KEM Konstruktion: Welche Trends (Kompaktheit, höhere Drehzahlen, etc.) beziehungsweise Entwicklungen gibt es derzeit bei Sicherheitskupplungen?
Roland Arnold (Jakob Antriebstechnik): Es gibt keinen einheitlichen Trend. Einerseits sind kostengünstige Lösungen gefragt, andererseits liegen die benötigten technischen Parameter, wie zum Beispiel maximal Betriebsdrehzahl, im Grenzbereich des derzeit machbaren. Die Firma Jakob Antriebstechnik hat hierfür eine neue Generation für eine Sk-Type mit Freischaltmechanik entwickelt, um eine Überlastbegrenzung auch bei sehr hohen Drehzahlen zu gewährleisten.
Ralf Epple (Mayr Antriebstechnik): Sicherheitskupplungen werden heute immer kompakter. Wichtig sind eine hohe Leistungsdichte und ein geringes Massenträgheitsmoment. Dies wird erreicht durch einen kleinen Außendurchmesser bei einem verhältnismäßig großen Bohrungsdurchmesser. Die Grenzen dieser Entwicklung liegen in einer soliden Konstruktion als Basis, das bedeutet beispielsweise, dass bestimmte Grundregeln eingehalten werden müssen, zum Beispiel sind vernünftige Lager unerlässlich.
Sven Karpstein (KBK Antriebstechnik): Das sind im Wesentlichen dieselben Trends wie bei den Standard-Wellenkupplungen: Die Leistungsdichte wird immer höher, das heißt, es werden selbst in Anwendungen mit geringem Bauraum immer höhere Momente erwartet. Und die Komponenten werden immer leichter – der Trend geht auch bei den Überlastkupplungen eindeutig Richtung Leichtbau. Ebenso wird eine breitere Variantenvielfalt immer wichtiger, um immer die perfekt auf die Anwendung abgestimmte Kupplung anzubieten. Aus diesem Grund erweitern wir auch diese Produktsparte permanent um weitere Größen und Bauformen. Auch ist die Montagefreundlichkeit immer ein Thema – hier sind wir mit unseren Halbschalenausführungen ganz besonders diesem Wunsch nachgegangen.
Frank Kronmüller (R+W Antriebselemente): Die Anforderungen an die Komponente Kupplung sind nach wie vor teilweise sehr speziell und immer wieder werden individuelle Lösungen gefordert. Wir haben es uns zur Aufgabe gemacht für unsere Kunden die optimale Lösung auch unter Einbezug der eigenen Konstruktionsabteilung zu finden. Ein Trend ist das Thema rund um die „smart factory“. Durch die Zusammenarbeit mit den Darmstädter Startup core sensing bieten wir seit 2020 die Intelligente Kupplung an. Durch die an der Kupplung angebrachte Sensorik tragen wir einen Teil zur vorausschauenden Wartung und letztlich auch zur vernetzten Produktion bei.
Frank Mietke (Flender): Der Trend bei Sicherheitskupplungen ist neben der Realisierung höherer Drehzahlen auch die Einsetzbarkeit in explosionsgefährdeter Atmosphäre (ATEX). Für die meisten Wellenkupplungen existieren bereits entsprechende Freigaben, für Sicherheitskupplungen besteht hier noch ein Nachholbedarf.
KEM Konstruktion: Im Maschinenbau besteht eine Tendenz zu immer kompakter und leichter werdenden Komponenten, die dabei aber gleichzeitig auch immer sicherer und leistungsstärker sein müssen. Was bedeutet das für Sicherheitskupplungen?
Arnold (Jakob Antriebstechnik): Diese Tendenz ist seriös nicht zu realisieren, da eine immer größere Leistungsdichte mit Leichtbauwerkstoffen zu physikalischen Widersprüchen führt, gerade im Hinblick auf Verschleiß und Funktionssicherheit. Bereits jetzt werden hochfeste Werkstoffe und optimierte Härte- bzw. Wärmebehandlungsverfahren eingesetzt.
Epple (Mayr Antriebstechnik): Trotz der Weiterentwicklungen und dem Trend hin zu mehr Kompaktheit, müssen die Sicherheitskupplungen in erster Linie sicher sein und im Auslösefall präzise funktionieren. Ein gutes Kupplungsdesign ist die Basis dafür. Es reicht zum Beispiel nicht, eine große Kupplung einfach in Titan oder Alu auszuführen, um ein geringeres Massenträgheitsmoment zu erreichen. Die Basis muss stimmen. Generell gilt: Aus unterschiedlichen Materialien resultieren unterschiedliche Kupplungseigenschaften. Welches Material zum Einsatz kommt ist häufig auch eine Abwägung von Kosten und Nutzen.
Karpstein (KBK Antriebstechnik): Es bedeutet, dass wir in zunehmendem Maße die Besonderheiten der jeweiligen Anwendung berücksichtigen müssen, um diese Anforderungen erfüllen zu können. Das ist bei uns im Bereich Überlastkupplungen ohnehin ein Trend: Immer mehr Kunden wünschen sich ein maßgeschneidertes Produkt. Das kann die individuelle Anpassung der Wellendurchmesser sein oder ein bestimmtes Extra. Wir gehen gerne darauf ein und versuchen, alles möglich zu machen.
Kronmüller (R+W Antriebselemente): Auch hier gilt nach wie vor, dass Bauraum meistens knapp ist und durch leichtere Komponenten die Anlage oder Maschine energieeffizienter „gefahren“ werden kann. Das Thema Sicherheit spielt ebenso eine große Rolle, denn Maschinenausfälle bedeuten meistens einen großen zusätzlichen Kostenfaktor. Wir bieten im Standardproduktprogramm einige kompakte sowie Leichtbau-Kupplungen an. Das Ganze kann durch Kombination mit Sicherheitsmodulen zur exakten Drehmomentbegrenzung genutzt werden.
Mietke (Flender): Unsere Sicherheitskupplungen vom Typ AKR werden mit Stahllamellenkupplungen kombiniert, um neben der Sicherung des Antriebes gegen Überlast auch unvermeidbare Wellenversätze auszugleichen. Um hier zukünftig kompakter und leichter zu werden, ist eine Kombination mit unserer neuen Kupplungsbaureihe N-ARPEX geplant.
KEM Konstruktion: Höhere Qualität zu niedrigeren Kosten zu produzieren, führt unter anderem zu einer stetig erhöhenden Auslastung von Maschinen. Welche Anforderungen müssen Sicherheitskupplungen vor diesem Hintergrund erfüllen?
Arnold (Jakob Antriebstechnik): Die meisten Hersteller von Sk-Kupplungen bieten ausgereifte Produkte mit hoher Leistungsdichte zu einem vernünftigen Preisniveau an, sodass eine Automatisation der Mehrkosten, durch verhinderte Folgeschäden und Ausfallzeiten, bereits nach wenigen Crash-Situationen gegeben ist.
Epple (Mayr Antriebstechnik): Die Zuverlässigkeit und die Langlebigkeit der Sicherheitskupplungen haben oberste Priorität. Außerdem müssen sie präzise arbeiten. Sicherheitskupplungen begrenzen das Drehmoment exakt auf den eingestellten zulässigen Grenzwert, öffnen den Antriebsstrang und entkoppeln die laufenden Massen innerhalb von Sekundenbruchteilen. Nur so können lange Stillstandszeiten vermieden werden, wenn es in immer schnelleren und leistungsdichteren Maschinen mit hoher Auslastung zu Kollisionen kommt. Es gilt: Eine Sicherheitskupplung, die den Antriebsstrang und seine Komponenten vor Schäden durch Überlast schützen soll, muss zum jeweiligen Anwendungsfall passen. Die eine Kupplung für alle Fälle gibt es nicht. Wichtig ist zudem, gerade bei hohen Drehzahlen, dass die Kupplungen das Drehmoment spielfrei und mit hoher Drehsteifigkeit übertragen und einfach und mit wenig Werkzeug bzw. automatisiert wieder in Betrieb genommen werden können.
Karpstein (KBK Antriebstechnik): Sie müssen extrem hohen Qualitätsanforderungen genügen, denn der Ausfall einer Kupplung führt zum augenblicklichen Stillstand der Maschine. Top-Qualität zu liefern ist aber für einen Hersteller von elementaren Bauteilen wie wir es sind ohnehin die Grundvoraussetzung, um erfolgreich am Markt zu sein. Wir fertigen und prüfen im Prinzip jede Kupplung wie ein Einzelstück, dadurch sind unsere Produkte besonders zuverlässig und langlebig.
Kronmüller (R+W Antriebselemente): Neben der höheren Auslastung der Maschinen ist eine Hauptanforderung, dass die Komponenten, in dem Fall die Kupplung, zuverlässig funktioniert und z. B. beim Maschinencrash innerhalb von wenigen Millisekunden die Maschine abschaltet. So wird die komplette Anlage vor einem großen Schaden bewahrt. Damit der Prozess und die Anlage optimal laufen ist die Auslegung der Komponenten enorm wichtig. R+W berät dazu mit erfahrenem technischem Personal.
Mietke (Flender): Wichtiges Kriterium bei der Entwicklung von Sicherheitskupplungen ist das genaue Ansprechverhalten im Überlastfall und die Wiederholgenauigkeit auch bei häufigen Überlastfällen. Je genauer eine Sicherheitskupplung anspricht, desto höher kann eine Maschine ausgelastet werden.
KEM Konstruktion: Ebenfalls im Fokus der Anwender stehen höhere Leistungsdichten, geringeres Gewicht und geringere Kosten. Wie lässt sich das bei Sicherheitskupplungen erreichen (Leichtbau, Hightech-Werkstoffe, etc.)?
Arnold (Jakob Antriebstechnik): Wie bereits erwähnt ist eine weitere Steigerung der Kompaktheit und Leistungsparameter mit einer enormen Kostenerhöhung machbar, wodurch dies nur für wenige Nischenanwendungen interessant und sinnvoll ist. Generell ist für solch eine Entwicklungsarbeit eine aufwendige Prüfstandtechnik obligatorisch.
Epple (Mayr Antriebstechnik): Neben der soliden Basiskonstruktion gibt es Kupplungen in unterschiedlichen Materialien (siehe Frage 2). Allerdings ist nicht immer das teuerste „Hightech-Material“ das beste für die jeweilige Anwendung. Es muss immer ein Abwägen sein, gerade wenn es um Leichtbau geht. Die Performance der Kupplung darf nicht beeinträchtigt werden. Ein Beispiel dafür ist die neue, leistungsdichte Baureihe der EAS-HSC Highspeed-Kupplung von Mayr Antriebstechnik, die auch in Stahlausführung schon leicht ist. Wenn dies für eine Anwendung noch nicht ausreichend ist, können Bauteile auch in hochfestem Aluminium ausgeführt werden, um so nochmals Gewicht zu sparen.
Karpstein (KBK Antriebstechnik): Das schaffen wir, indem wir bei den Überlastkupplungen wie bei den Standard-Kupplungen die früher üblichen Vergütungsstähle durch Aluminium ersetzen. Um mit diesem Material dieselbe Leistung wie mit Stahl erzielen zu können, verwenden wir verschiedene Beschichtungsformen. Wir setzen den Leichtbau-Trend konsequent um und können deshalb mit unserem Programm verschiedenste Anforderungen erfüllen.
Kronmüller (R+W Antriebselemente): Im Bereich der Entwicklung hat sich bei R+W intern einiges getan. Wir haben eine eigene Entwicklungsabteilung, die darauf spezialisiert ist, dass Marktanforderungen geprüft werden und in die Produktentwicklung miteinfließen. Auch den Zuwachs im Bereich der individualisierten Kupplungslösungen decken wir mit unserem erfahrenden und technisch ausgebildetem Personal ab.
Mietke (Flender): Geringere Kosten sind natürlich immer ein Thema, nicht nur bei Sicherheitskupplungen. Der Einsatz von Hightech-Werkstoffen würde eine Sicherheitskupplung jedoch nicht günstiger sondern eher teurer machen. Die aktuellen Sicherheitskupplungen Typ AKR bauen heute schon so kompakt, dass die Bohrungskapazität der zu verbindenden Wellen kaum noch ausreicht. Eine Kostenreduzierung und eine höhere Leistungsdichte, speziell im höheren Drehmomentbereich, wäre eher durch eine verbesserte beziehungsweise optimierte Konstruktion zu erreichen.
KEM Konstruktion: Von Kupplungen allgemein erwarten Anwender Spiel- und Wartungsfreiheit, was tun Sie um diesen Anforderungen gerecht zu werden?
Arnold (Jakob Antriebstechnik): Die Sicherheitskupplungstypen der Firma Jakob Antriebstechnik erfüllen von jeher die Anforderungen hinsichtlich Spiel- und Wartungsfreiheit. Diese wird durch eine hochpräzise Fertigung und spezielle Kugelrastmechanik garantiert. Allerdings ist die Anzahl der Ausrückvorgänge begrenzt, warum auch eine möglichst schnelle Abschaltung des Antriebs nach dem Ausrückvorgang bzw. Lasttrennung generell erforderlich ist.
Epple (Mayr Antriebstechnik): Mayr Antriebstechnik hat bereits seit vielen Jahren spielfreie Sicherheitskupplungen und Wellenkupplungen im Programm, die das Drehmoment mit hoher Drehsteifigkeit übertragen. Für die Auslegung gilt: Bohrungsdurchmesser, Außendurchmesser und Elementegröße müssen harmonieren, um ein schwingungsarmes System zu erhalten, das im Auslösefall präzise funktioniert. Und gerade in den Bereichen Highspeed und High-Torque sind alle Teile, zum Beispiel vor allem auch die Lager, in sehr hoher Qualität ausgeführt. So können die Wartungsintervalle der Kupplung an die Maschinenwartung angeknüpft werden und es sind keine Sonderwartungen nötig. Die Serviceintervalle sind hier deutlich länger als im Low-Cost-Bereich.
Karpstein (KBK Antriebstechnik): Bei unseren Überlastkupplungen erreichen wir diese Eigenschaften durch ein ausgetüfteltes System: Wir ordnen die Kugeln paarweise verspannt gegeneinander. So können wir die Spielfreiheit über die komplette Lebensdauer hinweg gewährleisten. Unser eigener Qualitätsanspruch und die hochwertige Verarbeitung der Komponenten garantieren, dass die Lebensdauer der Kupplungen die der zu verbindenden Komponenten deutlich übersteigt.
Kronmüller (R+W Antriebselemente): Spiel- und Wartungsfreiheit sind ebenso zwei wichtige Produkteigenschaften. Die R+W Präzisionssicherheitskupplungen arbeiten beispielsweise nach dem sogenannten federvorgespannten Kugelrastprinzip, welches die Spielfreiheit gewährleistet. Bei Beachtung der technischen Hinweise sind unsere Kupplungen lebensdauerfest und wartungsfrei.
Mietke (Flender): In Kombination mit unseren Stahllamellenkupplungen sind unsere AKR-Sicherheitskupplungen spielfrei, verdrehsteif und wartungsfrei. Sie erlauben eine große Anzahl an Schaltvorgängen, ohne dass ein Austausch von Komponenten notwendig ist. Möglich wird dies durch eine flächendeckende Planverzahung, die durch Tellerfedern in Eingriff gehalten und im Überlastfall auseinandergedrückt wird. In diesem Fall treten nur geringe Flächenpressungen in der Verzahnung auf. Durch eine spezielle Beschichtung der Verzahnung wird die Lebensdauer verlängert und der Streubereich des Abschaltmomentes minimiert.
KEM Konstruktion: Spielt im Bereich Sicherheitskupplungen Predictive Maintenance eine Rolle?
Arnold (Jakob Antriebstechnik): Die ist höchstens ein Randthema, der Fokus liegt eindeutig auf Verhinderung massiver Schäden beziehungsweise hoher Reparaturkosten.
Epple (Mayr Antriebstechnik): Die Sicherheitskupplungen von Mayr Antriebstechnik können mit der drehmomentmessenden Wellenkupplung Roba-DSM kombiniert werden, die sehr genaue Messdaten liefert. Diese Kupplung ist mit integrierten Sensoren ausgestattet. Das spart Platz und zusätzliche Komponenten. Dieser Ansatz ist gerade im Bereich der Prozessüberwachung attraktiv, wo neben der Genauigkeit auch die Wirtschaftlichkeit eine wichtige Rolle spielt. Die Sensorik der smarten Kupplungen hilft dabei, Fehler und Ausfallzeiten zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Denn durch das Monitoring im Antriebsstrang besteht die Chance, Fehler und Verschleiß, die sich schleichend ankündigen, frühzeitig zu erkennen und dann auch vorausschauend zu handeln. Auch bei der Planung von Wartungszeiträumen können zum Beispiel im Vorfeld die richtigen Verschleißteile geordert werden. So verkürzt sich die Zeit der Wartung und damit insgesamt die Stillstandzeit der Anlage. Gerade sich verändernde Schwingungsmuster oder Drehmomente bei immer gleichen Prozessabläufen sind hier ideale Signalgeber bzw. Indizien. Auch Belastungszustände, die über die Sensorik (Drehmoment/Beschleunigungen) im Antriebsstrang erfasst werden, ermöglichen dem Betreiber der Anlage das Wartungsintervall gegebenenfalls früher oder später durchzuführen und besser zu planen. Neben der Lebensdauer der Maschine steigt der Output und auch die Qualität des Endprodukts lässt sich so gegebenenfalls verbessern.
Karpstein (KBK Antriebstechnik): Indirekt schon: Man kann in Kombination mit unseren Sicherheitskupplungen einen sogenannten Endschalter nutzen, der bei einer Überlast ein Signal von der Kupplung empfängt. Dieses Signal gibt dem Maschinenführer die Möglichkeit, Gegenmaßnahmen zu ergreifen, bevor es zu Schäden an der Anlage kommt. Man könnte die Kupplung also als eine Komponente der Predictive Maintenance für den gesamten Antriebsstrang bezeichnen.
Kronmüller (R+W Antriebselemente): Das kann ich auf jeden Fall bejahen. Und das trifft nicht nur für die Sicherheitskupplungen zu. Inzwischen können wir durch die neue Produktsparte ‚Sensortechnik‘ viele der Kupplungen „smart“ machen. Das heißt, die Messdaten werden durch die integrierte Sensorik sichtbar und übertragen. Die Maschinenbauteile sind so verknüpft und durch die Datenübertragung können beispielsweise Wartungen frühzeitig abgeleitet und geplant werden.
Mietke (Flender): Wartung ist immer mit Kosten verbunden. Unsere Sicherheitskupplungen in Kombination mit unseren Stahllamellenkupplungen sind zunächst wartungsfrei und helfen dem Kunden dadurch Kosten zu sparen. Notwendig sind nur visuelle Kontrollen, die dann darüber entscheiden, ob bei einer geplanten Revision ggf. Komponenten getauscht werden müssen.
KEM Konstruktion: In vielen Branchen gewinnen Technologien wie Simulation oder die Additive Fertigung zunehmend an Bedeutung. Welche Bedeutung haben diese Technologien für die Hersteller von (Sicherheits)kupplungen?
Arnold (Jakob Antriebstechnik): Ist bis dato noch ohne Bedeutung. Die Herstellungsprozesse der aktuellen Sk-Bauteile sind durch Dreh-, Fräs- und Schleifbearbeitung geprägt.
Epple (Mayr Antriebstechnik): In der Tat gewinnt Additive Fertigung an Bedeutung, gerade wenn es um erste Funktionsmodelle geht. Der Fokus liegt derzeit auf Prototyping und weniger auf der Serienfertigung. Generell ist hier derzeit viel in Wandel beziehungsweise in der Entwicklung, gerade auch was Materialien angeht.
Karpstein (KBK Antriebstechnik): Sie sind wichtig, weil man mit ihnen Schwachstellen in der Konstruktion identifizieren und eliminieren kann, bevor man in die Produktion geht und es teuer wird. Wir simulieren deshalb bei allen unseren Kupplungstypen schon beim Engineering die Funktionen und Dynamiken mit CAD- beziehungsweise 3D-Programmen. Für die Erstellung von Prototypen und Sonderlösungen und für die Entwicklung neuer Baureihen nutzen wir außerdem 3D-Druck-Verfahren.
Kronmüller (R+W Antriebselemente): Für unsere Konstruktionsabteilung ist die Simulation zum Beispiel ein wichtiger Aspekt. Diese können wir für die Produktentwicklung ebenso nutzen wie für die customized Produkte.
Mietke (Flender): Die Simulation von Antrieben ist bereits seit einigen Jahren Stand der Technik. Speziell das Drehschwingungsverhalten von Antrieben wird häufig bei kritischen Antrieben im Vorfeld berechnet. Bei den Anwendungen, in denen Sicherheitskupplungen zum Einsatz kommen, ist dies jedoch eher selten der Fall. 3D-Druck ist in diesem Bereich bis heute noch kein Thema.
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