Servotecnica Slip Ring Spotlights: Schleifringe für raue Umgebungen entwickeln mit Alessandro Bazzi

Servotecnica Slip Ring Spotlights: Schleifringe für raue Umgebungen entwickeln mit Alessandro Bazzi

 

Willkommen zurück zu Servotecnica Slip Ring Spotlights. In dieser Ausgabe sprechen wir mit Alessandro Bazzi, Forschungs- und Entwicklungsleiter bei Servotecnica, darüber, was es wirklich bedeutet, einen Schleifring zu entwickeln, der zuverlässig überlebt und funktioniert, wenn die Betriebsumgebung zu einer der größten technischen Herausforderungen wird.

F: Alessandro, vielen Dank, dass du dir Zeit nimmst. Kannst du uns zunächst etwas über deinen Hintergrund und deine Aufgabe bei Servotecnica erzählen?

Natürlich. Mich interessiert nicht nur, was ein Schleifring in einer Testumgebung leisten kann, sondern wie er sich tatsächlich verhält, wenn er in einer Maschine eingebaut ist, die kontinuierlich läuft, unter anspruchsvollen Bedingungen arbeitet und sich an Orten befindet, an denen Wartungszugang schwierig oder unmöglich ist.

Im Laufe der Jahre habe ich verstanden, dass die Betriebsumgebung häufig die Variable ist, die die technische Antwort am stärksten prägt. Ein Schleifring kann auf dem Prüfstand perfekt funktionieren und dann Probleme zeigen, sobald er in ein System mit extremen Temperaturen, aggressiver Reinigung oder anhaltenden Vibrationen eingesetzt wird. Meine Aufgabe ist es, sicherzustellen, dass diese Lücke nicht entsteht und dass das, was wir für Kunden entwickeln, wirklich zu den Bedingungen passt, unter denen sie arbeiten.

F: Beginnen wir mit der Temperatur, da sie zu den offensichtlichsten Faktoren gehört. Wie weit reicht eure Erfahrung mit Temperaturextremen tatsächlich?

Ziemlich weit in beide Richtungen. Im Hochtemperaturbereich unterstützt unsere interne Qualifikationsfähigkeit inzwischen Temperaturprüfungen bis +180 °C, mit kontrollierten thermischen Rampen und der Möglichkeit, kombinierte Temperatur- und Feuchteprofile bis zu 98 % relativer Luftfeuchtigkeit durchzuführen, die reale Betriebsbedingungen statt vereinfachter Laborszenarien nachbilden.

Am unteren Ende ist das Bild ebenso anspruchsvoll. Wir haben Lösungen für Windkraftanlagen entwickelt, die für einen Betrieb von −40 °C bis +80 °C ausgelegt sind und zwischen Turm und Gondel installiert werden, wo sich die thermische Umgebung mit Jahreszeiten und Höhe verändert. Am äußersten Ende haben wir Schleifringe für die Kryoforschung gebaut, darunter eine kundenspezifische rahmenlose Einheit für das SHREK-Experiment bei der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie, bei dem der Schleifring in flüssigem Helium bei Temperaturen bis zu −269 °C arbeiten musste.

Dieses Projekt erforderte einen völlig anderen Ansatz als ein Standarddesign. Lagerfett funktioniert bei diesen Temperaturen nicht, daher wurde das Lager vollständig entfernt und durch eine alternative Lösung ersetzt. Die Leitungen wurden für kryogene Kompatibilität mit Teflon isoliert. Das Ergebnis war eine rahmenlose Baugruppe, die nur aus Ringen, Welle und Bürstenhaltern bestand: eine bewusst minimale Konfiguration, die sich sauber in die Anlage integrieren ließ, kurzfristig geliefert wurde und zuverlässig unter Bedingungen funktionierte, für die nur sehr wenige Komponenten ausgelegt sind.

F: Das kryogene Beispiel ist sehr interessant. Aber wie beeinflusst Temperatur die Leistung eines Schleifrings in häufigeren industriellen Szenarien?

Das häufigste temperaturbedingte Problem ist die Auswirkung thermischer Zyklen auf Materialien. Verschiedene Komponenten im Inneren eines Schleifrings — Metalle, Polymere, Dichtungen und Isolierungen — dehnen sich bei Temperaturänderungen unterschiedlich aus und ziehen sich unterschiedlich zusammen. Wenn diese relativen Bewegungen in der mechanischen Konstruktion nicht berücksichtigt werden, bauen sich im Laufe der Zeit Spannungen an Verbindungen und Schnittstellen auf. Schließlich äußert sich dies als Dichtungsverschleiß, veränderte Kontaktkraft oder strukturelle Ermüdung, die wie ein elektrisches Problem aussieht, tatsächlich aber mechanischen Ursprungs ist.

Für den dauerhaften Hochtemperaturbetrieb ist die Materialauswahl in der gesamten Baugruppe entscheidend. Schmierstoffe altern schneller, Polymerkomponenten können je nach Chemie weicher oder spröde werden, und der Kontaktwiderstand kann sich verändern, wenn sich Metalle ausdehnen. Das sind keine theoretischen Überlegungen, sondern Faktoren, die das Betriebsverhalten des Schleifrings in jedem System beeinflussen, das kontinuierlich in der Nähe von Wärmequellen läuft.

Das Kaltstartverhalten ist ein weiterer Bereich, der Kunden häufig überrascht. Bei sehr niedrigen Temperaturen können Schmierstoffe deutlich eindicken, wodurch Reibung und das zum Starten der Rotation erforderliche Drehmoment steigen. Wenn erwartet wird, dass eine Maschine unter kalten Bedingungen zuverlässig startet, etwa bei Außeninstallationen in kalten Klimazonen, muss der Schleifring mit diesem Verhalten im Blick spezifiziert werden und nicht nur anhand seiner stationären Leistung nach dem Aufwärmen.

Genau deshalb haben wir in die interne Qualifikation für extreme Temperaturen und Feuchtigkeit investiert. Die Möglichkeit, intern von −50 °C bis +180 °C zu testen, mit vollständiger technischer Überwachung während des gesamten Prozesses, bedeutet, dass wir Konstruktionen für spezifische Temperaturfenster deutlich schneller validieren können, als wenn wir auf externe Prüfeinrichtungen angewiesen wären.

F: Abdichtung ist ein Thema, das bei fast jeder Anwendung mit Feuchtigkeits- oder Kontaminationsrisiko aufkommt. Wie geht ihr speziell bei Schleifringen damit um?

Die Abdichtung eines Schleifrings ist mechanisch komplexer als die Abdichtung eines statischen Bauteils. Dieser Punkt sollte klar erklärt werden, weil Ingenieure ihn manchmal unterschätzen.

Die Herausforderung besteht darin, dass jede Dichtung, die den rotierenden Teil des Schleifrings berührt, Reibung erzeugt. Eine Dichtung, die am ersten Tag perfekt funktioniert, kann sich im Laufe der Zeit verschlechtern, wenn sie nicht mit Blick auf die rotierende Schnittstelle und die erwartete Lebensdauer ausgelegt ist. Abdichtung ist daher nicht nur die Auswahl einer Schutzart, sondern die Frage, wie dieser Schutz über Millionen von Umdrehungen hinweg aufrechterhalten wird — in Gegenwart dessen, was die jeweilige Umgebung enthält.

Für die meisten industriellen Washdown- und Außenanwendungen ist IP65 die Ausgangsbasis. Unsere Engineering-Teams verwenden eine Kombination aus Labyrinthstrukturen und Kontaktdichtungen: Die Labyrinthstruktur reduziert den größten Teil des Eindringrisikos, ohne Reibung zu erzeugen, während die Kontaktdichtung die letzte Barriere bildet. Die Materialien müssen für die spezifische Exposition ausgewählt werden; ein Dichtungswerkstoff, der gut gegen Wasser funktioniert, ist möglicherweise ungeeignet, wenn alkalische Reinigungsmittel, Öle oder Lösungsmittel vorhanden sind.

Für anspruchsvolle Situationen wie Lebensmittel- und Getränkeverarbeitungslinien mit Hochdruck-Heißwasserreinigung, Außeninstallationen mit langen Wartungsintervallen oder Systeme mit direkter chemischer Exposition setzen wir auf Edelstahlgehäuse und Dichtungssysteme, die für spezifische chemische Umgebungen validiert sind und nicht nur für allgemeinen Feuchtigkeitsschutz. Der Unterschied zwischen einer generisch IP-geschützten Einheit und einer Einheit, die für ein definiertes chemisches Expositionsprofil entwickelt wurde, kann hinsichtlich der Lebensdauer erheblich sein.

F: Du hast Lebensmittel und Getränke erwähnt. Man könnte sagen, dass dies eine der anspruchsvolleren Umgebungen über mehrere Dimensionen hinweg ist.

Das stimmt, und dieser Sektor zeigt die kumulative Herausforderung sehr gut. Eine Anlage zur Lebensmittelverarbeitung umfasst typischerweise Hochdruck-Heißwasser während der Reinigungszyklen, aggressive Reinigungs- und Desinfektionsmittel, hohe Luftfeuchtigkeit und die regulatorische Anforderung, dass Anlagen vollständig reinigbar sein müssen, ohne die Hygiene zu beeinträchtigen. Darüber hinaus laufen die Maschinen häufig über lange Zeiträume mit hoher Geschwindigkeit und sind auf minimale geplante Stillstandszeiten ausgelegt.

Der Schleifring befindet sich mitten in all dem. Er muss die elektrischen Anforderungen der Anwendung erfüllen, dem Reinigungsregime standhalten und dies über eine Lebensdauer leisten, die ungeplante Wartung an einer Produktionslinie vermeidet, die nicht leicht angehalten werden kann.

Eine weitere Dimension moderner Lebensmittelverarbeitungs- und Palettieranlagen ist die zunehmende Nutzung von Hochfrequenz-Kommunikationsprotokollen. EtherCAT, ProfiNet, Ethernet/IP und andere erfordern, dass der Schleifring Signale im Hochfrequenzbereich störungsfrei überträgt. Hier wird das Kontaktmaterial wichtig: Gold-auf-Gold-Kontakttechnologie, bei der sowohl Bürsten als auch Ringe Goldbeschichtungen tragen, minimiert Störungen und Kopplungen.

F: Wie spielt Vibration in das Bild rauer Umgebungen hinein?

Sie ist ein unterschätzter Faktor und derjenige, der Kunden am häufigsten überrascht, wenn sie sich vor allem auf die elektrische Spezifikation konzentriert haben.

Der Kernpunkt ist, dass ein Schleifring auf einen stabilen, gleichmäßigen Kontakt zwischen Bürste und Ring angewiesen ist. Vibration stört diesen Kontakt. Bei geringeren Amplituden entsteht intermittierender Kontakt; das zeigt sich als Rauschen auf Signalleitungen oder kurze Unterbrechungen der Leistungsübertragung, die sehr schwer zu diagnostizieren sind, weil das Symptom elektrisch aussieht, die Ursache aber mechanisch ist. Bei höheren Pegeln verursacht Vibration Ermüdung in den Bürstenhalterungen und Befestigungselementen.

Unsere Multifaser-Bürstentechnologie begegnet dem wirksam. Da der Kontakt über viele feine Einzelfilamente verteilt ist statt über einen einzigen Kontaktpunkt, kann jedes Filament unter Vibration unabhängig nachgeben, ohne die dynamische Last direkt auf die Kontaktfläche zu übertragen. Dadurch bleibt die elektrische Leistung unter Bedingungen stabil, unter denen ein Einzelkontakt-System eine Verschlechterung zeigen würde.

Auch die mechanische Struktur des Gehäuses ist wichtig. Für Anwendungen, bei denen das Vibrationsprofil bekannt ist, etwa schwere Industriemaschinen, Krane oder mobile Ausrüstung, können wir das Design so abstimmen, dass Resonanzen bei den von der Maschine erzeugten Frequenzen vermieden werden, und es gegen die spezifische Vibrationsspezifikation des Kunden validieren statt gegen einen generischen Standard.

F: Kannst du ein Projekt beschreiben, bei dem mehrere dieser Faktoren zusammenkamen?

Windkraftanlagen fallen mir als klares Beispiel für eine kombinierte Herausforderung ein. Der Schleifring in einer Windkraftanlage sitzt zwischen Turm und Gondel, ist der gesamten Außenumgebung ausgesetzt, befindet sich in einer Höhe, die Wartungszugang wirklich schwierig macht, und soll unbeaufsichtigt durch jahreszeitliche Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und die von der darüberliegenden rotierenden Baugruppe erzeugten strukturellen Vibrationen laufen.

Die Spezifikation, die wir für eine dieser Installationen entwickelt haben, umfasste 27 Stromkreise einschließlich CANopen, Leistungs- und Signalkanälen, mit einem Betriebstemperaturbereich von −40 °C bis +80 °C und Schutzart IP54. Die kompakte Größe und einfache Installation waren wesentliche Einschränkungen, weil der Raum zwischen Turm und Gondel begrenzt ist und die Integration sauber und zuverlässig erfolgen musste, ohne nach der Installation Zugang für Nachjustierung oder Neuausrichtung zu benötigen.

Dieses Projekt zeigt, wie wichtig es ist, die Umgebungsbedingungen als primäre Konstruktionsanforderung zu behandeln und nicht als nachrangige. Der Temperaturbereich von 120 Grad zwischen der kältesten und der wärmsten Betriebsbedingung bestimmt die Materialauswahl in der gesamten Baugruppe. Die Vibrationsumgebung der darüberliegenden rotierenden Struktur bestimmt das Kontakt- und Montagedesign. Die schwierige Zugänglichkeit bestimmt das Zuverlässigkeitsziel. Keiner dieser Faktoren kann isoliert betrachtet werden; sie beeinflussen die Konstruktion gleichzeitig, und das Ergebnis hängt davon ab, sie von Anfang an gemeinsam zu berücksichtigen.