The wide spread applications of pneumatics in all kind of industries are significantly based on the intrinsic advantages of pneumatic components, namely their compactness, robustness, flexibility together with ease of use and cost advantages. Modern pneumatics development is governed by general principles of sustainability, which includes resource efficiency and energy efficiency, by mechatronic system integration, by modular integrated components and miniaturised functions, by communication technologies, distributed intelligence and interface management.
The tremendous success of pneumatics is the result of an unbroken innovatory impulse, driven by pneumatic industry and corresponding research institutes together with high end applications in production industry.
The future is actively shaped by intensive efforts and ambitious research projects, driven individually by suppliers and also jointly in pre-competitive areas. The presentations in this section give an overview of current challenging developments driving pneumatics further to future success.
· In valve technology magnetic actuators are state of the art, still going to be developed to advanced performance. New actuator principles – namely piezo technology, shape memory alloys and electro active polymers – are under predevelopment and will give additional chances in special applications.
· Due to the holistic approach of mechatronics and the integration of intelligence and communication features, which are currently discussed in the context of cyber physical systems within the industry 4.0 approach, pneumatic subsystems play an important role in future production technology.
· Optimally criteria based behaviour of pneumatic drives controlled with discrete or proportional valves will give so far unachieved performance for many specialized applications.
· Nowadays the aspect of energy efficiency of pneumatic applications in competition with electric drives is heavily discussed. Here the specific aspects lead to a detailed view of the application itself and gives decision criteria for selection of the right technology. Some research projects, e.g. Green Carbody, show very new results, derived from a detailed analysis of existing production units on shop floor level in automotive industries.
· Pneumatics is perfectly suited for new robotics developments in
the context of direct man machine interaction. The development of the bionic handling assistant derived from bionic principles is an example of the intrinsic compliant behaviour of pneumatic structures.
· Furthermore pneumatics needs to be a focus in education, both in professional training and in academic education. New concepts of didactics are important in this context.
All these developments need future research in detailed technical principles as well as research cooperation along the entire value chain. These activities are driven since years by the VDMA fluid power research association and need to be continued at a high level in future.

Tagungsthemen: Pneumatik, Effizientes Systemdesign, Energieeinsparung, Nachhaltigkeit


In Bezug auf wachsende Anforderungen bei der effizienten Energieverwendung stehen auch Pneumatikanbieter in der Automatisierungs- und Handhabungstechnik vor Herausforderungen, die sich beispielsweise in der Weiterentwicklung von Auslegungstools unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs (z.B. Planungs- und Bewertungstools von pneumatischen/elektrischen Anlagen im Rahmen des Green Carbody Projekts [GCB11]) oder neuen Ansteuerkonzepten für die Pneumatik (z.B. im EnEffAH-Projekt [Dol12]) zeigen. Darüber hinaus scheint es erforderlich zu sein, die gesamte Wirkkette vom Kompressor bis zum pneumatischen Antrieb oder Druckluftverbraucher zu betrachten, um zu ganzheitlichen Lösungsansätzen zu kommen. Daher besteht für Pneumatikanbieter eine Notwendigkeit, sich auch mit der Drucklufterzeugung und -verteilung zu beschäftigen und Druckluft nicht länger als etwas zu betrachten das „aus dem Verteilnetz kommt“ (ähnlich zu „Strom aus der Steckdose“). Wenn zwei Branchen, wie hier die Kompressor- und Anwenderseite, aufeinander treffen, ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Begrifflichkeiten und Beschreibungsweisen häufig Verständigungsschwierigkeiten. Der hier vorgeschlagene Vortrag setzt an dieser Stelle an. Er will zum besseren Verständnis der Vorgänge in einer Druckluft¬kompressor¬station für Anbieter und Nutzer von Pneumatik beitragen, indem eine für die Pneumatikwelt bekannte Beschreibungsweise gewählt wird.

Grundlagen für diese Beschreibungsweise sind Messungen an einem zweistufigen Kompressor mit Zwischenkühlung, an dem an verschiedenen Stellen Druck und Temperatur der Strömung bis zum Speicher gemessen werden (vgl. Abbildung 1). Gemeinsam mit den Informationen von einem Massenstromsensor besteht somit an jedem Messpunkt vollständige Information über den thermodynamischen Zustand der Luft. Somit können die Vorgänge in der Druckluftkompressorstation mit Hilfe polytroper Zustandsänderungen detailliert beschrieben werden. Interessanter Weise treten dabei zur Beschreibung der Zustandsänderung in den Kühlern negative Polytropenexponenten auf. Auch wenn der Polytropenexponent prinzipiell von minus bis plus unendlich definiert ist (vgl. [Els73], S. 130), wird der technisch wichtige Bereich für ideale Gase in der Regel im Bereich 1 < n < κ=1,4 gesehen (vgl. [Els73], S. 131). Im Beitrag wird erläutert, wieso ein negativer Polytropenexponent zur Beschreibung der Thermodynamik von Kühlern dennoch sinnvoll ist.



Abbildung 1: Schaltplan Druckluftkompressorstation



Abbildung 2: Polytropen-Schar im p,v-Diagramm (Quelle: [Els73], S. 131)]


Weiterhin wird basierend auf den Messdaten ein Exergieflussdiagramm aufgestellt (vgl. dazu [Kri12]). Dieses dient zur Verdeutlichung der Umsetzung der in die Druckluftkompressorstation eingebrachten elektrischen Energie in Form von Wärme- und Arbeit. Es wird abschließend ein kurzer Abriss über die Notwendigkeit der detaillierten Betrachtung von Kompressoren in Hinblick auf die Energieeffizienz von Druckluftanlagen gegeben.


Literatur

[Dol12] Doll, Matthias; Sawodny, Oliver; Neumann, Rüdiger: Energy Efficient Adaptive Control of Pneumatic Drives with Switching Valves; Proceedings 8th International Fluid Power Conference; Vol. 3; S. 253 – 264; Dresden; 26.-28.03.12

[Els74] Elsner, Norbert: Grundlagen der technischen Thermodynamik; Verlagsgruppe Bertelsmann GmbH / Bertelsmann Universitätsverlag; Berlin; 1973

[GCB11] Ditterich, Daniel; Engler, Wolfgang; Bredau, Jan: Effizienter Drucklufteinsatz im Automobilbau, ATZ produktion, 04/2011.

[Kri12] Krichel, Susanne; Sawodny, Oliver; Hülsmann, Steffen; Hirzel, Simon; Elsland, Rainer: Exergy Flow Diagrams as Novel Approach to Discuss the Efficiency of Compressed Air Systems; Proceedings 8th International Fluid Power Conference; Vol. 3; S. 253 – 264; Dresden; 26.-28.03.12

The automation of manufacturing processes is a key element of today’s industrial production. To accomplish typical tasks, such as positioning, moving, grabbing and clamping, pneumatic solutions are often implemented. Compared to electrical drives pneumatics feature good dynamic properties as well as a simple system design, which makes pneumatics the first choice for a wide range of applications.
Due to rising energy efficiency demands pneumatics is exposed to a heightened competition with other technologies. Therefore, discharging the compressed air into the environment, as usually done in typical pneumatic systems, is energetically unfavorable. Hence different approaches to a more energy conserving system setup have been developed.
Apart from the usual steps to improve system efficiency more complex modifications facilitate the temporary storage of energy and therefore allow the energy recuperation for following actuation cycles. All these circuit modifications unite the disadvantage of a significant increase in the number of needed system components and actuation signals of valves.
To circumvent these disadvantages a new concept was developed at the Institute for Fluid Power Drives and Controls (IFAS) of RWTH-Aachen University. The concept allows operating pneumatic systems in a virtually closed loop circuit. Thereby a complex circuitry is avoided and a flexible system layout with all its benefits is preserved.
The operation of a pneumatic system in a fully closed circuit would not be beneficial, because air loss through leakage or intended withdrawal must be compensated. Instead ejectors are utilized to recharge the quasi closed loop circuit and compensate air loss.
The activated ejectors are capable of feeding a mass flow from the environment to the quasi closed circuitry with an elevated pressure level. In this case the air compressor sucks in air from a low pressure accumulator with a raised pressure level instead of the environment with ambient pressure. This reduces the energy consumption of the air compression to a constant pressure level in comparison to a conventional pneumatic system.
The new concept with air recuperation allows the recirculation of the compressed air into a low pressure accumulator, using the ejector instead of the exhaust air throttle. To preserve the motion characteristics of a conventional system with meter-out control, a switching valve is used, which connects the ejector with the low pressure accumulator as long as the ejector is critically perfused. If the flow through the ejector reaches a non-critical condition, the switching valve connects the ejector outlet to the environment, which results in the flow properties of a conventional meter-out control. The switching valve is pressure actuated with an area ratio adjusted to the critical flow condition.
In order to keep the system layout with air recuperation as simple as possible, all further components, except the low pressure accumulator, are integrated into a single assembly. This allows a simple implementation into new pneumatic systems and furthermore provides a possibility to upgrade existing facilities.
The proposed paper will present the stand-alone energy recuperation system installed in an exemplary pick-and-place-application to evaluate the energy savings potential. Furthermore, the presented air recuperation system is compared to other approaches to energy savings. Thereby a holistic view, including the compressed-air system, is intended.

Kompakte pneumatische Ventilsysteme verfügen über spezielle elektropneumatische Vorsteuerventile, die das Ausgangssignal von elektrischen Steuerungen in pneumatische Ansteuersignale für die Hauptventile umsetzen. Durch die zunehmende Miniaturisierung in vielen Bereichen der Industrie-Pneumatik ergeben sich für die Vorsteuerventiltechnik neue Herausforderungen, denen sich die Hersteller stellen müssen. Dabei zeichnen sich zwei unterschiedliche Entwicklungstendenzen ab. Eine Entwicklungsrichtung konzentriert sich auf die Erschließung neuer Aktorprinzipien, die andere versucht, das Potenzial des konventionellen elektromagnetischen Wandlers stärker auszuschöpfen.

Der Fokus des vorliegenden Beitrags ist auf die elektromagnetischen Vorsteuerventile gerichtet, die aufgrund des enormen Kostendrucks in der Pneumatik, nach wie vor in den Standard-Applikationen dominieren. Alternative Aktorprinzipien besitzen zum Teil zwar erhebliches Miniaturisierungspotenzial, finden bisher jedoch vorwiegend nur in weniger kostensensitiven Nischen-Applikationen ihren Einsatz.

Im ersten Teil des Beitrags wird zunächst auf die grundlegenden Forderungen eingegangen, die sich aus dem speziellen Einsatz in bauraumoptimierten Ventilsystemen ergeben. Es werden prinzipielle Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt und verschiedene applikationsspezifische Punkte diskutiert.

Nach diesen einführenden Betrachtungen konzentriert sich die weitere Darstellung auf spezielle Aspekte der einzelnen Teilsysteme des Vorsteuerventils. Schwerpunktthemen sind der elektromagnetische Aktor und die elektronische Ansteuerung.

Dabei wird speziell auf die aus der Miniaturisierung resultierenden Fragestellungen eingegangen. Der elektromagnetische Aktor kommt in Dimensionen, die sehr hohe Forderungen an die Bauteiltoleranzen und die Präzision der Fertigungsprozesse stellen, was nicht ohne Auswirkungen auf die Kostensituation bleibt.

Darüber hinaus wirkt sich die Reduzierung der Baugröße auch auf die Funktion des Aktors aus. Eine Verkleinerung des zur Verfügung stehenden Wickelfensters der Spule führt zu einer entsprechenden Verringerung der Durchflutung. Damit wird das Kraftpotenzial reduziert, das Verhältnis von Reibkraft zu Nutzkraft ungünstiger und die konstruktive Auslegung deutlich anspruchsvoller.

Neben dem verringerten Kraftpotenzial bei vorgegebener Leistung führt die Reduzierung der Baugröße auch zu einer ungünstigeren thermischen Situation infolge Reduzierung der Flächen für den Wärmeübergang.

Durch den Einsatz von mehr oder weniger komplexen Schaltungen zur Haltestromabsenkung kann die Verlustleistung in der Spule deutlich abgesenkt und die Wärmebilanz positiv beeinflusst werden.

Nach diesen eher grundsätzlichen Aussagen zum Thema Vorsteuerventiltechnik wird im letzten Teil eine spezielle technische Realisierung vorgestellt. Es handelt sich dabei um ein Vorsteuerventil mit elektromagnetischem Aktor in U-Bügelausführung. Der pneumatische Steuerteil ist in Form einer Patrone ausgeführt und kann konstruktiv relativ einfach in ein Hauptventil integriert werden.

Der pneumatische Steuerteil der Ventilpatrone unterscheidet sich im konstruktiven Aufbau deutlich von den marktüblichen Lösungen. Während in konventionellen Vorsteuerventilen Elastomerscheiben gegen ringförmige Sitzkonturen weich dichten, ist in der vorgestellten Ventilpatrone ein Hartsitz realisiert. Als Steuerelement kommt eine Metall-Kugel zum Einsatz, die in einem gespritzten kegligen Kunststoffsitz dichtet.

Abschließend wird der Einsatz der Ventilpatrone in einem kompakten Ventilsystem gezeigt. Die spezielle Bauform des Vorsteuerventils ermöglicht eine vorteilhafte Integration in das Hauptventil mit günstiger Gestaltung der pneumatischen Kanalführung und einfacher Möglichkeit zur elektrischen Verkettung.