Vakuumhandhabungstechnik nimmt in vielen Bereichen des industriellen Materialflusses eine unersetzbare Rolle ein. Aufgrund der Unzugänglichkeit für andere Greifprinzipien und/oder der schonenden Handhabungsform ist die Vakuumhandhabungstechnik in Anwendungsfeldern wie Logistik, Blechhandhabung oder dem Verpackungsbereich nicht wegzudenken. Die Vakuumerzeugung kann dabei auf zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten erfolgend. Zum einen können je nach Anforderung an Volumenstrom oder Unterdruck Pumpen oder Gebläse eingesetzt werden, zum anderen ist die Vakuumerzeugung mittels druckluftbetriebener Ejektoren möglich. Hierbei werden Venturi-/Laval-Düsen verwendet um ein für die Handhabung ausreichenden negativen Überdruck zu erzeugen.
Da es sich bei Handhabungsaufgaben meist um nicht wertschöpfende Prozesse handelt, wird von Seiten der Anwender versucht den Energieverbrauch auf das Nötigste zu minimieren. Hierbei spielt die Auswahl der Vakuumerzeugung eine entscheidende Rolle, da diese den energieintensiven Teil des Vakuumhandhabungssystems darstellt. Aufgrund der Unsicherheit des Vergleichs der verschiedenen Erzeugungsarten soll in dieser Arbeit eine Methodik vorgestellt werden, mit deren Hilfe sich beide Arten der Erzeugung – elektrisch und pneumatisch – energetisch Vergleichen lassen. Wichtig ist dabei die ganzheitliche Sicht der Betrachtung, sodass beide Gesamtprozesse vergleichbar werden. Besondere Beachtung wird dabei der pneumatischen Vakuumerzeugung geschenkt, da diese u.a. durch den vorgelagerten Kompressor ein komplexeres System als die rein elektrische Erzeugungsart darstellt.
Auf Basis des Energievergleichs der beiden Systemalternativen können in weiteren Schritten auf einfache Art eine Gesamtkostenrechnung (LCC) oder Ökobilanz (LCA) erstellt werden, welche somit neben den rein technischen Anforderungen an das Handhabungssystem ebenfalls in die Systemauswahl einfließen können.

In der industriellen Automatisierung kommen elektromechanische und pneumatische Antriebe zur Realisierung von verschiedenen Bewegungsaufgaben zum Einsatz. Pneum. Antriebe zeichnen sich, im Vergleich zu elektromechanischen Antriebslösungen, durch einen geringen Anschaffungspreis und niedrige Wartungskosten aus. Hinsichtlich des Energieaufwands gibt es eine Vielzahl von Maßnahmen um effizient zu arbeiten, aber die Frage nach der Bewertung des Energieverbrauchs ist nach wie vor Gegenstand der Forschung.

In mehreren Forschungsprojekten wurde bereits gezeigt, dass Druckluftanlagen und pneum. Verbrauchersysteme oft große Einsparpotenziale aufweisen. Diese Einsparpotenziale können durch den Einsatz von Energiesparmaßnahmen genutzt werden, welche beispielsweise auf eine Reduzierung des Betriebsdrucks abzielen. Für eine effiziente Umsetzung dieser Maßnahmen muss das Einsparpotenzial eines jeden Antriebssystems bekannt sein. Dazu muss eine Analyse des energetischen Systemverhaltens durchgeführt werden.

Für die energetische Analyse eines pneumatischen Antriebsystems bieten sich drei verschiedene Methoden an. Diese drei Methoden sind die Druckluftverbrauchsrechnung, die energetische Bilanzierung mithilfe der Kenngröße „Air Power“ und die Exergie-Analyse. Diese Methoden basieren auf den thermodynamischen Grundlagen pneumatischer Systeme. Die Berechnungsgleichungen der einzelnen Methoden unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Komplexität und gelten unter unterschiedlichen Randbedingungen.

Die Methoden wurden bereits einzeln in Veröffentlichungen vorgestellt.
Im Gegensatz dazu zielt dieser Beitrag auf die Gegenüberstellung dieser Methoden ab. Im geplanten Beitrag erfolgt zunächst eine Beschreibung der verwendeten Berechnungsgleichungen und getroffenen Annahmen. Danach wird die Eignung der jeweiligen Methodik zur Detektion von Einsparpotenzialen und zur Ableitung von Energiesparmaßnahmen aufgezeigt.
Dabei wird untersucht, ob durch die Verwendung einer komplexen Exergie-Analyse zusätzliche Potenziale gefunden werden können. Schließlich wird die Anwendbarkeit der Methoden in einem industriellen Umfeld untersucht. Hierbei wird beispielsweise der benötigte Aufwand zur messtechnischen Erfassung der Bilanzgrößen der jeweiligen Methode verglichen.

Bei der Druckluftverbrauchsrechnung wird die Befüllung der vorhandenen Zylinder-, Schlauch- und Totvolumen auf einen gewissen Betriebsdruck innerhalb eines Arbeitszyklus betrachtet und das benötigte Druckluftvolumen bestimmt. Bei den Befüllungsvorgängen wird ein isothermes Zustandsverhalten (T = konstant) angenommen. Diese Methode ist für die Bestimmung der Energieaufnahme pneumatischer Antriebe mit einfachen Schaltungsstrukturen (z.B. abluftgedrosselter Zylinderantrieb) geeignet, jedoch nicht für die Beschreibung von Verlusten.

Sowohl bei der Analyse mittels Air Power als auch Exergie wird die pneum. Energie quantitativ auf der Basis des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik und qualitativ auf der Grundlage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik bilanziert.

Die Air Power beschreibt den maximalen Anteil an technischer Arbeit, welcher aus einem Druckluftstrom gewonnen werden kann. Die Herleitung der Kenngröße erfolgt aus der Bestimmung der maximal umsetzbaren Arbeit unter isothermen Randbedindungen an einem Kolbenzylinder. Die Kenngröße Air Power setzt sich aus einem Expansionsanteil und einem Verschiebeanteil der pneum. Leistung zusammen. Weiterhin berücksichtigt diese Beschreibung Verluste durch Entropieproduktion.

Der dritte Ansatz zur Energiebilanzierung ist eine Exergie-Analyse, welche auf die Bilanzierung der Exergie innerhalb des Systems abzielt. Die Exergie ist der Anteil der pneum. Energie, welcher für die Umwandlung in technische Arbeit genutzt werden kann. Die benötigten Berechnungsgleichungen bei einer Exergie-Analyse sind aufwendiger als bei den ersten beiden Methoden, berücksichtigen jedoch das Temperatur¬verhalten des Antriebs und erlauben die Quantifizierung aller thermo¬dynamischen Verlustanteile.

During the last years, lightweight construction using sheet metals manufactured by hot stamping increased permanently. Especially the automobile industries applies hot stamping as forming method to save weight in the car structure. Hot stamping is a forming process with hot metal sheets in the temperature range of 600-950°C. The thermal shock in the forming die causes the microstructure of the metal sheet to transform from austenitic to martensitic crystal structure, resulting in high strength.

Bulge tests are used to examine material properties as flow curve and FLC of sheet metals. In contrast to common tensile tests, higher strains can be achieved using the bulge test because of its biaxial stress characteristics. The exact knowing of the material behavior is a fundamental factor for improving finite element simulation. More accurate simulations for the forming processes can reduce material and development costs at the same time.
In this paper a new approach of the hot gas bulge test is presented to match the conditions for hot stamping.

In cold bulge tests the metal sheet is formed using hydraulic oil under high pressure at cold temperatures. However, the mechanical properties of most metals exhibit an increasing dependence on the strain rate at higher temperatures. The application of hydraulic oil at temperatures in the range of 600°C to 950°C is not possible, so the need of another pressure medium is necessary. Since the forming should be frictionless to avoid an impact of the contact material, inert gas is chosen as pressure medium.

The required temperatures of the metal sheet between 600°C-950°C, different forming speeds with controlled strain rates, high pressure and physical properties of gases as well as safety and noise aspects create a challenging task for the design of the test chamber and pressure control. Existing gas based bulge tests at high temperatures are not able to control strain rates, nor to form the test samples at high strain rates.

The dimensioning is based on the process sequence in correlation with the volume change of the bulge. The bulge volume influences directly the amount of energy stored within the test chamber. Due to the compression capability of gases, the gas volume can cause an overcritical bulge, if the metal strength decreases more rapidly by strain than the gas pressure by volume expansion. An exact design of the chamber is necessary to avoid an uncontrolled failure of the samples.

Different concepts of design and control are reviewed to find the best fitting solution for the new hot gas bulge test. A simulation analysis of the flow curve with extrapolated parameters reveals required conditions on a pressure control valve to provide the needed mass flow rates. The realization of the test chamber and the layout of the control circuit are presented. The pressure control must handle high mass flow rates for high strain rates as well as exact amounts of very small mass flow rates for slow forming cycles.