Rasanter Richtungswechsel

Kleinmotoren - Egal, ob es um das Wickeln der Garne, das Regulieren der Fadenspannung an Strickmaschinen oder das automatische Annähen von Knöpfen geht: Kompakte Antriebe finden in der Textilbranche ein breites Einsatzfeld, abgestimmt auf die vielfältigen Ansprüche.

30. September 2019
Spools of thread on a loom.
Bei der Herstellung von Textilien werden zahllose Garnrollen verbraucht. (Bild: richterfoto/iStockphoto)

Die Herstellung von technischen Geweben und Textilien für Bekleidung ist ein vielschichtiger Prozess – angefangen von der Fadenherstellung bis hin zur Produktion der Stoffe selbst.

Textilmaschinen haben eine mehr als zweihundertjährige Tradition. Mit ihren Vorgängern haben sie heute allerdings nur noch wenig gemein. Sie haben sich zu komplexen, oft riesengroßen und hochautomatisierten Maschinen entwickelt, deren Dimensionen einen deutlichen Kontrast zu dem filigranen Material bilden, das sie verarbeiten: federleichte, manchmal nur wenige Mikrometer dicke Fasern, die zunächst zu Garn gesponnen werden, aus dem dann die unterschiedlichsten Textilien entstehen. Gebraucht werden hierfür Antriebe, die auf die einzelnen Prozesse abgestimmt sind und sich gut in das maschinelle Gesamtkonzept integrieren lassen. Kompakte Antriebe finden hier ein breites Einsatzfeld.

So ist die Garnherstellung ein aufwendiger Prozess. In der Spinnerei werden die aus Rohfasern produzierten Garne zunächst zu großen Rollen gespult und dann für praktisch jeden Prozessschritt ab- und wieder aufgewickelt, etwa wenn mehrere Fäden miteinander verwirkt werden. Schlussendlich muss dann das Fertigprodukt noch einmal umgewickelt werden, und zwar zu Rollengrößen, die zum Beispiel auch Webmaschinen verarbeiten können. Diese Rollen sind zwar deutlich größer als die Varianten, die im Haushalt Verwendung finden, sehen aber ansonsten ganz ähnlich aus. Oft haben sie die gleiche rautenförmige Oberfläche. Sie entsteht, weil das Garn meist schräg auf die Rolle gewickelt wird. Es läuft dabei immer vom einen zum anderen Ende und dann wieder zurück. So wird der Faden gleichmäßig auf der Rolle verteilt und lässt sich später störungsfrei abwickeln.

Blitzartiges Hin und Her bei der Garnführung

Beim maschinellen Wickeln ist Schnelligkeit gefragt. Die Führungsöse läuft pro Minute etwa vierhundertmal hin und her, wobei rund 1.500 Meter Garn aufgespult werden. Beim Richtungswechsel darf es keine Verzögerungen geben. Der Motor, der für die rasante Oszillation verantwortlich ist, muss also vor allem in der Lage sein, das stetige Umschalten der Laufrichtung verzögerungsfrei bei unveränderter Geschwindigkeit zu bewältigen. Als Lösung für diese Aufgabe haben sich Scheibenmagnetmotoren wie der DM52 aus dem Programm des Antriebsspezialisten Faulhaber bewährt. Diese Motoren wurden für Anwendungen entwickelt, die hohe Beschleunigungen oder schnelle Richtungswechsel erfordern. Mit ihrer geringen Länge und ihrem niedrigen Gewicht sind sie gut in die Anwendungen zu integrieren. Aufgrund ihrer hohen Schrittzahl und der Möglichkeit zum Mikroschrittbetrieb sind sie für solche präzisen Positionierungsanwendungen geeignet.

Der Rotor dieses Antriebs besteht aus einer dünnen Seltene-Erden-Magnetscheibe, die mit 25 Pol-Paaren magnetisiert wurde. Sie läuft zwischen zwei Statoren mit den passend angeordneten Wicklungen. Da die Scheibe sehr leicht ist, liegt das Rotorträgheitsmoment sehr nah am technisch erreichbaren Minimum, so der Hersteller. Dies erlaube dem Motor, bei voller Geschwindigkeit in rund fünf Millisekunden die Richtung zu wechseln und damit das blitzartige Hin und Her bei der Garnführung beim Rollenwickeln zu ermöglichen.

Um die Garnzuführung geht es auch beim maschinellen Stricken. Hier ist eine möglichst konstante Spannung des Garns wichtig. Diese Aufgabe, für die beim Stricken von Hand der linke kleine Finger zuständig ist, übernimmt bei Strickmaschinen der sogenannte Fournisseur. Das ist französisch und heißt übersetzt so viel wie Lieferant oder Zulieferer.

Die richtige Dosis an Kraft

Die Fournisseure sind kurz vor den Stricksystemen angebracht. Auf ihrer Walze ist eine bestimmte Menge Garn aufgewickelt, das als Zwischenspeicher dient. Die Mechanik reagiert auf Schwankungen der Garnspannung und gleicht diese durch motorisierte Bewegungen aus. Hier geht es nicht so schnell zu wie bei der Garnwicklung, der Antrieb am Fournisseur muss aber dennoch sehr schnell auf die Schwankungen reagieren und seine Kraft muss sich gut dosieren lassen.

Des Weiteren ist der verfügbare Einbauplatz knapp und die Motoren dürfen nicht die Wartungszyklen bestimmen. Langlebigkeit hat auch hier Priorität. Je nach Maschinenauslegung können für diese Aufgabe verschiedene Motoren von Faulhaber eingesetzt werden, zum Beispiel DC-Kleinstmotoren mit Grafitkommutierung, die mit Durchmessern von 17, 22 oder 23 Millimetern sehr leicht und kompakt sind.

Die Konstruktion ist als Glockenankermotor mit einer patentierten, freitragenden Rotorspule mit Schrägwicklung ausgeführt, die um einen ruhenden Magneten rotiert. So kann fast der gesamte Motordurchmesser für die elektrische Spulenwicklung genutzt werden. Dadurch erreichen die Motoren im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen, so der Antriebsspezialist. Die kleinen Motoren liefern je nach Ausführung Drehmomente bis etwa 20 Millinewtonmetern.

Der Begriff Grafitkommutierung bezieht sich auf das verwendete Bürstenmaterial in Kombination mit einem Kommutator aus einer Kupferlegierung. Dieses Kommutierungssystem ist robust und eignet sich für dynamische Hochleistungsapplikationen mit schnellem Start-/Stoppbetrieb, wie es die Fournisseure der Strickmaschinen fordern.

Mit modernen Strickmaschinen werden zudem nicht nur Textilien für Bekleidung, sondern auch technische Gewebe wie Geotextilien hergestellt. Mit 3D-Stricktechnik lassen sich beispielsweise sogar feine Metalldrähte und Keramikfasern zu technischen Bauteilen verarbeiten. Hier kommt es erst recht auf die korrekte Fadenzugspannung an, da sie Abmessung und Qualität der Produkte maßgeblich mitbestimmt. Diese Fertigungstechnologie kann auch für die schnelle Herstellung von Prototypen genutzt werden. Anders als bei den meisten anderen Prototyping-Verfahren entsteht hierbei kein Verschnitt oder Materialabfall. In den vielfältigen Abläufen der Textilindustrie gibt es damit zahlreiche weitere Anwendungen, bei denen Kleinstmotoren im Einsatz sind. Dazu gehören beispielsweise auch Maschinen, mit denen Knöpfe angenäht werden sowie Materialtestgeräte, die die Qualität von Garnen überprüfen.

Das Mittel der Wahl

Das Portfolio von Faulhaber bietet für alle diese Anwendungen eine Antriebslösung, wie das Unternehmen herausstellt. Erfordern Anwendungen etwa ein hohes Drehmoment bei sehr kurzer Baulänge, seien oft die flachen, bürstenlosen DC-Motoren der BXT-Familie das Mittel der Wahl.

Dank ihrer Wickeltechnik und optimierter Auslegung sind die Motoren nur 14, 16 und 21 Millimeter lang, liefern aber Drehmomente bis 134 Millinewtonmetern bei einem Durchmesser von 22, 32 oder 42 Millimetern. Sie sind für eine Dauerausgangsleistung von bis zu 100 Watt ausgelegt und übertreffen damit laut Hersteller die Maßstäbe dieser Antriebsklasse deutlich, insbesondere im Hinblick auf das Verhältnis von Drehmoment zu Länge, Volumen und Gewicht, was vielen Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen zugutekäme.

Motek: Halle 8, Stand 8412

Erschienen in Ausgabe: 06/2019