SupraMotion 3.0 Automatisierungsmodule mit Supraleitung
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SupraMotion 3.0 Automatisierungsmodule mit Supraleitung SupraMotion 3.0 Supraleiter und ihre Potenziale für die Industrieautomation SupraCarrier: Lagerung und Bewegung eines Objekts auf schwebenden Walzen 2 SupraHelix: rotierende Förderwelle mit einem kontaktfreien elektrischen Antriebsprinzip Festo AG & Co. KG SupraCyc Was auf den ersten Blick aussieht wie aus einem Science-FictionFilm, sind die aktuellen Exponate zu SupraMotion 3.0, mit denen Festo auf der Hannover Messe 2015 die faszinierenden Eigenschaften von Supraleitern demonstriert. Kühlt man Supraleiter auf eine bestimmte Temperatur ab, können sie das Feld eines Permanentmagneten in einem definierten Abstand einfrieren, sodass entweder sie selbst oder der Magnet schweben. Der Luftspalt bleibt in jeder Raumlage stets stabil. Dieses Phänomen ermöglicht es, Objekte berührungslos zu lagern und zu bewegen – mit geringem Energieaufwand und ganz ohne Regelungstechnik. Dadurch haben Supraleiter großes Potenzial für die industrielle Anwendung. Drei neue praktische Anwendungsmöglichkeiten Als erster Anbieter von Automatisierungstechnik erforscht Festo dieses Potenzial und zeigt auf der Hannover Messe 2015 drei neue mögliche Applikationen: die Lagerung und Bewegung eines Objekts auf schwebenden Walzen, eine schwebende rotierende Förderwelle mit einem kontaktfreien elektrischen Antriebsprinzip sowie die aktive und kontrollierte Übergabe eines schwebenden Magnetpucks von einem Supraleiter-Element zum nächsten. SupraMotion 3.0: Erstmals lässt Festo Magnete schweben, deren supraleitende Lagerung über die Mantelfläche und nicht über die Vollfläche erfolgt. Der diesjährige Demonstrator schwebt dadurch waagerecht vor einer Wand, hinter der sich die gekühlten Supraleiter befinden. cle: aktive und kontrollierte Übergabe von schwebenden Magnetpucks Erstmals erfolgt die supraleitende Lagerung dabei auch über die Mantelfläche eines Magneten statt über dessen Vollfläche. Impulse für die Automatisierungstechnik Noch befindet sich der Einsatz von Supraleitern im Bereich der Industrieautomation im Entwicklungsstadium. Aber schon heute sind mit der Technologie völlig neue und effiziente Prozesse denkbar. Große Einsatzpotenziale gibt es überall dort, wo eine berührungslose Lagerung oder Handhabung gefragt ist – beispielsweise aus Reinigungsaspekten, bei räumlicher Trennung oder im Umgang mit empfindlichen Objekten. Zukunftsanspruch von Festo Ziel von Festo ist es, gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft die Erforschung von Supraleitern für den industriellen Einsatz voranzutreiben und die Technologie kontinuierlich weiterzuentwickeln. Erfahren Sie auf den folgenden Seiten mehr über Supraleiter, über ihre Eigenschaften und ihre Potenziale für die Automatisierungstechnik von morgen und übermorgen! SupraMotion 3.0 3 Erwecken Sie die Grafik auf Ihrem Smartphone oder Tablet zum Leben (Anleitung auf Seite 12) Faszination Supraleiter Materialien mit besonderen Eigenschaften Stabiles Schweben mit konstantem Abstand Aktive Kühlung der Supraleiter Um einen Supraleiter über einem Permanentmagneten schweben Für SupraMotion 3.0 setzt Festo auf Hochtemperatur-Supraleiter zu lassen, legt man einen Abstandhalter zwischen beide und kühlt aus keramischem Material. Ihre Sprungtemperatur liegt bei etwa den Supraleiter herunter. Unterschreitet dieser seine Sprungtem- 93 Kelvin (–180 ° C), sodass die Exponate energieeffizient und peratur, friert er das Magnetfeld ein und fixiert so den definierten unabhängig von Kühlmedien wie flüssigem Stickstoff betrieben Abstand. Entfernt man nun den Platzhalter, schwebt der Magnet werden können. stabil über dem Supraleiter und nimmt auch dann wieder die gespeicherte Position ein, nachdem er temporär entfernt oder be- Die aktuell verwendeten Stirling-Kühler haben einen Energiebedarf wegt wurde. Selbst in flüssigen und gasförmigen Medien, sogar von maximal 80 Watt pro Kryostat (Kühlbehälter), wodurch geringe im Vakuum, kann das Prinzip eingesetzt werden. Betriebskosten anfallen. Der Schwebeeffekt für sich betrachtet ist kostenlos. Dank der gespeicherten Kälteenergie ist der Betrieb der Widerstandsfrei im supraleitenden Zustand drei Exponate selbst bei einem Stromausfall für mehrere Minuten Unterhalb seiner Sprungtemperatur verändert sich die Leitfähig- gewährleistet. Die Lebensdauer der Kühler beträgt derzeit bereits keit des Supraleiters. Sein elektrischer Widerstand fällt schlagartig bis zu zehn Jahre. auf null ab. Setzt man den Strom durch Anlegen einer Spannung einmal in Bewegung, fließt er ohne Verlust in einem geschlossenen Um Objekte schwebend zu bewegen, gibt es bereits verschiedene Kreislauf. Dadurch lassen sich äußerst energieeffizient sehr starke Technologien mit Vor- und Nachteilen je nach Anwendungsfall. Magnetfelder erzeugen, die verlustfrei bestehen bleiben. Dieser Mit Supraleitern sind neue Abläufe denkbar, wo Alternativtechno- Effekt ermöglicht zusammen mit dem gespeicherten Magnetfeld logien nicht eingesetzt werden können oder aufgrund ihres hohen ein Schweben ohne externe Regelung in allen Raumlagen. Energie- und Regelungsaufwands unattraktiv sind. 4 Festo AG & Co. KG 01: Einzigartiges Wirkprinzip: Schweben im supraleitenden Zustand bei – 180 ° C 02: Definierte Position: Einfrieren des Schwebeabstands beim Demonstrator von SupraMotion 2.0 01 03: Permanenter Merkeffekt: anschließendes Schweben des magnetischen Demonstrators über dem Supraleiter 04: Berührungsfreies Handhaben: Arbeiten im abgeschlossenen Raum oder durch Abdeckungen hindurch 02 04 03 Lagern und Bewegen ohne Regelungstechnik Dringen unmagnetische Stoffe in das Lager ein, werden die Lage- Dank der systemeigenen Rückstellkräfte halten supraleitende rungs- und Führungsfunktionen nicht beeinträchtigt. Das erlaubt Magnetlager ihre vordefinierte Position selbstständig und un- auch den Einsatz in besonders stark verschmutzten Bereichen. abhängig von ihrer räumlichen Ausrichtung. Im Gegensatz zu Feldkraftlagern lassen sich damit Lasten ganz ohne aufwendige Einfache Reinigung und steriles Handling Regelungstechnik tragen. Die berührungsfreie Führung und Lagerung von supraleitenden Systemen vermeidet Abrieb, Schmierstoffe und Staub. Durch die Arbeiten bei räumlicher Trennung schwebende Übergabe von Objekten über Systemgrenzen hin- Für den Transport von flächigen Objekten mit verhältnismäßig ge- weg sind sogar höchste Anforderungen an Sterilität gewährleistet. ringem Gewicht haben sich Luftlager bewährt – vor allem, da auf Längere Prozessketten ohne Berührung sind damit realisierbar. ein zusätzliches Trägerelement verzichtet werden kann. Der Luft- Außerdem ermöglichen diese Eigenschaften einen wartungsarmen spalt ist hier sehr klein und lässt keine Unterbrechung zu. Einsatz in Umgebungen mit strengen Reinheitsanforderungen. Supraleitende Systeme dagegen eignen sich auch für größere Las- Breites Spektrum an Lager- und Führfunktionen ten und können über ihren definierbaren Schwebespalt sogar Supraleitende Automatisierungsmodule können mit einer Vielzahl durch Wände hindurch und in allen Raumlagen arbeiten. Das von Lagerungsvarianten und aktiven Antrieben realisiert werden. ermöglicht Handhabungen in geschützten und abgeschlossenen Das ermöglicht ihnen, beliebige kinematische Abläufe – linear wie Räumen oder durch Verkleidungen hindurch. Kontaminations- rotativ – schwebend auszuführen. Mit den drei aktuellen Expona- anfällige oder schwer zu reinigende Bereiche lassen sich so durch ten zu SupraMotion 3.0 erweitert Festo nun nochmals das Spek- glatte und reinigungsfreundliche Oberflächen schützen. trum der bisher gezeigten Lagerungs- und Bewegungsformen. SupraMotion 3.0 5 SupraCarrier Lagern und Bewegen auf schwebenden Rollen Auf einer horizontal angebrachten elektrischen Achse vom Typ Soll das Objekt weitertransportiert werden, fahren die Kryostate EGC-HD sind zwei Kryostate mit Supraleitern montiert. Über und mit ihnen die schwebenden Walzen wieder nach oben und beiden Kryostaten schweben jeweils zwei magnetische Transport- heben dadurch den Werkstückträger wieder an. Kippt man die walzen – das heißt, über jedem Supraleiter sind zwei Magnete Walzen, zum Beispiel durch Neigung der elektrischen Achse, kann eingefroren. Auf den Walzen liegt ein flacher Werkstückträger. der flächige Träger sogar über die frei drehbaren Rollen abgleiten. Ihre Magnetisierung ist dabei so angelegt, dass der Schwebeabstand zu ihren Mantelflächen gehalten wird und die Walzen Einsatzpotenziale bei flachen Werkstücken sich frei um die eigene Längsachse drehen können. Das Konzept magnetischer schwebender Walzen eignet sich zur Handhabung von flachen Werkstücken oder zum Transport Kontrolliertes Schweben über und unter der Abdeckung von Objekten auf einer Trägerplatte. Eine Anwendung wie der Zwischen den Kryostaten und den schwebenden Wellen befindet SupraCarrier könnte beispielsweise Glas, Holz oder Papier in sehr sich eine Abdeckung mit Öffnungen in Größe und Position der rauen – oder sehr reinen – Umgebungen bewegen. Walzen. Wie der Werkzeugträger kann sie aus beliebigem, nicht ferromagnetischem Material sein. Werden die Kryostate abge- Grundlage für das universelle Einsatzgebiet ist die gute Reinigbar- senkt, schweben die Walzen durch die Öffnungen unter die Abde- keit der Applikation. Sowohl die Transportwalzen als auch die ckung. Der Träger liegt in dieser Position auf ihrer Oberfläche auf. Abdeckungen lassen sich einzeln schnell und einfach säubern. Magnetische Walzen: schwebender Transport von flachen Objekten Vertikales Verfahren: Schweben oberhalb und unterhalb der Abdeckung 6 Festo AG & Co. KG SupraHelix Transport auf einer rotierenden Förderwelle Bei SupraHelix sind zwei Kryostate mit Supraleitern horizontal auf Kontaktfreies elektrisches Antriebsprinzip einem Schwenkantrieb vom Typ DRRD angebracht, der an einem Für das Exponat hat Festo den Prototypen eines zweiphasigen per- Träger über der Tischplatte aus Plexiglas befestigt ist. manenterregten Schrittmotors entwickelt, der über zwei Magnete in der Mitte der Welle angekoppelt ist. Dadurch ist ein aktiver und Unter ihre Sprungtemperatur heruntergekühlt bringen die beiden berührungsloser Antrieb möglich. Kryostate eine kopfüber hängende Welle mit integriertem Gewinde zum Schweben. Mit Hilfe des Schwenkantriebs wird die Anwen- Dreht sich die Welle, kann sie über ihr Gewinde einzelne Metall- dung in eine Neigung von 40 Grad gebracht, sodass die Welle ringe nach oben transportieren. Am oberen Ende rutschen sie über schräg im Raum hängt. einen Edelstahldraht wieder nach unten und springen selbstständig wieder auf das Gewinde, wodurch ein Kreislauf entsteht. In der Welle sind an den beiden Enden die Permanentmagnete als Gegenlager zu den Supraleitern angebracht. Sie sind in einem Berührungslose rotierende Wellen nutzen Schwebeabstand von etwa acht Millimetern zu den Supraleitern Über die Spiralstruktur können ringförmige Werkstücke von einer eingefroren und nehmen die Traglast auf. Die Supraleitung wirkt Bearbeitungsstation zur nächsten transportiert werden. Eine fe- dabei auf die Mantelfläche der Magnete, sodass eine Drehung der dernde angetriebene Welle könnte auch das Polieren und Schlei- Welle um ihre Längsachse möglich ist. fen nicht ferromagnetischer Werkstoffe ermöglichen. Magnetische Welle: supraleitende Lagerung über die Mantelfläche Schwebende Spirale: Gewinde zur Beförderung von ringförmigen Werkstücken SupraMotion 3.0 7 SupraCycle Kontaktfreie Übergabe von schwebenden Magnetpucks Das SupraCycle zeigt erstmals die aktive Übergabe von schweben- Integrierte Intelligenz den Permanentmagneten von einem Supraleiter-Element zum nächs- Die Kryostate sind auf Drehmodulen vom Typ ERMB verbaut und ten. Damit demonstriert Festo, wie sich Objekte dank Supraleitung lassen sich dadurch jeweils um 360 Grad drehen. Stehen sich auch über Systemgrenzen hinweg schwebend übergeben lassen. zwei von ihnen genau gegenüber, gibt der eine Kryostat den magnetischen Objektträger an den anderen ab. Die modifizierte Vor- Auf der Grundplatte aus Plexiglas sind drei Kryostate mit integrierten derseite des Kryostaten sorgt dafür, dass sich die gespeicherte Supraleitern angebracht, die zwei magnetische Objektträger reihum Verbindung gezielt lösen und wiederherstellen lässt. Eine Kamera auf den nächsten Kryostaten übergeben. Zur Veranschaulichung vom Typ SBO überträgt die Übergabe in Echtzeit auf einen Moni- sind an den Pucks jeweils zwei kleine Fläschchen befestigt. tor, der zudem alle Daten zur permanenten Überwachung anzeigt. Vor Beginn der Anwendung wird der Objektträger jeweils mit ei- Systemübergreifender Transport nem Schwebeabstand von mehreren Millimetern zu den Supra- Wie im Exponat mit den Fläschchen demonstriert, lassen sich am leitern in den Kryostaten eingefroren. Der Vorgang erfolgt über Objekt problemlos Trägerelemente befestigen. Zukünftig könnten eine Vorrichtung, deren Wanddicke dem späteren Schwebespalt so beim Transport von Objekten die Werkstückträger berührungs- entspricht. Eine Neujustierung des Schwebespalts ist damit auto- los zwischen zwei Handlingsystemen übergeben werden. Lange matisiert möglich. Prozessketten ohne Berührung werden Realität. Berührungsloser Transport: Übergabe eines magnetischen Objektträgers Simulierter Werkstückträger: magnetischer Puck mit montiertem Trägerelement 8 Festo AG & Co. KG Technische Daten Die drei Projekte im Überblick SupraCarrier SupraHelix SupraCycle Abmessungen: ................. 1000 × 1000 mm Abmessungen: ................. 1000 × 1000 mm Abmessungen: ................. 1000 × 1000 mm Schwebespalt: .............................. 4 – 6 mm Schwebespalt: ..............................ca. 8 mm Schwebespalt: ................................... 4 mm Magnete: .................................Rundmagnet Magnete: .................................. Ringmagnet Magnete: ..........................Doppelmagnet in Kryostat: .............................. Bauform eckig Kryostat: .............................. Bauform eckig .........................................Halbach-Struktur Welle: ...................Ø 50 mm, Länge 700 mm Kryostat: .............................. Bauform eckig Eingebaute Komponenten von Festo: Eingebaute Komponenten von Festo: Eingebaute Komponenten von Festo: • 1 × Linearachse EGC-HD-160 • 1 × Kolbenschwenkantrieb DRRD-63-180 • 3 × Drehmodul ERMB-32 • 1 × Servomotor EMME-AS-80-S-LS-AMB • 2 × Linearachse EGC-K-25-370 • 3 × Mini-Schlitten DGSL-16-50 E3 P1A • 2 × Elektroschlitten EGSP-33-100-10P • 2 × Netzteil CACN-3A-1-10 • 3 × Magnetventil CPE10-M1BH-5C-M5 • 2 × Servomotor EMME-AS-S-LS-AMB • 1 × Steuerung CPX-Terminal mit CEC-S1 • 3 × Motor EMME-AS-80-S-LS-AMB • 3 × Motorcontroller CMMP-AS-C5-3A-MO • 1 × Controller CDPX-X-A-S-10 • 3 × Motorcontroller CMMP-AS-C5-3A-MO • 2 × Netzteil CACN-3A-1-10 • 1 × Ventilinsel MPA-S mit CPX-Terminal • 1 × Steuerung CPX-Terminal mit CEC-S1 • 1 × Steuerung CPX-Terminal mit CEC-S1 • 1 × Controller CDPX-X-A-S-10 • 2 × Netzteil CACN-3A-1-10 • 1 × Kamera SBO • 1 × Controller CDPX-X-A-S-10 SupraMotion 3.0 9 Erwecken Sie die Projekte auf Ihrem Smartphone oder Tablet zum Leben (Anleitung auf Seite 12) Kontinuierliche Weiterentwicklung Eine Technologie auf dem Weg in die industrielle Anwendung (1) SupraLinearMotion (2) SupraHandling (3) SupraPicker (4) SupraHandling 2.0 (5) SupraShuttle (6) SupraChanger (7) SupraCarrier (8) SupraHelix (9) SupraCycle 10 Festo AG & Co. KG 01: Unterschiedlichste Bewegungs- und Lagerungsformen: die bisherigen Projekte zu SupraMotion 01 02: Neue Anwendungsideen: intensiver Austausch mit Industrie und Wissenschaft 02 (4) SupraHandling 2.0: lineare Bewegung in drei Raumlagen Beim SupraHandling 2.0 bewegt sich ein schwebender Schlitten entlang von zwei Magnetschienen. Durch die Drehung des Systems kann der Schlitten waagrecht, senkrecht oder über Kopf fahren. (5) SupraShuttle: lineare Bewegung in alle Raumrichtungen Das SupraShuttle zeigt die Bewegung eines schwebenden Objektes in alle Raumrichtungen sowie die Handhabung des SupraleiterElements selbst. Auch in hermetisch abdichtbaren Räumen. (6) SupraChanger: Übertrag einer Rotation auf Magneten Der SupraChanger überträgt eine kontrollierte und berührungslose Drehbewegung über schwebende Magnete auf drei Applikationen, die dadurch reihum gewechselt werden können. (7) SupraCarrier: Lagern und Führen auf schwebenden Walzen Mit dem SupraCarrier zeigt Festo, wie flächige Objekte über die sehr geringe Kontaktfläche von drehbaren Walzen frei schwebend Als Impulsgeber der Automatisierungstechnik ist es die Kern- gelagert und transportiert werden. kompetenz von Festo, die Produktions- und Arbeitswelten der Zukunft mitzugestalten und ständig nach neuen Wegen, Denk- (8) SupraHelix: Transport auf rotierender Förderwelle ansätzen und Lösungen zu suchen. Die schwebende Förderwelle wird kontaktlos zum Rotieren gebracht und kann so auf ihrer Spiralstruktur einzelne Metallringe Daher befasst sich Festo seit Jahren intensiv mit der Supraleiter- über eine Steigung von 40 Grad nach oben befördern. Technologie und ihrem industriellen Einsatz. Mit den Projekten zu SupraMotion wurden bereits unterschiedlichste Lagerungs- (9) SupraCycle: Übergabe von schwebenden Magnetpucks und Bewegungsformen konkret erprobt und in möglichen Anwen- Beim SupraCycle werden zum ersten Mal schwebende Träger aktiv dungen realisiert: und kontrolliert von einem Supraleiter-Element zum nächsten über Systemgrenzen hinweg übergeben. (1) SupraLinearMotion: lineare Bewegung durch Kippen Die Wippkonstruktion macht die Eigenschaften der Supraleiter- Neben den unterschiedlichen Anwendungen hat Festo mit den Pro- Technologie erlebbar. Ein Fahrgast schwebt reibungsfrei und jekten auch verschiedene Kühlkonzepte erprobt. Großes Optimie- geräuschlos auf einem Schlitten über die Magnetschiene. rungspotenzial besteht auch weiterhin bei der Erforschung neuer Materialien und der Entwicklung von leistungsfähigen und preis- (2) SupraHandling: beliebige Positionierung in der Ebene werten Kühlsystemen. Für das SupraHandling wurde das Prinzip der Wippe auf einen Kreuztisch übertragen. Somit lassen sich alle Positionen in x- und y-Richtung berührungslos anfahren. (3) SupraPicker: Handhabung bei räumlicher Trennung Mit Hilfe eines schwebenden Magnetpucks führt der supraleitende Greifarm das Greifgut von außerhalb durch eine Schleuse in einen Suche nach Pilotkunden und konkreten Applikationen Nach mehreren Jahren intensiver Forschungsarbeit und drei Jahren Messeerfahrung untersucht Festo nun konkret mit Partnern und Kunden deren Anwendungsideen, die in Pilotprojekten umgesetzt werden können. Gehen auch Sie den nächsten Schritt und begleiten Sie die SupraleiterTechnologie gemeinsam mit Festo in die industrielle Anwendung! geschützten Raum, wo das Werkstück weiterbearbeitet wird. SupraMotion 3.0 11 Projektbeteiligte Projektinitiator: Technologiepartner: Dr. Wilfried Stoll, Geschäftsführender Gesellschafter Dr. Oliver de Haas Festo Holding GmbH evico GmbH, Dresden Projektkoordination: Exponatebau: Georg Berner Rolf Sauter Festo Holding GmbH eta Gerätebau GmbH, Wernau Projektteam: Visualisierung: Dr. Heinrich Frontzek, Dr. Susanne Krichel, Martin Fuss, Matthias Acksel Herbert Halama, Stephan Schauz, Martin Beier, Uwe Neuhoff, Konzept & Visualisierung in Architektur & Design, Stuttgart Sandro Marucci, Roland Grau, Matthias Gehring, Simon Hanschke, Torsten Seger, Festo AG & Co. KG Sehen Sie mehr – auf Ihrem Smartphone oder Tablet-PC Die Bilder auf Seite 4 und Seite 10 erklären nicht nur das Prinzip und mögliche Anwendungen der Supraleiter; sie verbergen – dank Augmented Reality – auch Animationen für Smartphones und Tablets. Dazu benötigen Sie lediglich ein aktuelles Gerät und die App „junaio“, die kostenlos im App Store von Apple oder bei Google Play erhältlich ist. Laden Sie sich „junaio“ herunter und öffnen Sie die App. Suchen Sie nun den Kanal „Festo Supra“ und wählen Sie ihn aus. Richten Sie anschließend die Kamera Ihres Gerätes auf die Grafik und versetzen Sie die Supraleiter in Bewegung. Festo AG & Co. KG Ruiter Straße 82 73734 Esslingen Telefon 0711 347-0 Fax 0711 347-21 55 [email protected] è Film www.festo.com/supra 50053 de 4/2015 Deutschland