Der Trend zu schaltschranklosen Maschinen

Der Markt für dezentrale Antriebstechnik teilt sich traditionell in zwei unterschiedliche Segmente: einerseits in Motoren mit integrierten Servoreglern und andererseits in dezentrale Servoregler die in der Nähe des Motors platziert werden, den sie antreiben. Der Hauptunterschied zwischen einem integrierten Motor und einem dezentralen Servoregler besteht darin, dass bei ersterem die Regelungselektronik physisch auf der Ober- oder Rückseite der Motoren integriert ist, während der dezentrale Servoregler in der Nähe des Motors montiert wird. Bei letzteren sind zusätzliche Leistungs- und Geberkabel erforderlich, die den Motor mit dem Servoregler verbinden, während bei ersteren diese Verbindungen innerhalb des integrierten Motors ausgeführt sind. Die Montage der Regelungselektronik direkt an der angetriebenen Motoren und Achsen oder in der Nähe, kann den Verkabelungsaufwand erheblich reduzieren und einen Schaltschrank ganz überflüssig machen.

Die dezentrale Antriebstechnik wird für jene OEMs immer wichtiger, die unter starkem Druck stehen, den Platzbedarf ihrer Maschinen und die Kosten zu senken. Für einige sind integrierte Motoren im Grunde die Standardoption, wenn sie über ein schaltschrankloses Maschinendesign nachdenken.

Wenn man die Trends untersucht, die OEMs und Maschinenbauer zur Dezentralisierung veranlassen, kann man die potenziellen Vorteile und Herausforderungen besser verstehen, die integrierte Motoren in verschiedenen Branchen und Anwendungen bieten.

Die Zukunft der dezentralen Antriebstechnik

Die Zukunftsaussichten für den Markt der dezentralen Antriebstechnik sind gut: Prognosen zufolge soll der Anteil des Sektors am Gesamtmarkt für Servoantriebe zwischen 2021 und 2026 von 2 auf 5 Prozent steigen und damit deutlich stärker wachsen als der Gesamtmarkt. Die neuesten Zahlen des globalen Marktforschungsunternehmens Interact Analysis prognostizieren für den Markt der dezentralen Antriebstechnik im gleichen Fünfjahres-Zeitraum eine kumulierte jährliche Wachstumsrate von 12 Prozent. Im Vergleich dazu wird für alle anderen Segmente des Servomarktes zwischen 2021 und 2026 eine kumulierte jährliche Wachstumsrate von 6 bis 8 Prozent prognostiziert, wobei Mehrachs-Servoantriebe am oberen Ende dieser Prognose und Standard-Servomotoren am unteren Ende liegen.

Laut Tim Dawson, Senior Research Director und Leiter des Bereichs Motion Control bei Interact Analysis, hat der Markt für dezentrale Antriebe 2021 einen Wert von 381 Millionen US-Dollar erreicht und soll bis 2026 auf fast 700 Millionen US-Dollar anwachsen. Das künftige Wachstum auf dem Markt für dezentrale Antriebstechnik sei in Branchen wie der Verpackungsindustrie, der Intralogistik und der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung besonders stark. Es handelt sich dabei um Branchen, in denen komplexere Maschinen mit moderner Antriebstechnik und vielen Servoachsen eingesetzt werden und daher ein modulares Konzept vorteilhaft ist. „Man sollte bedenken, dass insbesondere die Verpackungsbranche eine Wachstumsbranche ist, in der Unternehmen ihre Konzepte häufiger überarbeiten als in anderen Branchen, sodass sich Trends und Innovationen schneller durchsetzen“, so Dawson. Er verweist hierbei auch auf den zunehmenden Bedarf an Niederspannungsprodukten (<100V) in bestimmten Branchen, die einen sicheren Spannungsbereich erfordern, einschließlich der Verpackungsindustrie, der Intralogistik, Medizin- und Laborgeräte, Halbleiter- und Elektronikfertigung sowie kollaborative und mobile Roboter.

US-Markt wächst besonders schnell

In Europa sind dezentrale Lösungen seit langem beliebt, da die Platzersparnis in Fabriken aufgrund der hohen Grundstückskosten schon immer ein wichtiges Anliegen der Endkunden war. Zunehmend wünschen sich jetzt auch US-Kunden kompaktere dezentrale Maschinen. „In der Vergangenheit war die Nachfrage in Nord- und Südamerika geringer, weil der amerikanische Markt von den USA bestimmt wird, wo Platz und Flächen weniger begrenzt sind, sodass die Fabriken häufig größer sind“, erklärt Dawson. „Man sollte bedenken, dass die Verpackungsbranche selbst eine Wachstumsbranche ist, in der die Unternehmen ihre Konzepte häufiger überarbeiten als in anderen Branchen, sodass sich Trends und Innovationen schneller durchsetzen“, so Dawson Aufgrund des historisch bedingten Mangels an dezentraler Maschinenarchitektur auf dem US-Markt sorgt die Modularisierung dort für ein besonders schnelles Wachstum.

Zudem fordern die Entscheidungsträger zunehmend Kostensenkungen, wo immer möglich, als Reaktion auf die Inflation und den wirtschaftlichen Druck, der durch anhaltende Probleme in der Lieferkette und die abschwächende Konjunktur entsteht. Dieser Druck zur Kostensenkung macht den Schritt hin zum dezentralen Antrieb und den damit einhergehenden niedrigeren Herstellungs- und Betriebskosten wichtiger denn je.

Motion Control ohne Schaltschrank

Ein wichtiger Trend auf dem Markt für dezentrale Antriebe ist, dass die Kunden dazu übergehen, die Hauptservoachsen der Maschinen zu dezentralisieren. Ursprünglich lag der Schwerpunkt der Dezentralisierung vor allem auf einer Reihe von weniger anspruchsvollen Basisanwendungen, wie etwa Hilfs- und Serviceachsen, bei denen Antriebe mit kleinerer Leistung und geringer Performance ausreichend waren. Da jedoch die Nachfrage nach höherer Leistung steigt, werden moderne dezentral ausgelegte Antriebe entwickelt, die diese Anforderungen erfüllen.

Der Bereich der schaltschranklosen Maschinen entwickelt sich also ähnlich wie der der gesamte Maschinenbau, wobei die technischen Anforderungen immer anspruchsvoller werden, da die Kunden auf leistungsstärkere dezentrale Antriebe bestehen. OEMs fordern zunehmend dezentrale Antriebe, die verschiedene Feldbusse unterstützen und moderne funktionale Sicherheitsfunktionen bieten. Letztendlich wird die Nachfrage am Markt bestimmen, dass die heute in Schaltschrankantrieben angebotene Sicherheitstechnik und -funktionen auch in dezentralen Antrieben verfügbar gemacht werden – vom sicheren Stopp 1 (SS1) bis zur sicher begrenzten Geschwindigkeit (SLS). Moderne integrierte Servomotoren, wie sie von STXI Motion entwickelt werden, eröffnen neue Möglichkeiten für Highend-Anwendungen, die traditionell für dezentrale Antriebe ungeeignet waren – insbesondere dadurch, dass sie sowohl den Hilfs- als auch den Hauptservoachsen eine höhere Leistung und Performance verleihen.

Der konventionelle Schaltschrankbau erfordert heute einen hohen Anteil an Handarbeit, was einen erheblichen Kostenfaktor und eine potenzielle Fehlerquelle darstellt. Zentralisierte Schaltschränke erfordern zeitaufwändige manuelle Installationen und Verkabelungen, einschließlich der Verlegung langer Kabel durch die Maschine, die viel Platz beanspruchen und die Störanfälligkeit erhöhen. Das führt oft zu teuren Maschinenkonstruktionen und hohen Produktionskosten.

Die Entscheidung für dezentrale statt zentraler Lösungen hängt in der Regel von der Konstruktionsphilosophie des Maschinenbauers ab. Dennoch gibt es zwei Hauptgründe, warum eine Dezentralisierung sowohl aus finanzieller als auch aus technischer Sicht sinnvoll sein kann. Erstens bei Maschinen mit einer großen Zahl an Achsen, die in der Praxis meist lang sind und etwa in der Intralogistik, der Verpackungsindustrie, in Druckereien, der Holzverarbeitung oder der Textilindustrie eingesetzt werden. Die dezentrale Anordnung des Antriebs mit mehreren Achsen bei langen Maschinen bietet die größten Einsparungen bei der Installation, Verdrahtung und Verkabelung; sie verkürzt die Maschineninstallation um bis 40 Prozent und reduziert gleichzeitig den Platzbedarf und die konstruktiven Zwänge der Maschine.

Zweitens bei Anwendungen, bei denen der Motor direkt auf der Achse montiert ist, die er bewegt, beispielsweise bei einem Drehtisch oder einem kartesischen System, bei denen der Motor auf einer beweglichen Achse montiert ist. Bewegt sich der Motor, müssen sich auch die Kabel mitbewegen, was die Komplexität der Mechanik (z.B. Kabelträger oder Schleifringe) und die Wahrscheinlichkeit von Materialverschleiß und -ermüdung erhöht. Der Einsatz integrierter Motoren in diesen Anwendungen reduziert die Komplexität erheblich, da die Anzahl der Kabel, Energieketten und Schleifringe stark verringert werden kann. Folglich werden durch weniger Strom- und Signalleitungen der Platzbedarf und die Fehlerquellen reduziert.

Ferner ist die Verwendung von Kunststoffteilen und Kabelisolierungen in Reinräumen, in denen die Konzentration luftgetragener Teilchen kontrolliert wird, problematisch. Der Vorteil einer dezentralen Lösung in diesem Szenario besteht darin, dass im Vergleich zu allen anderen möglichen Lösungen deutlich weniger Verkabelungsaufwand nötig ist.

Der naheliegendste Grund für die Umstellung auf einen dezentralen Antrieb ist die Kostensenkung. Die Rentabilität einer Lösung zur dezentralen Antriebstechnik lässt sich am besten unter dem Aspekt der Gesamtbetriebskosten betrachten.

Eine Lösung mit dezentraler Antriebstechnik spart Geld vom Beginn des Konstruktionsprozesses über den Produktionszyklus bis hin zu den Betriebskosten beim Endkunden. Material- und Arbeitskosten sinken durch die vereinfachte Verkabelung und die Reduktion der zeit- und kostenintensiven Installation des Schaltschranks, insbesondere das Abisolieren, das Setzen von Aderendhülsen und das Anklemmen. Darüber hinaus werden die Betriebskosten der Maschine vermindert, indem z.B. die Notwendigkeit entfällt, den Schaltschrank mit energieintensiven Klimaanlagen zu kühlen. Über die direkten finanziellen Einsparungen hinaus entstehen zusätzliche Nutzen, wie etwa die Einsparung von Produktionsfläche aufgrund einer geringeren Stellfläche und die Möglichkeit, modulare Maschinen einfacher zu konstruieren.

Da immer mehr OEMs die Hauptmaschinenachsen dezentralisieren und die Nachfrage nach modular ausgelegten Maschinen weiter steigt, wächst der Bedarf an modernen dezentralen Lösungen stark. Auf seiner Web-Seite informiert STXI ausführlich darüber, wie dezentrale, integrierte Motoren die Konstruktion moderner Maschine verbessern und sich positiv auf die Gesamtbetriebskosten auswirken können.