Motion: elektrisch of pneumatisch. Welke technologie past?

Gebruikte je vroeger geen pneumatische aandrijvingen, omdat van oudsher werd aangenomen dat dat een dure oplossing is, kan het nu zomaar de goedkoopste zijn, ook in gebruik. 

De keuze voor elektrisch of pneumatisch is niet in een paar vuistregels te vatten. De aspecten technologie, toepassing en totale kosten spelen ieder afzonderlijk een grote rol. Wat in de aanschaf het goedkoopste is, hoeft dat in gebruik vaak niet te zijn. En dat laatste wordt steeds belangrijker. Het is van belang om de kosten van de investering af te zetten tegen de kosten van de operatie. Dat is vaak nog een hele uitdaging. Maar er is nu eenmaal niet één oplossing die in alle gevallen de beste is. De functie is bepalend voor de best passende oplossing. 

Als de functie een simpele punt-naar-puntbeweging is, ligt een pneumatische actuator het meest voor de hand. Voor dynamische en programmeerbare aandrijvingen lijkt een elektrische aandrijving de beste keuze. Maar de pneumatische aandrijvingen zijn volop in ontwikkeling en zijn ook steeds ‘slimmer’. Met pneumatische actuatoren zijn snelheden tot 3 m/s en versnellingen tot 30 m/s2 haalbaar. De meeste applicaties hebben genoeg aan een snelheid tussen de 0,3 en 1,5 m/s. Bij elektrische aandrijvingen bestaat de mechanische aandrijving veelal uit een tandriem-as of spindel-as met daaraan gekoppeld een motor die zorgt voor de verplaatsing. Met tandriemassen is een hoge dynamiek mogelijk, waarbij snelheden tot 10 m/s en versnellingen tot 100 m/s2 haalbaar zijn. Bij spindelassen ligt de maximale snelheid ongeveer op 5 m/s en de versnelling op 50 m/s². Doorsneewaardes in applicaties liggen meestal tussen 0,1-2 m/s en 10-20 m/s². 

Bij pneumatische aandrijvingen bepaalt de zuigerdiameter de kracht. Bij elektrische aandrijvingen is de kracht schaalbaar door de mechanische overbrenging (gearbox, spindelspoed). Maar een hogere kracht gaat altijd ten koste van de snelheid. Over het algemeen geldt dat tandwielassen hoog dynamisch maar een beperkte kracht leveren en spindelassen hoge krachten en weinig dynamiek. Installatietechnisch zijn de pneumatische actuatoren interessant vanwege hun compacte bouwvorm en hoge krachtdichtheid, maar ook het gewicht speelt een rol. Vanwege het lage gewicht zijn ze zeer geschikt voor gebruik op robotarmen, bijvoorbeeld voor pneumatische grijpers en end-of-arm-tooling voor robots. Elektrische actuatoren hebben naast de mechanische as ook een motor, montagekit en gearbox nodig, waardoor de installatieruimte relatief groot is. Bij het elektrificeren van een machine wordt hierdoor de totale voetafdruk van de machine groter. Hier is ook sprake van warmteontwikkeling van de aandrijvingen waardoor een additionele airconditioningsunit in de machine nodig kan zijn. De nauwkeurigheid van pneumatische aandrijvingen is sterk afhankelijk van het type cilinder – met of zonder geleiding en instelbare eindpositie – en varieert van 50 tot 300 micron. Met spindelassen worden de hoogste nauwkeurigheden behaald: tot minder dan 20 micron. Elektrische tandriemassen vertonen een zekere mate van elasticiteit en zijn qua nauwkeurigheid vergelijkbaar met hun pneumatische opponent. In explosiegevaarlijke omgevingen is een pneumatische of een servopneumatische oplossing eenvoudiger te realiseren. Ook bij vochtige en aan corrosie onderhevige condities zijn pneumatische aandrijvingen vaak een kostenefficiënte oplossing vanwege de robuuste constructie en materiaalkeuzevrijheid. 

Pneumatiek heeft een slecht imago als het gaat om energie-efficiëntie, maar past wel degelijk in een duurzame wereld. Een compressor gebruikt ongeveer 15% van zijn elektrische energie om lucht te comprimeren. De rest gaat verloren aan warmte, maar die kan worden hergebruikt om bijvoorbeeld proceswater te verwarmen. Persluchtverlies als gevolg van lekkages kan eenvoudig worden voorkomen door goed onderhoud of slimme monitoringsystemen. De pneumatische componenten lekken zelf nauwelijks en hebben bovendien een lage ecologische voetafdruk in de productie. Voor het energieverbruik is de juiste dimensionering van de aandrijving van groot belang. Mensen zijn van nature geneigd te overdimensioneren en in veel processen zie je op iedere component een veiligheidsfactor, met als gevolg een enorme overdimensionering in het hele proces.

Met behulp van een rekentool kun je over­dimensionering voorkomen en daarmee een enorme besparing behalen. Bijvoorbeeld waar een zuigerdiameter van 50 mm in gebruik is en 40 mm ook voldoende blijkt. De rekentool geeft direct inzicht in het energieverbruik. Hiervoor is een simpele vuistregel: Pneumatische actuatoren zijn energie-efficiënt bij hoge belastingen en weinig bewegingen. Elektrische aandrijvingen zijn efficiënt bij veel bewegingen en lage krachten. De applicatie bepaalt dus in grote mate de energie-efficiëntie. Soms lijkt pneumatiek een dure oplossing, terwijl het in de praktijk juist de goedkoopste kan zijn. Voor een goed vergelijk, moeten alle kostensoorten transparant worden gemaakt. Aanschaf­kosten, installatiekosten, energiekosten en onderhoudskosten. De eerste twee zijn op te vragen bij de leverancier. De totale energiekosten worden berekend aan de hand van de applicatieparameters en de onderhoudskosten zijn afhankelijk van een aantal factoren zoals de omgevingscondities. 

In grote lijnen kun je stellen dat elektrische aandrijvingen heel precies, snel en makkelijk regelbaar zijn. Pneumatische aandrijvingen zijn compacter van formaat bij dezelfde kracht. Het verbruik wordt een steeds belangrijker aspect en er is vaak nog weinig bekend over een omslagpunt. Om een voorbeeld te geven: bij een klant staat een machine die buizen op maat snijdt. Dat werd voorheen gedaan met een pneumatische tweestandencilinder. De machine moest worden aangepast van twee verschillende afmetingen naar zeven verschillende. Vooraf was de gedachte van de klant dat servopneumatisch een goede oplossing zou bieden, maar kostentechnisch bleek elektrisch veruit in het voordeel. Gekozen werd voor de lichtste motoren, gebaseerd op stappen­motortechnologie. Het advies werd gebaseerd op basis van de functie van de aandrijving en de gestelde eisen. Welke aandrijving het beste is in een bepaalde situatie hangt van meer af dan alleen welke beweging er gevraagd is.

Simplified motion series

De Simplified Motion serie bestaat uit elektromechanische actuatoren, ontworpen voor eenvoudige en gemakkelijke installatie en bediening, zoals bij pneumatische actuatoren. Bewegingen omvatten end-to-end positionering en persen/klemmen. Elke as bestaat uit een elektromechanische actuator met een geïntegreerde motor om de installatietijd en -ruimte zo klein mogelijk te houden. Er is een breed scala aan opties en slaglengtes beschikbaar voor uiteenlopende toepassingen.