Hersteller von Spritzgießmaschinen spezifizieren ALBERT ABT Planetengetriebe für Energieübertragungssysteme mit hoher Schließkraft.

Warum Planetengetriebe beim modernen Spritzgießen wichtig sind

Wenn ich durch eine Spritzgießanlage gehe, in der Automobilkomponenten auf einer 1.600-Tonnen-Maschine hergestellt werden, überprüfe ich als Erstes nicht die Schließvorrichtung, sondern den Schneckenantrieb. Wenn die Plastifizierschnecke keine gleichbleibende Schmelzequalität bei dem richtigen Gegendruck liefern kann, ist die Schließkraft irrelevant. Der Planetengetriebe-Reduzierer ALBERT ABT befindet sich am Schnittpunkt von Servomotor Präzision und Kraft des Schraubenantriebs – es ist die Komponente, die darüber entscheidet, ob das Schussgewicht während einer achtstündigen Schicht um 0,1 % oder 0,5 % schwankt.

Bei herkömmlichen hydraulischen Spritzgießmaschinen wird die Schneckenrotation von einem Hydraulikmotor angetrieben, der von einer Verdrängerpumpe gespeist wird. Der Wirkungsgrad dieser Bauweise liegt selbst bei Teillast selten über 45 % – die Pumpe läuft unabhängig vom Bedarf mit konstanter Drehzahl, und die überschüssige hydraulische Energie wird in Wärme umgewandelt, die vom Kühlsystem abgeführt werden muss. Wenn Maschinenbauer den hydraulischen Schraubenantrieb durch einen elektrischen Servomotor ersetzen, der über ein Planetengetriebe angeschlossen ist, steigt der mechanische Wirkungsgrad des Antriebsstrangs von etwa 75 % (Hydraulikmotor + Zahnradpumpenverluste) auf über 92 % (Servomotor + Planetengetriebe). Dies ist keine geringfügige Verbesserung – es handelt sich um eine grundlegende Neugestaltung der Art und Weise, wie die Energie die Plastifizierungsschnecke erreicht.

Der ALBERT ABT Planetengetriebe Die Baureihe wurde speziell für diese Anwendung entwickelt. Ich habe mit Maschinenbauern zusammengearbeitet, die zunächst versucht haben, universelle Industriegetriebe für ihre elektrischen Plastifizierungsantriebe einzusetzen. Diese Getriebe fielen innerhalb von sechs Monaten aus – durch Lochfraß an den Eingangslagern aufgrund axialer Schraubenkräfte, durch Reibkorrosion der Keilnut der Ausgangswelle aufgrund des Drehmoments beim Dekompressionsprozess und durch Beschädigung der Zahnflanken durch Überlastspitzen während der Kaltstart-Einspritzzyklen. Die ALBERT ABT-Baureihe begegnet diesen Ausfallursachen durch einsatzgehärtete, schrägverzahnte Planetenräder mit balligen Zahnprofilen, Kegelrollenlager an Ein- und Ausgangswelle sowie einen einteiligen Planetenträger, der die Zahneingriffsausrichtung auch unter Drehmomentwechsel gewährleistet.

Die mechanische Herausforderung: Energieübertragung in Spannsystemen mit hoher Tonnage

Um zu verstehen, warum ein speziell dafür entwickeltes Planetengetriebe wichtig ist, muss ich mir das Drehmomentprofil ansehen, dem ein Schneckenantrieb für Spritzgießmaschinen mit hoher Tonnage tatsächlich ausgesetzt ist. Betrachten wir eine 1.600 Tonnen schwere Maschine, die Stoßfängerträger aus Polypropylen für die Automobilindustrie mit einem Schraubendurchmesser von 120 mm herstellt. Beim Plastifizieren muss der Servomotor ein kontinuierliches Drehmoment von ca. 2.800 Nm bei 800 U/min aufbringen, um die Schnecke gegen den Schmelzegegendruck von 150 bar zu drehen. Während der Dekompression – der kurzen Rückwärtsdrehung, die das Nachtropfen an der Düse nach jedem Schuss verhindert – erfährt das Getriebe innerhalb von weniger als 50 Millisekunden eine Drehmomentumkehr von ca. 1.200 Nm. Nach dem Einspritzen, während der Schneckenrückstellung, steigt der Drehmomentbedarf in den ersten 200 Millisekunden sprunghaft auf ca. 3.500 Nm an, da die Schnecke das erstarrte Material im Bereich des Kontrollrings aufbricht, bevor er sich wieder auf das stationäre Plastifizierungsdrehmoment einpendelt.

Dieses dreiphasige Drehmomentprofil – gleichmäßige Plastifizierung, schnelle Dekompressionsumkehr und Kaltstartspitze – ist das, was Planetengetriebe für das Spritzgießen von allgemeinen Industriegetrieben unterscheidet. Ein standardmäßiges industrielles Planetengetriebe mit einer Nennleistung von 3.000 Nm Dauerdrehmoment übersteht zwar möglicherweise den stationären Betrieb, doch seine Abtriebslager und der Planetenträger versagen vorzeitig unter dem Einfluss von Drehmomentwechsel-Reibkorrosion und Kaltstartüberlastung. Ich habe ein Getriebe erlebt, das alle Prüfstandtests auf einem Dauerlastprüfstand bestanden hatte, aber innerhalb von drei Monaten an einer 2.000-Tonnen-Maschine ausfiel, weil sein Träger zweiteilig verschraubt war. Die Schraubenvorspannung ließ unter dem zyklischen Drehmomentwechsel nach, wodurch sich die Planetenräder um etwa 0,05 mm verschoben. Dies reichte aus, um lokale Kontaktspannungen zu erzeugen, die die Korrosionsbeständigkeit des Zahnradmaterials überschritten.

Die ALBERT ABT-Serie begegnet diesem Problem mit einem monolithischen Planetenträger, der aus einem einzigen Schmiedestück gefertigt wird. Die Planetenbolzenbohrungen werden nach der Endbearbeitung des Trägers liniengebohrt, um eine parallele Ausrichtung innerhalb von 0,01 mm über alle drei Planetenpositionen hinweg zu gewährleisten. Die Abtriebslageranordnung verwendet zwei Rücken an Rücken angeordnete Kegelrollenlager mit einer Vorspannung, die unter der maximalen Nenn-Axiallast von 50 kN ein axiales Lagerspiel von null gewährleistet. — die axiale Kraft, die die Einspritzschnecke während jedes Einspritzzyklus auf die Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes ausübt.

Wichtige Leistungsparameter für Planetengetriebe im Spritzgussverfahren

Das Zahnflankenspiel ist der Parameter, der die Qualität Ihrer Formteile am direktesten beeinflusst, und genau diesen Parameter übersehen allzu viele Maschinenbauer bei der Auswahl eines Reduziergetriebes. Bei einem Planetengetriebe mit 10 Bogenminuten Spiel muss sich der Servomotor um 10 Bogenminuten (0,167 Grad) drehen, bevor sich die Abtriebswelle bewegt. Beim Entlasten der Schnecke, wenn der Motor die Drehrichtung umkehrt, entsprechen diese 10 Bogenminuten Spiel einer unkontrollierten Schneckendrehung von ca. 0,3 mm bei einem Schneckendurchmesser von 100 mm – ausreichend, um ungleichmäßiges Abschalten der Düse und Tropfenbildung an den Formteilen zu verursachen. Das ALBERT ABT reduziert dieses Spiel mit ≤ 3 Bogenminuten auf ca. 0,09 mm, was innerhalb der zulässigen Toleranzen für die Automobil- und Medizintechnik liegt.

Integrationsarchitektur: Servomotor → Planetengetriebe → Plastifizierungsschnecke

Die Integration eines ALBERT ABT Planetengetriebes in den Antriebsstrang einer Spritzgießmaschine folgt einer spezifischen Architektur, die ich in mehreren Kooperationen mit Maschinenbauern verfeinert habe. Die Abtriebswelle des Servomotors ist über eine Balgkupplung direkt mit dem Eingang des Planetengetriebes verbunden. Diese Kupplung gleicht radiale Fehlausrichtungen von bis zu 0,1 mm aus, ohne radiale Belastungen auf die Motorlager auszuüben. Die Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes ist über einen Keilwellenadapter mit der Plastifizierungsschnecke verbunden, der das Drehmoment überträgt und gleichzeitig die axiale Bewegung der Schnecke während des Einspritzvorgangs ermöglicht – der Schub aus der Einspritzung wird von einer separaten Schublageranordnung und nicht von den Lagern der Untersetzungswelle aufgenommen.

Die Trennung von Drehmomentübertragung (Planetengetriebe) und Schubkraftaufnahme (Axiallager) ist entscheidend. Ich habe Maschinenkonstruktionen untersucht, bei denen die Abtriebslager des Getriebes die Schubkraft der Einspritzung aufnehmen sollten. In allen Fällen reduzierte sich die Lebensdauer der Abtriebslager um den Faktor 3 bis 5. Die Konstruktion des ALBERT ABT berücksichtigt diese Trennung speziell: Die Abtriebswelle ist für reines Drehmoment mit einem Sicherheitsfaktor von 1,8 bei maximalem Nenndrehmoment ausgelegt, während das Wellenende über eine genormte DIN 5480-Evolventenverzahnung verfügt, die mit einem separaten Axiallagergehäuse zusammenwirkt. Das bedeutet, dass Ihre Maschine mit dem optimalen Axiallager für Ihre spezifischen Einspritzdruckanforderungen konstruiert werden kann, ohne die Auswahl des Getriebes einzuschränken.

Für die Auswahl des Servomotors ist das ALBERT ABT-Getriebe in Übersetzungen von 3:1 bis 10:1 erhältlich. So kann der Maschinenkonstrukteur den optimalen Drehzahlbereich des Servomotors (typischerweise 1.500–3.000 U/min für Servomotoren mit hohem Drehmoment) an den erforderlichen Drehzahlbereich der Schnecke (typischerweise 80–250 U/min für Plastifizierungsschnecken mit großem Durchmesser) anpassen. Ich empfehle, eine Übersetzung zu wählen, bei der die Nenndrehzahl des Servomotors bei der maximalen Auslegungsdrehzahl der Schnecke etwa 80 % seiner maximalen Dauerdrehzahl beträgt. Dadurch ergibt sich eine Drehmomentreserve von 20 % für Kaltstart und hochviskose Materialien, ohne dass der Motor in jedem Zyklus im intermittierenden Überlastbereich arbeiten muss.

Energieeinsparung: Die wirtschaftlichen Vorteile elektrischer Plastifizierungsantriebe

Das überzeugendste Argument, das ich einem Hersteller von Spritzgießmaschinen vorbringen kann, der über den Wechsel von hydraulischem zu elektrischem Schneckenantrieb nachdenkt, ist folgendes: Allein die Einsparungen bei den Energiekosten amortisieren in der Regel die zusätzlichen Hardwarekosten innerhalb von 12 bis 18 Monaten kontinuierlichen Betriebs. Hier ist die mathematische Erklärung, die ich verwende, wenn ich dies Maschinenbauern präsentiere:

Eine 1.200 Tonnen schwere hydraulische Spritzgießmaschine mit einer Festverdrängerpumpe verbraucht im Dauerbetrieb ca. 55 kW elektrische Leistung, wovon etwa 18 kW an den Hydraulikschraubenantriebsmotor gehen. Die Hydraulikpumpe läuft kontinuierlich mit 1.500 U/min, unabhängig davon, ob die Schnecke dreht oder stillsteht. Dabei werden ca. 35–40 % der zugeführten elektrischen Energie in Wärme umgewandelt, die vom Kühlsystem abgeführt werden muss. Dies erfordert zusätzlichen Energieaufwand für Kühlwasserpumpen und Kältemaschine. Die an der Schnecke ankommende Nettoenergie beträgt ca. 7,5 kW der zugeführten 18 kW – ein mechanischer Wirkungsgrad von ca. 41 %.

Ersetzt man den hydraulischen Schraubenantrieb durch einen 22 kW Servomotor, der die Schraube über ein ALBERT ABT Planetengetriebe antreibt, ändert sich das Bild der Systemeffizienz dramatisch. Der Servomotor benötigt nur dann Strom, wenn sich die Schnecke dreht. Während der Öffnungs- und Schließphasen der Form, des Auswurfs und der Kühlphase verbraucht der Schneckenantrieb keine Energie. Der Servomotor arbeitet mit einem Wirkungsgrad von 92–95 %, das Planetengetriebe mit 96–98 %, was einen Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs von ca. 88 % ergibt. Die der Schnecke zugeführte Nettoenergie beträgt ca. 19,4 kW der Eingangsleistung von 22 kW – und sie benötigt nur während der Plastifizierungsphase Strom, die typischerweise 55–65 % der Gesamtzykluszeit ausmacht.

Nach einem Jahr Betrieb mit 7.000 Betriebsstunden verbraucht der hydraulische Schraubenantrieb ca. 126.000 kWh. Der elektrische Schraubenantrieb verbraucht ca. 84.700 kWh. Eine Reduzierung um 41.300 kWh, was bei einem Industriestrompreis von 0,12 $/kWh einer direkten Energieeinsparung von etwa 4.956 $ pro Jahr entspricht.Hinzu kommen weitere Einsparungen durch die reduzierte Belastung des Kühlsystems. Für einen Maschinenbauer, der 50 Maschinen pro Jahr installiert, bedeutet dies jährliche Energieeinsparungen von rund 247.800 US-Dollar für die Endkunden – ein Wettbewerbsvorteil, der die Investition in die Entwicklung um ein Vielfaches amortisiert.

Auswahl des richtigen ALBERT ABT-Modells für Ihre Maschinenkonstruktion

Die Auswahl des Getriebes betrachte ich als einen dreistufigen technischen Prozess. Schritt 1: Ermitteln Sie das maximal erforderliche Dauerdrehmoment. Berechnen Sie das Anzugsmoment der Schraube anhand des maximalen Schraubendurchmessers, des maximalen Gegendrucks der Schmelze und des Längen-Durchmesser-Verhältnisses (L/D) der Schraube. Bei einer 120-mm-Schnecke und einem Gegendruck von 200 bar beträgt das erforderliche Anzugsmoment ca. 3.450 Nm. Berücksichtigen Sie einen Betriebsfaktor von 1,3 für den Spritzgießbetrieb (intermittierender Betrieb mit mäßiger Stoßbelastung), woraus sich ein Auslegungsdrehmoment von 4.485 Nm ergibt. Wählen Sie ein Getriebe mit einem Nenndrehmoment, das diesen Wert erreicht oder übersteigt.

Schritt 2: Überprüfen Sie die maximale Drehmomentkapazität. Ihr Getriebe muss dem Kaltstartdrehmoment standhalten, das beim Anlaufen der Schnecke nach einer Stillstandsphase mit erstarrtem Material im Zylinder auftritt. Ich habe Kaltstartdrehmomentspitzen von 2,1 bis 2,8 Mal dem stationären Plastifizierungsdrehmoment bei Polypropylen, Nylon und ABS gemessen. Die ALBERT ABT-Serie ist für ein Not-Aus-Drehmoment von 3 × Dauerdrehmoment ausgelegt und bietet somit eine ausreichende Sicherheitsreserve für Kaltstartbedingungen.

Schritt 3: Bestätigen Sie die Torsionssteifigkeit. Die Torsionssteifigkeit bestimmt, wie schnell die Schnecke auf Drehzahländerungen des Servomotors reagiert – entscheidend für die präzise Gegendruckregelung beim Plastifizieren und für die schnelle Dekompression vor dem Öffnen der Form. Für eine 1200-Tonnen-Maschine empfehle ich eine Torsionssteifigkeit von mindestens 300 Nm/Bogenminute. Unterhalb dieses Schwellenwerts wird die dynamische Reaktion des Servomotors durch ein mechanisch nachgiebiges Getriebe gefiltert, was zu einem Gegendrucküberschwingen von 10–20 bar bei Drehzahländerungen führt.

Die Perspektive des Autors: Worauf ich bei der Bewertung eines Reduzierstücks achte

Wenn ich ein Planetengetriebe für eine Spritzgussanwendung bewerte, beginne ich nicht mit den Katalogspezifikationen. Ich besuche zunächst die Montagehalle des Herstellers und sehe mir an, wie dort ein Getriebe gefertigt wird. Ich schaue mir an, wie die Planetenräder in den Träger eingebaut sind – sind die Planetenlager mit kontrollierter Presspassung eingepresst oder mit Sicherungsringen verschiebbar? Ich habe beide Methoden gesehen, und die Methode mit eingepressten Lagern bietet durchweg eine längere Lebensdauer unter wechselndem Drehmoment, da es keine Relativbewegung zwischen dem äußeren Lagerring und der Trägerbohrung gibt – keine Reibkorrosion, keine progressive Zunahme des Lagerspiels.

Ich betrachte die Oberflächenbeschaffenheit der Zahnräder mit einem Profilometer. Eine Oberflächenrauheit Ra von 0,4 μm oder besser an den Zahnflanken nach dem Schleifen zeigt an, dass der Hersteller in Präzisions-Zahnradschleifmaschinen investiert hat und weiß, dass die Oberflächenbeschaffenheit die Lochfraßbeständigkeit direkt beeinflusst. Ich prüfe das Schmiersystem: Ist es lebensdauergeschmiert oder verfügt es über ein Ölkreislaufsystem mit Filtration? Bei Spritzgießmaschinen mit Schneckendrehzahlen über 400 U/min bevorzuge ich die Ölschmierung, da sie eine effektivere Wärmeabfuhr vom Zahneingriff ermöglicht und die Wartungsintervalle im Vergleich zur Fettschmierung verlängert.

Dies sind keine theoretischen Bedenken. Es sind Lehren, die ich aus Maschinen gezogen habe, die acht Jahre lang zuverlässig liefen, und Maschinen, bei denen nach achtzehn Monaten ein Getriebewechsel erforderlich war – und der Unterschied war immer auf diese spezifischen Konstruktionsdetails zurückzuführen und nicht auf die allgemeinen Leistungsangaben im Katalog. Die ALBERT ABT-Serie spiegelt diese praktischen Erfahrungen in ihrer Konstruktion wider: Planetenlager mit Presspassung, geschliffene Zahnprofile mit profilometergeprüfter Rauheit Ra ≤ 0,4 μm und Ölschmierung mit magnetischen Ablassschrauben zur Verschleißpartikelüberwachung.