bei der Personalsituation ist durch die bereits bestehende Zusammenarbeit mit Ausbildungseinrichtungen und die Einbindung verschiedener Hochschulen in den Wachstumskern kein Engpass zu befürchten. Mit dieser Planungssicherheit sind wichtige Eckpfeiler für langfristiges Wachstum geschaffen worden.

Verbundprojekte für vernetzte Entwicklung
Die Umsetzung der Konzepte ist innerhalb des Wachstumskerns LEANTEC-Antrieb in drei Verbundprojekte aufgeteilt, die als Teil der technischen Planung die wichtigsten Felder der Entwicklung markieren. Im Verbundprojekt 1 wurden mit Rotor und Stator die aktiven Bauteile des Motors entwickelt. In diesen Bereich fällt auch der Umgang mit für den Motorbau neuen Werkstoffen, beispielsweise Pulververbundstoffen für die Krafterzeugung.

Sowohl der Rotor als auch der Stator sind einzeln betrachtet worden, um unabhängig voneinander die möglichen Materialien weitestgehend einbeziehen zu können und schon in der Entwicklung viele Risiken auszuschließen. Im zweiten Verbundprojekt werden Referenzantriebe mit verschiedenen Optimierungsrichtungen, wie beispielsweise Drehzahl oder Drehmoment, entwickelt. Hier werden die Fertigungs- und Prüftechnologien sowie die benötigten Auslegungswerkzeuge entwickelt. Neben dem eigentlichen LEANTEC-Motor werden hier außerdem die Komponenten Umrichter und Steuerung optimiert.

Das dritte Verbundprojekt beinhaltet die Kombination von Konzeptstudien und realen Anwendungen in den ausgewählten Demonstratoren. Diese Demonstratoren werden innerhalb des Projekts umfangreichen Erprobungen unterzogen, die neben der Optimierung der Demonstratoren selbst auch der Vervollkommnung der Simulations- und Auslegungswerkzeuge dienen. Die der Entwicklung innewohnenden Innovationen sind beziehungsweise werden über Patente abgesichert. Ziel ist die Etablierung von LEANTEC als Marke mit einer klar definierten Strategie.

Aktuell beträgt das geschätzte potenzielle Umsatzvolumen über 380 Millionen Euro jährlich. Die neugegründete LEANTEC Motor GmbH bildet die Basis und den organisatorischen Rahmen für die wirtschaftliche Umsetzung der Entwicklungsergebnisse und ist Garant für die Marktreife und eine adäquate Marktpräsenz. Der Wachstumskern LEANTEC-Antrieb umspannt den Zeitraum bis 2014 und trägt zur Festigung der Rolle Mitteldeutschlands als Zentralregion des Maschinenbaus bei. Neben der Sicherung der Arbeitsplätze bei den beteiligten Industriepartnern im Zuge der Neuorientierung der Antriebstechnik vor allem im Fahrzeugbereich sollen bis 2019 durch den Wachstumskern in der Region Sachsen/Thüringen etwa 200 neue Arbeitsplätze entstehen.

 

Mehr Informationen zu Samag:

Kontakt  Herstellerinfo 
SAMAG Saalfelder Werkzeugmaschinen GmbH
Hüttenstraße 21
07318 Saalfeld
Tel.: +49 3671 585 0
E-Mail: vertrieb@samag.de
www.samag.de
 

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