Eine Einführung in die Vakuumtechnologie

Was ist ein Vakuum?

Das Wort Vakuum leitet sich aus dem Lateinischen für „leerer Raum“ ab, doch in der realen Welt gibt es so etwas nicht. Selbst das Vakuum des Weltraums enthält geringe Mengen an Materie, und ein perfektes Vakuum existiert nur theoretisch. Für alle praktischen Zwecke ist ein Vakuum der Zustand eines Raumvolumens mit deutlich negativem Druck im Vergleich zur Atmosphäre. Ein künstliches Vakuum wird erzeugt, indem Materie, normalerweise Luftmoleküle, aus einem begrenzten Raum entfernt wird.

Was ist ein niedriges, mittleres oder hohes Vakuum?

In einem Vakuumsystem ist weniger mehr. Da ein Vakuum durch die Minimierung der Menge an Luftmolekülen in einer geschlossenen Umgebung erzeugt wird, bedeutet eine geringere Anzahl an Molekülen einen höheren Vakuumgrad. Wenn Luft entfernt wird, entsteht ein negativer Druck, der dem Anteil der entfernten Moleküle entspricht. Je nach Anforderungen einer bestimmten Anwendung unterscheiden sich die Methoden zur Erzeugung eines Vakuums erheblich.

Gemessen in mbar Druck werden verschiedene Arten von Vakuumniveaus in die folgenden Bereiche unterteilt:

• Grob- oder Niedervakuum – Atmosphärendruck bis 1 mbar. Es wird in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, einschließlich industrieller Handlingtechnik. In diesem Bereich wird das Vakuumniveau häufig als Prozentsatz angegeben, z. B. 80 % Vakuum.
• Mittel- oder Feinvakuum – 1 bis 10-3 (0.001) mbar. Wird z. B. bei der Gefriertrocknung von Lebensmitteln, der Stahlentgasung und der Glühlampenproduktion eingesetzt.
• Hochvakuum (HV) – 10-3 bis 10-8 mbar. Wird z. B. bei der Herstellung von Elektronenröhren und dem Schmelzen von Metallen eingesetzt.
• Ultrahochvakuum (UHV) – 10-8 bis 10-11 mbar. Wird z. B. bei der Metallbeschichtung und beim Elektronenstrahlschmelzen eingesetzt.

Um höhere Druckbereiche zu erreichen, steigen Komplexität und Energiekosten exponentiell. Während viele der häufigsten Anwendungen im Grobvakuumbereich liegen, erfordern einige Fertigungsprozesse und wissenschaftliche Anwendungen die höheren Bereiche. Alle Bereiche oberhalb des Grobvakuumbereichs werden zunehmend schwieriger zu messen.

So erzeugen Sie ein Vakuum

Der erforderliche Vakuumgrad unterscheidet sich je nach industrieller Anwendung erheblich, ebenso wie die zu seiner Erzeugung verwendete Ausrüstung. An der Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Vakuumsystems sind jedoch immer verschiedene Pumpen beteiligt, die in manchen Fällen mehrstufig arbeiten. Einige Beispiele für verschiedene Arten von Vakuumpumpen:

• Kryopumpen: Branchen, die im Ultrahochvakuumbereich arbeiten, beispielsweise die Herstellung optischer Folien oder von Halbleitern, verwenden kryogene Pumpen, die Moleküle auf einer extrem kalten Oberfläche „einfangen“. Kryopumpen werden auch häufig in wissenschaftlichen Forschungsbereichen wie Teilchenbeschleunigern und Weltraumsimulationskammern eingesetzt.
• Roots-Pumpen: Bei der Metallreinigung und verschiedenen Arten von Beschichtungsanwendungen können mehrstufige Roots-Pumpen eingesetzt werden. Diese Pumpen verdichten Gas zwischen gegenläufig rotierenden Drehkolben, um den Mittel- oder Hochvakuumbereich zu erreichen.
• Schraubenpumpen: Bei der Gefriertrocknung von Lebensmitteln werden üblicherweise Schraubenpumpen mit asymmetrisch rotierenden Schrauben eingesetzt, um die Sublimation während des Trocknungsprozesses zu beschleunigen.
• Drehschieberpumpen: Nicht zuletzt sind Drehschieberpumpen, die Rotoren nutzen, um Luft kontinuierlich zu verdichten und auszustoßen, die am häufigsten verwendeten Vakuumpumpen. Drehschieberpumpen werden universell im Niedrig- und Mittelvakuumbereich eingesetzt, unter anderem auch in der Vakuumhebetechnik.

Die Mechanik des Vakuumhebens

Die Vakuumhebetechnik arbeitet im Grobvakuumbereich, der mit mechanischen Messgeräten in Millimetern oder Zoll Quecksilbersäule (mmHg oder inHg) und/oder Kilopascal (kPa) gemessen werden kann. Diese Einheiten sind immer negativ und werden auf dem Messgerät mit einem Minuszeichen (-) gekennzeichnet.

Kilopascal ist besonders als Näherungswert für den Vakuumprozentsatz nützlich. 50 % Vakuum entsprechen etwa -50kPa relativ zum Atmosphärendruck. Bei Vakuummessungen werden auch mehrere zusätzliche Einheiten und Skalen verwendet, doch die Prozentskala ist im Grobvakuumbereich am nützlichsten, da sie allgemein verständlich ist.

Komponenten eines Vakuumsystems

Vakuum-Saugnäpfe und -Schläuche

Ein weit verbreiteter Irrglaube über Saugnäpfe oder Saugfüße ist, dass das Innere des Saugnapfs die Last greift und sie aufgrund des Vakuums nach oben zieht. Tatsächlich ist es der höhere atmosphärische Druck außerhalb des Saugnapfs, der Druck nach unten in Richtung des Gegenstands ausübt und dadurch den Klemmeffekt erzeugt.

Aus diesem Grund hat die Höhe eines Vakuumsaugnapfs keinerlei Einfluss auf den Vakuumgrad oder seine Hubfähigkeit. Die Größe der Oberfläche, die mit der Last in Kontakt kommt, ist jedoch entscheidend. Deshalb müssen Sie die Oberfläche des Saugnapfs an die vorgesehenen Lasten anpassen. Obwohl es möglich sein kann, schwere Gegenstände mit einem vergleichsweise kleinen Saugnapf zu heben, müssen Sie auch Scherkräfte berücksichtigen, wenn Gegenstände bewegt werden, und einen Sicherheitszuschlag einplanen.

Abschätzung der Haltekraft eines Saugnapfs

Um die zur Haltung einer flachen, nicht porösen Last erforderliche Saugfläche mit einem an einem Hebezeug montierten Vakuumtraversensystem wie dem Plattenheber von TAWI abzuschätzen, kann folgende Berechnung verwendet werden:

Die Halte- oder Hubkraft beträgt bei 100 % Vakuum etwa 1 kg pro 1cm2. Wie bereits festgestellt, gibt es kein 100%iges Vakuum, aber dies ist ein nützlicher Referenzwert.

Im praktischen Einsatz kann ein Heber mit 60 % Vakuum betrieben werden. 60 % von 1 kg sind 0,6 kg, was bedeutet, dass wir 0,6 kg pro 1cm2 Saugnapffläche heben können. Teilen Sie das Ergebnis anschließend durch einen Sicherheitsfaktor von 2, der üblicherweise verwendet wird.

Beispiel: Ein Saugnapf mit einem Durchmesser von 300 mm (11.8″) (706cm2 oder 109.4in2) hat bei 60 % Vakuum und einem Sicherheitsfaktor von 2 eine Haltekraft von 212 kg.

Abschätzung der Kapazität eines Hubschlauchs

Bei Hebern, die einen separaten Hebezug zum Heben und an einer Traverse montierte Saugfüße verwenden, welche an der Last haften, ist eine vereinfachte Abschätzung der Kontaktfläche der Saugfüße nützlich. Anders ist die Situation, wenn sowohl Greifen als auch Heben mithilfe von Vakuumtechnologie erfolgen, beispielsweise beim TAWI Multifunktionalen Heber.

In einem schlauchunterstützten Vakuumhebesystem arbeitet der Schlauch selbst aufgrund seiner Flexibilität mit einem negativen Druck zwischen 0–60 %. Um dies auszugleichen, muss die Haltekraft stets größer sein als die Fläche des Hubschlauchs. Daher stellen wir immer sicher, dass die Saugnapffläche mindestens 2.5-mal größer ist als die Fläche des Schlauchs.

Das Ergebnis ist, dass Sie die Last garantiert niemals fallen lassen, bevor sie auf den Boden abgesenkt wird, und dass Sie das 2.5-Fache dessen halten können, was Sie heben können. Mit anderen Worten: Die Saugnapffläche ist in diesem Fall zwar weiterhin wichtig, aber der Fläche des Hubschlauchs nachgeordnet.

Anpassung eines Vakuumsystems

Abgesehen von eigenständigen Systemen wie dem TAWI Mobilen Kommissionierer werden Vakuumhebesysteme häufig in hohem Maße angepasst, um die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls zu erfüllen. Einige der Faktoren, die die Auswahl der Komponenten bestimmen, sind:

• Gewicht, Form und Oberfläche der Werkstücke.
• Transportweg für das Handling.
• Anforderungen an Drehen oder Kippen.
• Gewünschte Geschwindigkeit oder Zykluszeit.

Für eine bestimmte Anwendung kann eine große Auswahl an Saugfüßen oder Saugnäpfen, Traversen, Kränen und Schienen ausgewählt und kombiniert werden, um einen optimalen Einsatz und eine optimale Nutzung zu gewährleisten. 

Beispielsweise können stabile Kartons mit einem schlauchunterstützten Heber wie unserem Multifunktionalen Heber sowie einem Griff und Saugnapf in passender Größe gehoben werden. Wenn die Lasten eine poröse oder unebene Oberfläche aufweisen, wie es bei Säcken üblich ist, kann eine Gummischürze um die Saugnäpfe angebracht werden, um die Kontaktfläche zu maximieren und gleichzeitig Luftleckagen durch einen höheren Volumenstrom der Vakuumpumpe auszugleichen.

Platten können spezielle Traversen, Drehfunktionen und möglicherweise einen vertikalen Schienentransport erfordern. All dies passt ideal zu unserem Plattenheber.

Obwohl alle diese Systeme dieselbe grundlegende Funktion des Hebens und Handlings erfüllen, unterscheiden sich Konfiguration und Auswahl der Komponenten in jedem Anwendungsfall erheblich.

Schläuche, Verbindungen und Filter

Um das Vakuumsystem zu vervollständigen, müssen Sie für Vakuum geeignete Schläuche mithilfe von Schlauchklemmen, Dichtringen und Verschraubungen anschließen. Sicherzustellen, dass alle diese Teile perfekt montiert und abgedichtet sind, ist für den sicheren Betrieb jedes Drucksystems unerlässlich. Diese Komponenten müssen an das jeweilige System angepasst werden, wobei Toleranzen und Langlebigkeit besonders sorgfältig berücksichtigt werden müssen.

Ein oder mehrere Filter werden ebenfalls verwendet, um die Vakuumpumpe vor Staub und anderen Verunreinigungen zu schützen, die ihre Lebensdauer verkürzen oder Betriebsstörungen verursachen könnten.

Vakuumpumpen

Vakuumpumpen, die in Vakuumhebesystemen eingesetzt werden, sind normalerweise Gasverdrängerpumpen, auch als Gastransferpumpen bezeichnet. Das Grundprinzip einer Verdrängerpumpe besteht darin, Luft über ein Einlassventil in ein sich vergrößerndes Volumen einzusaugen, sie in ein kleineres Volumen zu verdichten und die verdichtete Luft anschließend wieder in die Atmosphäre auszustoßen.

Das Funktionsprinzip aller Verdrängerpumpen ist gleich, doch bei Vakuumhebesystemen werden typischerweise trockenlaufende, ölfreie Drehschieberpumpen eingesetzt. Wie der Name andeutet, nutzen diese Pumpen einen internen Rotor mit mehreren Schiebern, die kontinuierlich Luft ansaugen, verdichten und ausstoßen.

Dieser Pumpentyp bietet mehrere Vorteile. Er ist kompakt, benötigt im Vergleich zu anderen Varianten wenig Wartung und kann mit einer konstanten Saugrate arbeiten.

Vorteile von Vakuumhebesystemen

Viele Aspekte heben das Vakuumheben gegenüber Alternativen hervor. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Höhere Produktivität – Die körperliche Konstitution des Bedieners spielt keine Rolle. Jeder kann für die sichere Verwendung eines Vakuumhebers oder Greifers geschult werden und schwere Lasten heben, ohne Energie zu verlieren. Das Ergebnis sind deutlich effizientere Arbeitsabläufe, die Mitarbeiter nicht erschöpfen.
• Ergonomische Gesundheit – Da beim Heben und Handling nur sehr wenig Kraftaufwand erforderlich ist, werden die körperliche Belastung und das Risiko arbeitsbedingter Verletzungen erheblich reduziert. Dies hält Mitarbeiter nicht nur gesünder und zufriedener, sondern sollte auch zu weniger krankheitsbedingten Fehlzeiten führen, die sonst die Produktivität beeinträchtigen können.
• Flexibilität in der Belegschaft – Da jeder heben kann, verfügen Unternehmen über wesentlich mehr Flexibilität bei der Rekrutierung und Mitarbeiterrotation. Die effizienten Arbeitsabläufe sind außerdem weniger arbeitsintensiv, sodass eine kleinere Belegschaft ausreicht.
• Vermeidung von Schäden – Im Vergleich zu verschiedenen Arten mechanischer Hebetechnik reduziert Vakuumheben in der Regel das Risiko von Materialschäden, beispielsweise Kratzern oder Verformungen.
• Sicherheit – Vakuumhebesysteme sind aus mehreren Gründen von Natur aus sicher. Einer davon ist, dass ein Hebevorgang bei einer Fehlfunktion des Vakuumsystems gar nicht erst gestartet werden kann. Bei kritischen Problemen wie einem Stromausfall stellen ausfallsichere Ventile sicher, dass die Last nicht sofort abfällt.

Wenn Sie weitere Fragen dazu haben, wie unsere Vakuumhebesysteme funktionieren und wie sie an Ihre spezifischen Anforderungen und Arbeitsabläufe angepasst werden können, zögern Sie nicht, uns für eine kostenlose Beratung zu kontaktieren .