-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Metall- oder Keramikpulver-Presse mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. auf ein Steuerverfahren dafür.
-
Zum Herstellen von komplex strukturierten metallischen oder keramischen Teilen, beispielsweise Zahnrädern, ist der Einsatz von Pressen zum Verpressen eines metallischen und/oder keramischen pulverförmigen Materials allgemein bekannt, wie beispielsweise aus
DE 101 35 523 C2 . Mittels eines Pressantriebes wird eine oberseitige und eine unterseitige Stempelanordnung relativ zu einer Matrizenöffnung einer Matrize verstellt, um in die Matrizenöffnung eingebrachtes Pulver bzw. Granulat mittels der Stempelanordnung zu einem Pressteil zu pressen. Mit Blick auf die sehr hohen Presskräfte und die hohe Energiemenge, welche dafür erforderlich sind, werden zum Antreiben solcher Pressen hydraulische oder mechanische Antriebe verwendet.
-
Gattungsfremd bekannt ist aus
DE 36 25 420 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung keramischer Formteile, bei welcher in einem Formkasten unter Einsatz einer elektromotorisch angetriebenen Spindelpresse Formsteine gepresst werden, welche beispielsweise zur Verkleidung von Öfen dienen. Derartige keramische Materialien und zu erzielende Pressteile stellen jedoch gänzlich andersartige Anforderungen an Aufbau und wirkende Kräfte sowie Leistungsbedarf an die Pressen als im Fall von Pressen, mit welchen hochkomprimierte und harte Pressteile aus metallischem oder keramischem Material zu pressen sind.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Metall- oder Keramikpulver-Elektropresse und ein Steuerverfahren dafür bereitzustellen, welche das Pressen von Pressteilen aus keramischen und/oder metallischen Material bei reduzierter Strom-Bereitstellungsleistung aus einem Versorgungsanschluss eines insbesondere öffentlichen Versorgernetzes ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Metall- oder Keramikpulver-Elektropresse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Steuerverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
-
Bevorzugt wird demgemäß eine Metall- oder Keramikpulver-Elektropresse mit zumindest einem Pressantrieb, der zum Antreiben einer Stempelanordnung zum Pressen eines Pulvers und/oder Granulats in einer Matrize zu einem Pressteil ausgestaltet ist, mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des zumindest einen Pressantriebs und Pressablaufs und mit einem Strom-Versorgungsanschluss, der einen Versorgungsstrom bereitstellt, wobei zwischen den Strom-Versorgungsanschluss und den zumindest einen Pressantrieb ein Zwischenkreis mit einer Energie-Speichereinrichtung zum Versorgen des Pressantriebs mit einem Antriebsstrom geschaltet ist.
-
Ein solcher Zwischenkreis mit einer Energie-Speichereinrichtung löst das Problem, eine enorme elektrische Leistung für jeden einzelnen Pressablauf für eine kurze Zeitdauer bereitstellen zu müssen. Durch eine Zwischenspeicherung elektrischer Energie kann gemäß ersten Schätzungen eine externe Bereitstellungsleistung aus dem Leistungsbereich von lediglich beispielsweise 120 bis 150 kW auf 3 bis 7 kW reduziert werden. Ein solches Zwischennetz kann enorme kurzzeitige Leistungsspitzen abdecken, so dass insbesondere im Fall der Versorgung über ein externes öffentliches Versorgernetz keine sehr hohen Bereitstellungskosten für die maximal erforderliche Bereitstellungsleistung aufgewendet werden müssen. Ermöglicht wird somit das Pressen metallischer und/oder keramischer Pressteile aus dem Bereich des Werkzeugbaus mittels einer Presse, deren Haupt-Pressantrieb elektrisch betrieben wird, wobei Presskräfte nicht nur in Kraftbereichen von 50–1500 kN, sondern auch von 10.000 kN, 15.000 kN, 20.000 kN oder mehr bei zugleich hohen Hubzahlen erzielbar sind.
-
Soweit der Begriff ”Strom” verwendet wird, ist äquivalent dazu auch der Begriff ”Spannung” zu sehen. Unter dem Begriff Pulver ist dabei allgemein nicht nur ein rein pulverförmiges, sondern auch ein granulatförmiges zu verpressendes Material oder ein Gemisch zu verstehen, wobei dies auch für die vorliegende Schrift gilt.
-
Insbesondere ist der Zwischenkreis mit der Energie-Speichereinrichtung durch die Steuereinrichtung schaltbar zum Aufnehmen oder Zwischenspeichern eines Rückspeisestroms, der von dem Pressantrieb oder von einer an den Pressenkomponenten angeordneten Bremse erzeugt wird. Die Möglichkeit, Strom bzw. Energie in das Zwischennetz bzw. den Zwischenkreis rückspeichern zu können, bewirkt eine sehr hohe Energieeinsparung. Beim Betrieb derartiger Anlagen ist der größte Energiebetrag erforderlich, um die diversen Komponenten zwischen dem Pressantrieb und den Pressstempeln in Bewegung zu versetzen. Lediglich ein demgegenüber sehr kleiner Energiebedarf ist notwendig, um das Pulver bzw. Granulat in der Matrizenöffnung zu verpressen. Effektiv kann durch den Einsatz eines Zwischenkreises gemäß erster Schätzungen ein aus dem Versorgernetz bereitzustellender maximaler Anschlussstrom um 95% reduziert werden.
-
Durch die Möglichkeit des Rückspeisens wird außerdem eine sehr große Abwärmemenge vermieden, welcher ansonsten beim Abbremsen und Zurückfahren der Pressenkomponenten nach dem Pressen entstehen würde.
-
Insbesondere elektromotorische Antriebe, welche eine Rückspeisung von Strom ermöglichen oder elektromagnetische Wirbelbremsen, welche eine entsprechende Rückspeisung von Strom ermöglichen, ermöglichen daher im Vergleich zu üblichen hydraulischen Pressen eine Reduzierung der erforderlichen Energie während eines Presszyklus. Umgewandelt wird somit ein großer Anteil der Energie, welche für Beschleunigung und Abbremsen von Pressenkomponenten erforderlich ist. Gemäß erster Kalkulationen führt eine Rückspeisung in einen solchen Zwischenkreis zu einer Einsparung von bis zu mehr als 80% an effektiv verbrauchter Energie.
-
Eigenständig vorteilhaft ist eine Pressenanordnung mit einer solchen Presse, wenn die Pressenanordnung zumindest eine weitere solche Presse aufweist, wobei die Energie-Speichereinrichtung wahlweise zum Versorgen der Pressantriebe aller der Pressen mit dem Antriebsstrom schaltbar ist. Vorteilhaft kann mit einer solchen Pressenanordnung durch einen einzigen Zwischenkreis mit einer Energie-Speichereinrichtung nicht nur eine einzelne Presse, sondern eine größere Anzahl an Pressen zugleich betrieben werden. Dies reduziert Raumbedarf für Komponenten des Zwischenkreises und der Energie-Speichereinrichtung sowie deren Bereitstellungskosten.
-
Bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer der Pressen steuert die Steuereinrichtung die Pressantriebe der Pressen bevorzugt derart an, dass beim Versorgen einer der Pressen mit dem Antriebsstrom von zumindest einer anderen der Pressen gleichzeitig ein/der Rückspeisestrom erzeugt und dem Zwischenkreis mit der Energie-Speichereinrichtung zugeführt wird. Eine Anordnung, welche den Einsatz von Rückspeisestrom zum direkten Verwenden als Antriebsstrom in einer anderen Presse ermöglicht, reduziert den Bedarf an Leistung, welche aus Batterien, Akkumulatoren, Induktionsspulen, elektrischen Schwungrädern oder sonstigen Energie-Speichereinrichtungen oder gleichzeitig aus einem Versorgungsanschluss zum gleichzeitigen Betreiben mehrerer Pressen erforderlich ist.
-
Bei einer solchen Presse oder Pressenanordnung weist die Energie-Speichereinrichtung zum Speichern und Bereitstellen des Antriebsstroms bevorzugt Kondensatoren auf. Kondensatoren, welche eine derart große Leistung bereitstellen können, nehmen zwar einen sehr großen Raumbedarf in Anspruch, bieten aber den Vorteil einer sehr schnellen Bereitstellung auch großer Strommengen als Antriebsstrom.
-
Eigenständig vorteilhaft ist ein Steuerverfahren einer Metall- oder Keramikpulver-Elektropresse, bei dem von einer Steuereinrichtung einem Pressantrieb zum Antreiben einer Stempelanordnung zum Pressen eines Pulvers und/oder Granulats in einer Matrize zu einem Pressteil ab einem Pressbeginn ein Antriebsstrom angelegt wird, wobei der Antriebsstrom aus einem Zwischenkreis mit einer Energie-Speichereinrichtung bereitgestellt wird und wobei der Zwischenkreis mit einer Energie-Speichereinrichtung zwischen einen Strom-Versorgungsanschluss, der einen Versorgungsstrom bereitstellt, und den Pressantrieb geschaltet ist.
-
Bevorzugt wird ein von dem Pressantrieb oder einer Bremse erzeugter Rückspeisestrom in dem Zwischenkreis mit der Energie-Speichereinrichtung aufgenommen oder zwischengespeichert.
-
In einer Pressenanordnung mit zumindest zwei solcher Pressen können deren Pressantriebe verfahrensgemäß bevorzugt zeitlich versetzt mit dem Antriebsstrom versorgt werden. Bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer der Pressen können die Pressantriebe der Pressen derart angesteuert werden, dass beim Versorgen einer der Pressen mit dem Antriebsstrom von zumindest einer anderen der Pressen der Rückspeisestrom erzeugt und dem Zwischenkreis mit der Energie-Speichereinrichtung zugeführt wird.
-
Bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer der Pressen mit zueinander verschiedenen Presszyklusdauern können vorteilhaft für eine oder mehrere der Pressen Zwangspausen in deren Presszyklus geschaltet werden. Solche Zwangspausen können z. B. dann geschaltet werden, wenn ansonsten zwei oder mehr der Pressen gleichzeitig Antriebsstrom ziehen würden oder sogar gleichzeitig mit einem Presszyklus beginnen würden. Selbst mit unterschiedlichen Taktzyklen arbeitende Pressen in einer großen Produktionsanlage zur Herstellung verschiedenartiger Pressteile können dadurch so betrieben werden, dass eine Reduzierung sowohl der maximal erforderlichen Bereitstellungsenergie als auch des effektiven Stromverbrauchs bewirkt werden können.
-
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 schematisch verschiedene Komponenten einer Metall- oder Keramikpulver-Elektropresse, einer Steuereinrichtung sowie eines Strom-Versorgungskonzeptes und
-
2 eine solche Anordnung mit einer Vielzahl von derartigen Pressen.
-
Wie aus 1 ersichtlich, besteht eine beispielhafte Presse 1, welche als eine Metall- oder Keramikpulver-Elektropresse aufgebaut ist, im Wesentlichen aus für sich genommen bekannten Komponenten. Ein Pressensockel 10 stützt über Führungsstangen 11 einen oberen Pressenaufbau ab. An den Führungsstangen 11 ist eine Matrize 12 fest befestigt oder längs der Führungsstangen 11 verschiebbar gelagert. Die Matrize 12 weist eine zentrale Matrizenöffnung auf, in welche zu dem Pressteil zu pressendes Pulver oder Granulat eingefüllt wird. Das Pulver ist in der Matrizenöffnung durch Stempel verpressbar, welche von unten bzw. oben in die Matrizenöffnung hineinragen. Die von oben in die Matrizenöffnung ragenden Stempel sind an einer Oberstempelanordnung 13 befestigt, welche von einem oberseitigen Pressantrieb nach unten bzw. oben verstellbar ist. Die unterseitigen Stempel sind an einer Unterstempelanordnung 14 befestigt, welche unterhalb der Matrizenöffnung angeordnet ist. Je nach Ausgestaltung können Oberstempelanordnung 13 und Unterstempelanordnung 14 direkt in dem Pressengestell angeordnet sein oder in einem Adapter angeordnet sein, wie dies für sich genommen bekannt ist. Zum Verstellen der Oberstempelanordnung 13 und zum Aufbringen der Presskraft dient der elektromotorisch angetriebene Pressantrieb 2. Dieser ist vorzugsweise über eine Spindelanordnung 20 mit den Komponenten der Oberstempelanordnung 13 verbunden.
-
Entweder der Pressantrieb 2 selber oder eine zusätzlich angeordnete Bremse, vorzugsweise in Art einer Wirbelstrombremse, dienen zum Abbremsen der Bewegungen der Komponenten der Oberstempelanordnung 13 und gegebenenfalls auch der Unterstempelanordnung 14.
-
Zur Versorgung des Pressantriebs 2 mit einem Antriebsstrom Ia dient eine Energiebereitstellungsanordnung 3. Die Energiebereitstellungsanordnung 3 ist an einen Strom-Versorgungsanschluss 4 angeschlossen. Bei dem beispielhaft dargestellten Strom-Versorgungsanschluss 4 handelt es sich um ein öffentliches Stromnetz, wobei aber auch andere Versorgungssysteme bis hin zu einem eigenen Generator einsetzbar sind.
-
Außerdem weißt die Energiebereitstellungsanordnung 3 eine Energie-Speichereinrichtung 30 auf, welche vorzugsweise einen Kondensator oder eine Vielzahl von Kondensatoren aufweist.
-
Eine Steuereinrichtung C dient dazu, den Pressantrieb 2 mit dem Antriebsstrom Ia zu versorgen und einen Versorgungsstrom Il von dem Strom-Versorgungsanschluss 4 der Energie-Speichereinrichtung 30 bzw. deren Kondensatoren anzulegen. Die Steuerung erfolgt dabei so, dass von der Energie-Speichereinrichtung 30 jeweils genügend Antriebsstrom Ia für zumindest einen Presszyklus an den Pressantrieb 2 angelegt werden kann. Die Kondensatoren der Energie-Speichereinrichtung 30 sind entsprechend an zumindest diesen Bedarf auszulegen. Dadurch, dass zwischen einzelnen Antriebsvorgängen des Pressantriebs 2 jeweils ein Entformen des gepressten Pressteils K und ein Nachfüllen von Pulver aus einem Pulverbehälter P erfolgt und die einzelnen Komponenten der Oberstempelanordnung 13 und der Unterstempelanordnung 14 relativ zu der Matrize 12 zeitaufwendig verstellt werden, besteht ausreichend Zeit, den während des Pressens verlorengegangenen Stromanteil durch Nachladung von Versorgungsstrom Il vom Strom-Versorgungsanschluss 4 in die Energie-Speichereinrichtung 30 auszugleichen.
-
Besonders bevorzugt wird, wenn von dem Pressantrieb 2 und/oder einer Bremse ein Rückspeisestrom Ir erzeugt wird, welcher ebenfalls der Energie-Speichereinrichtung 30 zugeführt wird. Dadurch wird durch die Steuereinrichtung C ein Zwischenkreis 5 aufbaubar, welcher nach einem Aufladen der Kondensatoren der Energie-Speichereinrichtung 30 einen kontinuierlichen Pressbetrieb ermöglicht, wobei jeweils nur die Strommenge als Versorgungsstrom Il aus dem Strom-Versorgungsanschluss 4 bezogen werden muss, welche während eines Presszyklus effektiv verloren geht. Ein Großteil des beim nächsten Presszyklus verwendeten Antriebsstrom Ia entstammt aus dem zurückgewonnenen Rückspeisestrom Ir, welcher in den Kondensatoren der Energie-Speichereinrichtung 30 zwischengespeichert ist.
-
In 1 ist ein zeitliches Ablaufdiagramm skizziert, bei welchem oberhalb der fortschreitenden Zeit t ein Strom I abgebildet ist. Zu einem ersten Zeitpunkt wird davon ausgegangen, dass zu verpressendes Pulver in die Matrizenöffnung eingefüllt ist. Mit darauf beginnendem Pressbeginn t0 wird dem Pressantrieb 2 der Antriebsstrom Ia zugeführt, bis der Pressvorgang abgeschlossen ist. Anstelle eines sinusförmig verlaufenden Stromverlaufs kann natürlich auch jegliche andere für den konkreten Pressvorgang erforderliche Zuführung geeigneter Strommengen erfolgen, beispielsweise auch in Art eines rampenförmig ansteigenden Stroms bis zum Ende des Pressvorgangs, welcher als Pressende t1 skizziert ist. Spätestens mit dem Pressende t1 wird kein Antriebsstrom Ia mehr zugeführt, sondern anstelle dessen der Rückspeisestrom Ir gewonnen und der Energie-Speichereinrichtung 30 zugeführt. Während der nachfolgenden Zeit ist ein Entform- und Befüllzeit-Zeitfenster t2 vorgesehen, in welchem das Pressteil K aus der Presse entfernt wird und neues Pulver aus dem Pulverbehälter P in die Matrizenöffnung nachgefüllt wird. Danach beginnt der Presszyklus erneut mit einem weiteren Pressbeginn t0'. Lediglich schematisch skizziert ist erkennbar, dass ein während des Presszyklus vorzugsweise kontinuierlich zuzuführender Versorgungsstrom Il vorzugsweise deutlich kleiner ist als der Strombetrag des Antriebsstroms Ia und auch des Rückspeisestroms Ir.
-
2 zeigt eine besonders bevorzugte Ausgestaltung, bei welcher zusätzlich zu den in 1 dargestellten Komponenten eine oder mehrere weitere Pressen 1*, 1° an die Energiebereitstellungsanordnung 3 angeschlossen sind. Bezüglich der bereits anhand 1 beschriebenen Komponenten und Verfahrensweisen wird auf die Ausführungen zu 1 verwiesen.
-
Bei dieser Ausgestaltung ist der Zwischenkreis 5 deutlich komplexer ausgestaltbar und mittels der Steuereinrichtung C so steuerbar, dass trotz einer großen Vielzahl an Pressen 1, 1*, 1° eine relativ gering dimensionierte Energie-Speicheranordnung 30 zum Betrieb der vielen Pressen 1, 1*, 1° ausreicht. Ausgenutzt wird dabei verfahrensgemäß, dass die Presszyklen der einzelnen Pressen 1, 1*, 1° so aufeinander synchronisiert sind, dass vorzugsweise immer dann, wenn eine Presse 1 mit dem Rückspeisen ihres Rückspeisestroms Ir beginnt, eine andere der Pressen 1* mit dem eigentlichen Pressvorgang beginnt und Antriebsstrom Ia* aus dem Zwischenkreis 5 zieht. Zum Betrieb von zwei solcher Pressen 1, 1* reicht daher eine lediglich geringfügig größer dimensionierte Energie-Speichereinrichtung 30 als beim Einsatz nur einer Presse 1 aus. Dies ist möglich, da ein Großteil des Antriebsstrom Ia* der zweiten Presse 1* zwar aus der Energie-Speichereinrichtung 30 entnommen wird, jedoch gleichzeitig in der Energie-Speichereinrichtung 30 durch den Rückspeisestrom Ir aus der anderen Presse 1 ein Teil der abgezogenen Ladungsmenge wieder ersetzt wird.
-
Im Vergleich zu der Ausgestaltung aus 1 ist lediglich ein Anstieg des Versorgungsstroms Il erforderlich, da dieser den tatsächlichen Energieverlust aus nun zwei Pressen 1, 1* ausgleichen muss.
-
Werden noch weitere Pressen 1° eingesetzt, so werden deren Presszyklen vorzugsweise zeitlich so organisiert, dass deren Antriebsstrom Ia° zu einer Zeit abgezogen wird, zu welcher im Zwischenstromkreis 5 möglichst viel Rückspeisestrom Ir, Ir* bereitsteht, bzw. von diesen noch weiteren Pressen 1° deren Rückspeisestrom Ir° zu einem in einem Zeitraum eingespeist wird, in welchem von der oder den anderen Pressen 1, 1* Strom als Antriebsstrom Ia, Ia* aus dem Zwischenkreis 5 gezogen wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Presse als Metall- oder Keramikpulver-Elektropresse
- 10
- Pressensockel
- 11
- Führungsstangen
- 12
- Matrize
- 13
- Oberstempelanordnung
- 14
- Unterstempelanordnung
- 2
- Pressantrieb und Bremse
- 20
- Spindelanordnung
- 3
- Energiebereitstellungsanordnung
- 30
- Energie-Speichereinrichtung
- C
- Steuereinrichtung
- 4
- Strom-Versorgungsanschluss
- 5
- Zwischenstromkreis
- I
- Strom
- Ia, Ia*, Ia°
- Antriebsstrom
- Il
- Versorgungsstrom
- Ir, Ir*, Ir°
- Rückspeisestrom
- K
- Pressteil
- P
- Pulverbehälter
- t
- Zeit
- t0, t0'
- Pressbeginn
- t1
- Pressende
- t2
- Entform- und Befüllzeit-Zeitfenster
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10135523 C2 [0002]
- DE 3625420 A1 [0003]
