Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Adaptive Zuluftdrosselung zur Effizienzsteigerung abluftgedrosselter pneumatischer Antriebe

Heutige Pneumatiksysteme weisen aufgrund der überwiegenden Nutzung abluftgedrosselter Antriebe, vorgegebener Zylinder-Baugrößen und erforderlicher Sicherheitsfaktoren in der Auslegung zumeist deutliche Optimierungspotenziale bezüglich des Druckluft- bzw. Energiebedarfs auf. Es resultieren signifikant erhöhte Kosten und Emissionen im Betrieb, die aufgrund des weitreichenden Einsatzes pneumatischer Automatisierungstechnik unter anderem eine Vielzahl von KMUs betreffen. Bisher vorgeschlagene Lösungen zur Reduktion des Druckluftverbrauchs rufen deutliche Komplexitätssteigerungen und Mehrkosten in der Anschaffung hervor, weshalb sich diese bisher am Markt nicht durchsetzen konnten.

Eine vielversprechende, neuartige Verschaltung, die adaptive Zuluftdrosselung abluftgedrosselter Antriebe, soll daher im Rahmen dieses Projekts genauer analysiert werden. Ihre grundsätzliche Funktionalität wurde bereits in Vorstudien nachgewiesen.

Der erste Projektabschnitt umfasst die Entwicklung von Funktionsstrukturen, welche die zuvor genannte Verschaltung erlauben, sowie deren simulative Optimierung. Darauf aufbauend wird ein Funktionsmuster entwickelt und mittels eines Prüfstands für Linearachsen erprobt. Der Fokus liegt neben der Validierung der Simulation auf dem dynamischen Verhalten des Systems in Kombination mit unterschiedlichen Zylinderkonfigurationen und bei variablen Lasten. Abschließend erfolgt eine Optimierung hinsichtlich der Funktionsintegration zur Reduktion des Aufwands auf Basis von Analogiebetrachtungen auf dem Markt befindlicher Komponenten. Das wirtschaftliche Potential einer, auf dem im Projekt entwickelten Funktionsmuster aufbauenden, Komponente kann somit abgeschätzt werden. Hierzu werden die potentiellen Kosten einer im Nachgang zu entwickelnden und zu kommerzialisierenden Komponente der resultierenden Druckluft- und Energieeinsparung gegenübergestellt.

Ergebniszusammenfassung:

Pneumatische Zylinderantriebe sind in prozesstechnischen Anlagen und der Fabrikautomatisierung weit verbreitet. Zur Anpassung der Geschwindigkeit wird bisher hauptsächlich die Abluftdrosselung eingesetzt. Dabei wird die Bewegung mit Hilfe des vollen Versorgungsdrucks durch die aktive Kammer ausgeführt und mittels eines Gegendrucks in der abluftseitigen Kammer reguliert, was zu einem hohen Druckluftverbrauch führt.

Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung und der Nachweis einer neuartigen Energiesparmaßnahme für abluftgedrosselte Zylinder. Kern des Ansatzes ist, den Antriebsdruck mittels eines adaptiven Zuluft-Drosselventils so weit zu verringern, dass der entgegenwirkende Druck noch gerade ausreicht für ein einwandfreies Bewegungsverhalten, jedoch aufgrund der geringeren Luftdichte in der Antriebskammer im Vergleich zur Abluftdrosselung ein geringerer Druckluftverbrauch resultiert.

Im Rahmen des Projekts wurde eine gründliche und systematische Aufbereitung der Wirkzusammenhänge durchgeführt und eine darauf basierende Auslegungsmethode entwickelt. Zur Demonstration der Realisierbarkeit und Funktion wurde ein Funktionsmuster entwickelt und erprobt. Die theoretische Auslegungsmethodik wurde somit um eine praxisnahe Untersuchung erweitert. Besondere Beachtung in der Erprobung fand die pneumatische Endlagendämpfung der verwendeten Zylinderantriebe, da diese die Auslegungsgrenze sowohl aktuell eingesetzter abluftgedrosselter als auch der neuartig verschalteten Antriebe definiert. Die experimentelle Erprobung fand erfolgreich auf einem großen Parameterfeld statt und ermöglicht Rückschlüsse auf die praktischen Einsatzmöglichkeiten.

Abschließend wurde das wirtschaftliche Potential eruiert, sodass der Abschlussbericht eine fundierte Bewertung der Technologie bzgl. einer industriellen Nutzbarkeit ermöglicht. Das Projekt liefert somit die Grundlage für eine Investitionsentscheidung in die Technik, insbesondere für KMU, die keine eigene Forschung betreiben können.