Eugen Elmiger über Miniaturisierung und Vernetzung von Antrieben

Kleinstantriebe

Maxon-Chef Elmiger über drei Trends bei Kleinstantrieben

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Wenn es um Klein- und Mikromotoren geht, gehört Maxon Motor zu den ersten Adressen. Zum Einsatz kommen die Miniaturantriebe in vielen Anwendungen von der Mess- und Prüftechnik über die Automobilindustrie und Medizintechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt sowie der Industrieautomation und Robotik. Im Gespräch mit KEM Konstruktion erklärt Eugen Elmiger, CEO der Maxon Motor ag in Sachseln, Schweiz, welche Entwicklungen seine Branche derzeit prägen.

Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Welche Trends beschäftigen aktuell die Branche der kundenspezifischen Klein- und Mikromotoren?

Eugen Elmiger: Ein Trend in unserer Branche ist die Miniaturisierung, also die Entwicklung hin zu kleinen und Kleinstantrieben. Zudem spielt die Sensorik eine zunehmend wichtige Rolle und drittens gewinnt die Vernetzung der Antriebssysteme an Bedeutung, also Themen rund um Internet of Things und Industrie 4.0. Das sind Trends, die die Produktentwicklung betreffen. Dazu kommt noch, dass wir die richtigen Leute für diese Themen brauchen. Denn hier benötigen wir andere, zusätzliche Kompetenzen für die Entwicklung und den Verkauf.

KEM Konstruktion: Das Thema Industrie 4.0 beherrscht derzeit die Schlagzeilen. Welche Herausforderungen muss ein Anbieter von Präzisionsantriebstechnik meistern, um auch in Zeiten der Digitalisierung wettbewerbsfähig zu bleiben?

Elmiger: Die große Herausforderung im Zusammenhang mit der Digitalisierung ist, dass sich der gesamte Produktentwicklungsprozess beschleunigt. Egal in welcher Branche, ob in der Medizintechnik, in Automotive oder in der Luft- und Raumfahrt, die Anwender erwarten, dass wir sie möglichst schnell bedienen können. Das heißt, der schnelle Zugriff auf unsere Konstruktionsdaten ist ein Muss. Aus diesem Grund haben wir unseren Online-Konfigurator entwickelt, über den die Ingenieure des Kunden direkt von ihrem Arbeitsplatz aus auf unsere Daten und Produkte zugreifen und diese konfigurieren können. Damit erhalten Anwender über den Konfigurator ein digitales Modell beispielsweise eines EC-Motors, das sie direkt in ihre Anwendung einpassen und kundenspezifisch anpassen können. Das reale Produkt ist direkt bestellbar. Wichtig ist diesbezüglich, dass wir das Tempo auch in die Prozesse im Anschluss an die Bestellung mitnehmen. Zurzeit gehen die Lieferzeiten in vielen Bereichen stark nach oben, bei uns soll es in die andere Richtung gehen. Was die anderen nicht können, das machen wir.

KEM Konstruktion: Setzen Sie hierfür auch Software-gestützte Engineering-Tools oder Simulationstechniken ein?

Elmiger: Das machen wir natürlich. Wir haben in den letzten zehn Jahren stark in Simulationstechnologie wie FEM, aber auch in Testverfahren investiert. Dadurch können wir unsere Produkte gemäß kundenspezifischer Anforderungen testen. Unsere Möglichkeiten sind hier breit gefächert. Das einfachste Verfahren diesbezüglich ist ein Lebensdauertest, bei dem man den Motor einfach immer in eine Richtung drehen lässt, aber wir haben auch hochdynamische Tests, links-rechts Lauf, Vibrationen oder Temperaturwechseltests von –100 °C bis plus 200 bis 300 °C. Und dann führen wir Schock- und Strahlungstests durch, die insbesondere für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt gefordert werden. Der Grund für die Investitionen in diesem Bereich ist, dass wir nicht nur Standardprodukte verkaufen wollen, sondern spezifisch an den jeweiligen Kunden angepasste Lösungen. Dafür müssen wir sehr tief in die Applikation eintauchen, also gewissermaßen Vorwärts-integrieren. Das ist wichtig, denn einen Motor kann man schnell aus der Anwendung ausbauen. Aber wenn man dann den Sensor ausprägt, die Kabel direkt einbringt und vielleicht noch die Software sowie zusätzlich das HMI programmieren kann, dann wird es erst interessant.

KEM Konstruktion: Antriebe von Maxon Motor werden in vielen Branchen eingesetzt, oft unterliegen sie dabei extremen Umgebungsbedingungen. Fehler dürfen hier nicht auftreten. Wie stellen Sie die Zuverlässigkeit bzw. die Qualität Ihrer Produkte sicher?

Elmiger: Wir arbeiten mit den entsprechenden Test- und Prüfverfahren. Und zwar nicht nur beim Endprodukt, sondern auch bei einzelnen Sub-Komponenten. Zudem integrieren wir unsere Lieferanten in diese Testprozesse. Das heißt, sie sind schon in den Entwicklungsprozess eingebunden, um schon dort die Qualität sicherzustellen. Dann haben wir sogenannte Gates, mit denen wir dafür sorgen, dass Produkte, die mit Qualitätsmängeln aus der Entwicklung kommen, wieder zurück zur Nacharbeit gehen. Natürlich erwarten wir, dass alles beim ersten Mal funktioniert, aber wenn man entwickelt, dann passieren halt Fehler. In der Produktion muss dann alles stimmen, da können wir keine Fehler mehr korrigieren. Denn wenn ein Produkt nicht im Motor eingebaut werden kann, weil beispielsweise bei einer Wicklung der Durchmesser nicht stimmt, muss das vorher abgefangen werden. Um das zu gewährleisten, müssen die Prozesse eine entsprechend hohe Qualität haben. Zusätzlich machen wir bei verschiedenen Projekten etwa in der Luft- und Raumfahrt, wo Nullfehler ein absolutes Muss ist, am Ende eine Hundert-Prozent-Kontrolle und teilweise Lasttests genau so wie es der Kunde will. Wir nennen das Burn-In-Tests, das heißt, das Produkt wird eingefahren und dann erst in der Anwendung verwendet. Ein Beispiel sind dafür Insulinpumpenantriebe. Sie durchlaufen einen Burn-In-Test und gehen erst dann in die Pumpe.

KEM Konstruktion: Unter anderem kommen Ihre Antriebe in der Industrieautomation und Robotik zum Einsatz. Ein Bespiel ist ein Deltaroboter im Pocket-Format. Welche Ihrer Produkte werden hier eingesetzt und welche Aufgaben müssen sie erfüllen?

Elmiger: Delta-Roboter sind hochdynamische Lösungen, daher setzen wir dafür EC-i-Innenläufer-Motoren ein, die wir in Korea produzieren. Die bürstenlosen DC-Gleichstrommotoren haben einen Durchmesser von 40 mm und verfügen über eine Leistung von 50 Watt. Damit der Deltaroboter nicht nur schnell, sondern auch präzise ist, muss zudem die Winkelposition des Motors präzise gemessen werden. Zur Positionserfassung haben wir die Mikromotoren deshalb direkt mit hochauflösenden Drehgebern verbunden. Für die Delta-Roboter werden außerdem optische Sensoren in die Motoren eingesetzt, weil sie viel genauer sind als magnetische. Diese Innenläufer-Motoren sind für diese Applikation prädestiniert und bringen die geforderte hohe Dynamik mit. Außenläufer sind ein bisschen „gemütlicher“, haben dafür aber mehr Leistung. Um sie noch dynamischer zu machen, nutzen wir darüber hinaus teilweise noch andere Magnete und formen das Ganze aus. So wird etwa der Rotor speziell ausgeformt und gebaut.

KEM Konstruktion: Konnten Sie bei diesem Einsatzbeispiel einen Motor aus dem Baukastensystem von Maxon Motor verwenden oder musste eine kundenspezifische Lösung erarbeitet werden?

Elmiger: Grundsätzlich kommen Standardprodukte zum Einsatz. Wenn der Kunde allerdings – wie in diesem Fall – individuelle Wünsche äußert, etwa weil zu wenig Bauraum vorhanden ist, passen wir die Geometrie der Motoren genau in diese Deltaroboter ein. Da wir in der Produktion flexibel sind, können wir das auch. Und das unabhängig davon, ob es um ein Stück geht oder um eine Million.

KEM Konstruktion: Heißt das letzten Endes, dass bei Maxon Motor die Serie ab Losgröße 1 anfängt?

Elmiger: Wir haben schon unsere Spezialfertigung. Dort erarbeiten wir spezielle Lösungen, die wir den Kunden als Erstmuster geben, um zu prüfen, ob das System funktioniert. Danach geht es sehr schnell in die Produktion, wir sind also auch schon mit den ersten Prototypen sehr produktionsnah. Und Losgröße 1 ist bei uns Standard, wie auch alles andere, was spezielle Anforderungen an uns stellt. Über unseren Konfigurator können Kunden beispielsweise jeden Tag ein einzelnes Produkt bestellen und es auch produzieren lassen – also Losgröße 1. Auf der anderen Seite haben wir in Bereichen wie Automotive Stückzahlen von 500.000 oder 600.000 pro Jahr, da muss jeder Prozess automatisiert ablaufen.

KEM Konstruktion: Neben Motoren haben Sie auch Getriebe, Sensoren und Steuerungen im Programm. Ihre EPOS4-Positioniersteuerungen etwa können seit kurzem mittels Ethercat nach CoE-Standard (CAN application layer over Ethercat) kommunizieren. Reagiert maxon motor mit solchen Innovationen auf die Forderung des Marktes nach Industrie-4.0-fähigen Lösungen?

Elmiger: Sicherlich ist das ein Beweggrund, aber letztendlich wünschen sich die Kunden etwas und wir bauen es dann. Ethercat gibt es schon seit langem und wir haben unser Portfolio um diesen Feldbus erweitert. Unsere Positioniersteuerungen der EPOS4-Reihe lassen sich nun mittels einer Erweiterungskarte als Slave in Ethercat-Netzwerke einbinden. Mit dieser Erweiterung weiten wir das Anwendungsfeld nochmals aus – unter anderem für Bereiche, in denen kurze Zykluszeiten in synchronisierten Multiachssystemen zählen. Wir werden in Zukunft darüber hinaus noch weitere Feldbusse anbieten. Der Markt fordert hier eine entsprechende Offenheit, um die Datenraten verarbeiten zu können, die mit den neuen Anwendungen einhergehen. Daher müssen wir unser Angebot diesbezüglich stetig erweitern, sonst werden wir abgehängt und das möchte ich nicht. Vor diesem Hintergrund diskutieren wir auch über Technologien wie OPC-UA TSN.

KEM Konstruktion: Ebenfalls neu sind die Frameless-Flachmotoren für Robotikanwendungen von Maxon Motor. Welche Gründe gab es für die Entwicklung und welche Vorteile haben Kunden davon?

Elmiger: Dabei handelt es sich einfach um Vorwärtsintegration. Wir haben sehr viele Anfragen und Kundenprojekte mit Robotik-Armen und diese Flachmotoren sind unsere Antwort auf die Forderung nach integrierten Produkten. Letztendlich war die Entwicklung dieser Motoren nichts anderes als der zweite Schritt. Wir haben eisenbehaftete Antriebe, Innen- sowie Außenläufer, und jetzt liefern wir diese Flachmotoren in Einzelteilen als Frameless-Kit. Rotor und Stator werden getrennt geliefert – ohne Lagerung und ohne Motorwelle – und erst beim Zusammenbau der Komponenten miteinander verbunden. Das war natürlich nicht so einfach wie es sich jetzt vielleicht anhört. Die Entwicklungsabteilung hatte bei der Umsetzung schon einige Arbeit, etwa die Auslegung der Kugellager oder die Lösung der Frage, wie man einen Motor zusammenbaut, wenn der Rotor magnetisiert ist, was in einem Robotergelenk nicht so einfach zu verarbeiten ist. Zudem wird der Antrieb immer kleiner und muss gleichzeitig eine höhere Leistung erbringen. Und dann sind Scara-Roboter ja nur eine Roboter-Variante. Es gibt zudem auch kleine Roboterarme, humanoide Roboter und vieles mehr; Zusätzlich haben wir unterschiedliche Anwendungsfelder, zum Beispiel in der Industrie oder in der Medizintechnik. In letzterer haben wir beispielsweise Roboter für minimal-invasive Eingriffe. Da verwenden wir sehr kleine Frameless-Antriebe, allerdings sind das noch nicht die kleinsten Versionen, die wir anbieten. Denn gerade in der Medizintechnik muss alles immer kleiner und leistungsfähiger werden.

KEM Konstruktion: Spielt im Bereich der Medizintechnik auch die Prothetik eine Rolle?

Elmiger: Für diesen Bereich gibt es eine Reihe fortgeschrittener Lösungen, die allerdings teilweise noch nicht auf dem Markt sind. In der Prothetik wird derzeit viel geforscht. Wenn ein Mensch einen Körperteil verliert, etwa einen Arm, dann hat dieser ja auch ein bestimmtes Gewicht, also muss der künstliche Arm das gleiche Gewicht haben. Und wenn es sich um ein Kind handelt, dann muss die Prothese ja auch mitwachsen. Das Problem ist momentan, dass die Motoren noch zu groß, zu schwer und zu unhandlich sind. Die Form der Motoren stimmt auch nicht und darum haben wir zum Beispiel bei einem Projekt mitgewirkt, bei dem Motoren in die Prothesen integriert wurden. Entwicklungspartner waren teilweise kleinere Laboratorien oder Mitarbeiter, die an solchen sehnengesteuerten Robotern arbeiten. Wir haben in diesem bereich in den letzten fünf Jahren viel gelernt, und irgendwann gibt es dann den nächsten technologischen Ruck und wir können die ganz kleinen Frameless-Antriebe zeigen sowie Lösungen für Hand-, Arm-, Knie-, Hüft- oder Beinprothesen umsetzen. Auch in Exoskeletten kommen unsere Motoren zum Einsatz. Dieser Bereich umfasst also ein weites Anwendungsspektrum, deshalb waren wir auch beim Cybathlon 2016 in Zürich (siehe Kasten) dabei, einem Event, der betroffene Menschen, Mediziner und Techniker zusammenbringen soll und bei dem in den sechs Disziplinen Armprothesen, Beinprothesen, Exoskelette, motorisierte Rollstühle, elektrisch stimulierte Fahrradrennen sowie virtuelle Rennen mit Gedankensteuerung – Pilotanwendungen für diesen Bereich – vorgestellt werden. Die nächste Veranstaltung wird 2020 wieder in Zürich stattfinden.

KEM Konstruktion: Maxon-Lösungen finden sich in nahezu allen Branchen wieder. Fokussieren Sie dabei auf bestimmte Segmente oder sind alle Branchen gleich wichtig?

Elmiger: Alle Branchen sind gleich wichtig für uns, auch wenn sie von der Größe hinsichtlich Umsatz und Stückzahlen unterschiedlich sind. Aus diesem Grund haben wir vor einem Jahr sogenannte Business Units gegründet und wollen damit auf gewisse Märkte fokussieren. Wir erwirtschaften rund 459 Millionen CHF Umsatz, davon entfallen annähernd 40 bis 45 Prozent auf die Medizintechnik – diesen Bereich bedienen wir mit der Business Unit Medical. Dazu kommt die Industrieautomatisierung mit der Business Unit Industrie Automation, dann die Business Unit Transportation mit hohen Stückzahlen, aber umsatzmäßig kleiner und sehr stark wachsend. In diesem Bereich geht es hauptsächlich um Automotive. Die Business Unit Luft und Raumfahrt bedient ihrerseits einen Bereich, in dem der Umsatz auch eher kleiner ist, aber in diesem Sektor haben wir sehr anspruchsvolle Projekte. Das heißt, hierbei geht es um kleinere Roboter oder Lösungen für die verschiedenen Weltraummissionen. Die fünfte Business Unit schließlich ist ‚E-Mobility, Robotics und Solutions, bei der es um E-Mobilität geht. Ein Projekt in diesem Segment ist der sogenannte Bike-Drive-Fahrradantrieb. Auch hierbei stand wieder der Systemgedanke im Vordergrund: Kommunikation mit dem Kunden, Sensorik, Antrieb, Elektronik, Batterietechnologie. Wir haben das ganze System selbst entwickelt, sogar das Batterie-Managementsystem. Wichtig dabei war die Klärung der Frage, wie man die Batterie mit unserer eisenlosen Technologie managt. Die Antriebssysteme reagieren anders, sie haben andere Induktivitäten, andere Charakteristiken und das war schon eine Herausforderung: Sie haben ein unabhängiges System – das fährt zwar noch nicht autonom, was der nächste Schritt wäre – aber wenn man auf einem E-Bike unterwegs ist, müssen die Fahrer die Batterie beziehungsweise deren Ladezustand managen. Sie haben Sensorik und Elektronik voll integriert, und wenn die Sensorik mit dem Menschen zusammen nicht funktioniert, dann haben Sie ein Problem. Im Prinzip haben wir hier eine Mensch-Maschine-Verbindung, die funktionieren muss. Wir arbeiten deshalb derzeit zusammen mit verschiedenen Hochschulen an Fahrrädern mit Abstandssensoren. Solche Entwicklungen werden von Profi-Rennställen getrieben, die so etwas gern bei den großen Rundfahrten einsetzen würden, um Unfälle zu vermeiden.

KEM Konstruktion: Insbesondere in der Raumfahrt hatten Sie in den letzten Jahren einige „Leuchtturm-Projekte“. So waren bei fünf Mars-Missionen Maxon-Motoren mit an Bord. Wie kam Ihr Unternehmen zu seiner Weltraum-Expertise und welche Herausforderungen müssen Sie erfüllen, um Ihre Motoren weltraumtauglich zu machen? Und haben NASA und ESA unterschiedliche Anforderungen?

Elmiger: Fangen wir mit der letzten Frage an. Es sind unterschiedliche Leute, unterschiedliche Kulturen. Die Anforderungen sind zwar ähnlich, aber die Projektabwicklung ist unterschiedlich. Wie sind wir zu unserer Expertise in diesem Bereich gekommen? Wir waren schon in den 1980er Jahren an einem Raumfahrt-Projekt beteiligt und dann kam 1997der Durchbruch: der Rover Sojourner, der von Maxon-DC-Motoren angetrieben wurde. Dann kamen die Zwillings-Rover Spirit und Opportunity, in denen ebenfalls unsere DC-Motoren zum Einsatz kamen. Pro Rover sind 35 dieser Präzisionsantriebe eingesetzt worden und waren für den Antrieb der sechs Räder, den Steuerungsmechanismus, den Gesteinsbohrer, den Roboterarm und die Kameras zuständig. Dann folgte der Mars-Rover Curiosity, in dessen elektromechanischen Gelenken Maxon-MR-Encoder zum Einsatz kamen. Sie waren für die Steuerung der Motoren verantwortlich. Zudem waren wir auch bei verschiedenen ESA-Projekten mit dabei. Die nächsten Projekte, die für 2020 geplant sind, sind sowohl für die ESA als auch die NASA, was eine große Herausforderung ist, weil unsere Leute beide Projekte zum gleichen Zeitpunkt fertigstellen müssen. Und dafür wird viel Papier generiert und viele Tests müssen gefahren werden, es ist also nicht einfach. Und wir machen immer mehr. Wenn wir auf den Sojourner zurückblicken, da haben wir lediglich elf Motoren mit einem Durchmesser von 16 mm geliefert, das war es dann. Damals haben wir sehr viel von der NASA gelernt in Sachen Entwicklung weltraumtauglicher Lösungen, denn 99,9% unserer Produkte verkaufen wir auf der Erde und die Wissenschaftler der NASA kennen sich natürlich mit den Bedingungen im Weltraum aus. Heute haben wir diesbezüglich eigene Kompetenz sowohl in Sachseln als auch in Deutschland, wo wir die Getriebe produzieren und wo wir über einen speziellen „Space-Reinraum“ verfügen, in dem wir die Produkte entsprechend der geforderten Kriterien zusammenbauen. Wir haben ein Labor massiv ausgebaut, um die Produkte auch entsprechend bei tiefen und hohen Temperaturen testen zu können. Außerdem können wir auch Vibrationen simulieren. Das alles hatten wir vor zwanzig Jahren noch nicht. Heute sind wir der Ansprechpartner für NASA, ESA und die JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), aber auch für die Indian Space Research Organisation (ISRO) usw. Und wir sind in vielen Projekten dabei, denn die Agenturen wissen, dass wir ein zuverlässiger Partner sind.

www.maxonmotor.com

www.maxonmotor.de

Details zum Einsatz von maxon-Motoren in Delta-Robotern:

hier.pro/3Mi6Y


„Grundsätzlich kommen Standardprodukte zum Einsatz. Wenn der Kunde allerdings individuelle Wünsche äußert, passen wir die Geometrie der Motoren genau ein.“

Eugen Elmiger, CEO Maxon Motor ag, Sachseln, Schweiz
Bild: Philipp Schmidli/Konradin Mediengruppe

„Um Zuverlässigkeit und Qualität sicherzustellen, integrieren wir unsere Lieferanten in die Testprozesse.“

Eugen Elmiger, CEO Maxon Motor ag, Sachseln, Schweiz
Bild: Philipp Schmidli/Konradin Mediengruppe

„Die Vernetzung der Antriebssysteme gewinnt an Bedeutung, also Themen rund um Internet
of Things und Industrie 4.0.“

Eugen Elmiger, CEO Maxon Motor ag, Sachseln, Schweiz
Bild: Philipp Schmidli/Konradin Mediengruppe
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