Idylle und Innovation sind bei der PTM Mechatronics GmbH keine Gegensätze. Das 1988 gegründete Unternehmen aus Egenhofen, auf halber Strecke zwischen Augsburg und München gelegen, gehört zu den weltweit gefragten Spezialanbietern, wenn es um Druckluftmotoren und Greifer für den Einsatz in besonderen Umgebungen geht. Pneumatische Motoren in explosionsgefährdeten Bereichen etwa bei der Herstellung von Chemikalien und Lacken, meerwasserbeständige Antriebe für den Einsatz auf Bohrinseln oder in Tauchgeräten, Edelstahlmotoren für Rührwerke in der Lebensmittelproduktion sowie Greifer für unterschiedliche Anwendungen vom Roboter bis zum Reinraum: In all diesen Marktnischen sind die Produkte und Lösungen von PTM Mechatronics gesetzt. „Die Vorteile des Druckluftmotors gegenüber dem Elektromotor liegen vor allem darin, dass keine Funken entstehen und das Material optimal an die Anforderungen im Einsatz angepasst werden kann“, erläutert Carsten Angermeyer, Inhaber und Geschäftsführer von PTM Mechatronics.
Bauart Radialkolbenmotor bringt zwei bedeutende Vorteile
Eine Besonderheit der Bayern ist die Motorentechnologie: Statt auf Lamellenmotoren setzt PTM Mechatronics auf Druckluftmotoren mit Radialkolben, die ähnlich wie bei einem Sternmotor um die Antriebswelle herum angeordnet sind und über eine Drehschiebersteuerung in Rotation versetzt werden. Dem Anwender bringt diese Bauart zwei bedeutende Vorteile: Schon bei niedrigen Drehzahlen lassen sich hohe Drehmomente erzielen, und der Druckluftverbrauch ist im Vergleich zum Lamellenmotor um bis zu 90 % geringer. „Gerade bei Rührwerken in explosionsgeschützter Umgebung können unsere Radialkolbenmotoren ihre Vorteile ausspielen“, sagt Angermeyer. Das kraftvolle Drehmoment ermöglicht auch das Rühren zähflüssigerer Stoffe, und im häufig erforderlichen Dauereinsatz führt der niedrige Druckluftverbrauch zu hohen Einsparungen bei den Energiekosten.
Oft lagern in Betrieben vielzählige Flüssigkeitsbehälter, die intervallweise durchgerührt werden müssen – so etwa beim Mischen von Farben, Chemikalien oder Duftstoffen. In solchen Fällen wäre es unverhältnismäßig teuer, ein komplettes Rührwerk für jeden Behälter anzuschaffen. Auf Basis eines Kundenprojekts, das genau diese Konstellation aufwies, entwickelte PTM Mechatronics ein effizientes Konzept: Zum Einsatz sollte ein einziger Motor kommen, der auf einer automatisch verfahrbaren Vorrichtung montiert und an der Antriebswelle mit einem pneumatischen Dreibacken-Greifer ausgerüstet wird. Der Motor positioniert sich abwechselnd über einem Behälter, greift den darin eingehängten Rührstab, mischt die Flüssigkeit über einen vorgegebenen Zeitraum durch und fährt dann zum nächsten Behälter weiter.
Drehdurchführung ermöglicht Kraftübertragung auf rotierenden Greifer
Dabei stellte sich für die Egenhofener eine knifflige Aufgabe: Weil der rotierende Greifer auf der Antriebswelle befestigt ist, galt es, die Druckluft über ein Ventil am feststehenden Wellengehäuse in die rotierende Hohlwelle zu führen. Für diesen Zweck wird eine Drehdurchführung benötigt – ein technisch anspruchsvolles Produkt, auf dessen Entwicklung und Herstellung sich die Christian Maier GmbH & Co. KG in Heidenheim spezialisiert hat.
„Angesichts der technischen Rahmenbedingungen war schnell klar, dass hier keine Standardlösung in Frage kommt“, erinnert sich Florian Maier, Geschäftsführer von Christian Maier. Während sich die Vorgaben bei der Motorengeometrie mit konstruktiven Anpassungen umsetzen ließen, war für den Einsatz in explosionsgeschützter Umgebung ein größerer Aufwand erforderlich. Zulässig ist dort nur die Verwendung von Geräten mit Atex-Zertifizierung, die nur nach der erfolgreichen Absolvierung von umfangreichen Versuchsreihen erteilt wird.
Ein erster Prototyp zeigte sodann, dass das Zusammenspiel zwischen der Maier-Drehdurchführung und der Motoren- und Greifereinheit von PTM funktioniert. Sogleich wurde bei Christian Maier das Konformitätsbewertungsverfahren eingeleitet. „Da wir bereits Atex-zertifizierte Drehdurchführungen im Lieferprogramm haben, konnten wir auf bereits vorhandene Erfahrungen zurückgreifen“, sagt Florian Maier.
Erfolgreiche Atex-Zertifizierung
In aufwendigen Versuchen galt es sicherzustellen und zu dokumentieren, dass die Drehdurchführung weder Überhitzung noch Funkenschlag verursacht. Konkret bedeutete dies in der Atex-Kategorie 2G Temperaturklasse T3: Christian Maier musste die Konstruktion so sicher gestalten, dass die Oberflächentemperatur der Drehdurchführung unter keinen Umständen 200 °C abzüglich eines Sicherheitszuschlages übersteigt. „Dieses Limit gilt auch für Extremsituationen, wenn vorhersehbare Störungen auftreten“, sagt Florian Maier.
Unter Verwendung von Temperatursensoren wurden entsprechende Versuche gefahren. Dabei wurden auch absichtlich Lagerschäden herbeigeführt, um das Temperaturverhalten der Drehdurchführung zu ermitteln. Das Ergebnis: Selbst unter ungünstigsten Bedingungen blieb die Oberflächentemperatur des Bauteils weit unterhalb des kritischen Bereichs. Damit war der Weg frei, um die Unterlagen und Protokolle beim TÜV Süd einzureichen, der dann für die Drehdurchführung eine sicherheitstechnische Bewertung und eine Atex-Zulassung ausstellte.
Reibungsverluste minimiert
Optimiert wurde im Rahmen der Versuche auch das Verhältnis von Dichtigkeit zu Reibungsverlusten. So führt ein hoher Anpressdruck bei der Dichtung zwar zu maximaler Dichtigkeit, erhöht jedoch innerhalb der Drehdurchführung den Laufwiderstand der Welle. Durch Federn wurde der Anpressdruck der Dichtung so justiert, dass bei Erhalt der Dichtfunktion der Reibungswiderstand und damit der Energieverbrauch auf ein Minimum reduziert wurde.
Mit der Kombination aus Druckluftmotor, Drehdurchführung und Dreibackengreifer verfügt PTM Mechatronics nun über ein rationelles Konzept für Betriebe, die bisher entweder in eine Vielzahl von Rührwerken investieren mussten oder den wechselnden Einsatz einzelner Rührwerke auf wenig wirtschaftliche Weise von Hand bewerkstelligen mussten. „Unsere Lösung eröffnet die Möglichkeit, das Durchmischen von 20, 50 oder noch mehr Behältnissen zu automatisieren“, fasst PTM-Geschäftsführer Carsten Angermeyer die Vorteile zusammen. Dank der Atex-Zertifizierung ist die Installation der Anlagen auch in der Chemikalien- oder Lackherstellung problemlos möglich.
Übertragung des Konzeptes auf weitere Branchen
Nach der positiven Resonanz aus ersten Projekten denken die Tüftler bei PTM mechatronics und Christian Maier schon einen Schritt weiter. Ähnliche Konstellationen, bei denen Flüssigkeiten in einer großen Zahl an Behältern zu rühren sind, finden sich auch in der Lebensmittelbranche – etwa bei der Herstellung von Milchprodukten oder Getränken. „Hier müssen Rührwerke in der Regel den FDA-Standard für den Kontakt mit Lebensmitteln erfüllen, was mit Druckluftantrieben sehr gut realisierbar ist“, sagt Carsten Angermeyer. Dann könne die gute Zusammenarbeit mit Christian Maier künftig bei Bedarf auch auf FDA-zugelassene Baugruppen erweitert werden.
