Welt der Technik: der Spindelmotor

Görlitz, 4. Dezember 2021. Von Thomas Beier. Hin und wieder rührt der Görlitzer Anzeiger die Werbetrommel für eine Ausbildung oder ein Studium in den MINT-Fächern, also Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik – der Bedarf an Absolventen schick klingender Studiengänge wie dem der Kommunikationspsychologie dürfte eher begrenzt sein. Klar im Vorteil ist, wer ausgehend von einer soliden Ausbildung immer weiter lernt und sich dabei auch neues Terrain erschließt. Starten wir also in die Welt der Technik!

Immer wieder Spindeln und Spindelantriebe

Ein großer Vorteil des technischen Bereichs besteht darin, dass es immer um Gegenstände geht, um Fahrzeuge, Maschinen, Geräte, Vorrichtungen, Werkzeuge, Fahrzeuge und mehr – also und Dinge, die man sehen und anfassen kann und die zudem funktionieren müssen. Als Praktikant bin ich im Stammbetrieb des VEB Werkzeugmaschinenkombinats "Fritz Heckert" – dem damals am Standort Karl-Marx-Stadt, das heute wieder Chemnitz heißt, nach Produktionsfläche größten Werkzeugmaschinenherstellers in Europa – ganz praktisch mit dem Bau von Werkzeugmaschinen und Fertigungs- beziehungsweise Bearbeitungzentren in Kontakt gekommen.

Technisch im Fokus stand schon damals, die Produktivität der elektronisch gesteuerten Maschinen weiter zu erhöhen, insbesondere durch

• kürzere Zeiten für den automatischen Werkzeugwechsel,
• bessere Vernetzung der Maschinen, Stichwort: Flexible Maschinensysteme,
• schnell beschleunigende und mit hohen Drehzahlen arbeitende Antriebsspindeln.

Das ist ein Technikbereich, der im besonderen Maße nicht nur das systematische, sondern das systemische Denken schult – eine überaus wertvolle Fähigkeit auch für ganz andere Wissengebiete. Den Spindeln jedenfalls bin ich treu geblieben, von den Motorspindeln im Maschinenbau über die Spindelmotore in Festplatten – die im Englischen "spindle motor" heißen – und die Spindeln in der Oberlausitzer Textilindustrie bis hin zum Faible für historische Technik, in diesem Fall gestützt durch die Wiederentdeckung des Spinnrades in der Familie.

Vielleicht können die Spindeln mit diesem Beitrag jemanden dazu anregen, sich für eine Ausbildung im Maschinenbau oder sogarfür ein Studium auf diesem Gebiet zu interessieren – die Berufsaussichten dürften fantastisch sein.

Spindelmotor: ein Überblick

In industriellen Produktionsprozessen müssen Unternehmen seit vielen Jahren auf hochproduktive Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren setzen, bei denen das Teilehandling oft durch Industrieroboter erfolgt. Als Quelle für Rotationsbewegungen kommt dabei häufig die Motorspindel, die auch als Spindelmotor bezeichnet wird, zum Einsatz.

Wesentlichste Eigenschaft des Spindelmotors ist es, dass dank seiner Steuerbarkeit kein Getriebe für die Drehzahländerung benötigt wird. Vielmehr ist der integrierte Motor dafür verantwortlich, das die Spindel, die etwa ein spanabhebendes Werkzeug trägt, direkt angetrieben wird. Aus diesem Grund spricht man bei einer Motorspindel auch von einem Direktantrieb. Das spart nicht nur Platz sowie Material- und Fertigungsaufwand für ein Zahnrad- oder etwa Keilriemengetriebe, sondern reduziert Energieverluste und erlaubt sehr hohe Beschleunigungen und Drehzahlen.

Grundsätzlich zeigen sich die Motorspindeln als überaus robust, widerstandsfähig und langlebig. Allerdings sind bei hochbelasteten Baugruppen Materialermüdung und vorzeitiger Verschleiß nie ganz auszuschließen – und dann kann der Austausch teuer werden. Günstiger – man spricht von Kosteneinparungen zwischen 30 und 70 Prozent – und nachhaltiger ist die Reparatur der Spindel. Darauf haben sich Unternehmen spezialisiert: Ist die Spindel defekt, hilft die Spindelreparatur vom Profi dabei, dass der Roboter oder die Maschine in kürzester Zeit wieder einwandfrei einsatzbereit ist.

Spindelmotor – das sind seine Komponenten

Unabhängig davon, von welchem Hersteller ein Spindelmotor gefertigt wurde, sie alle weisen in der Regel die gleichen Komponenten auf. Eine Motorspindel besteht grundsätzlich aus der Spindel, an der sich eine Werkzeugaufnahme befindet, dem Motor als Antrieb für die Spindel und dem Gehäuse samst Kühlung. Außerdem sind Sensoren zu finden, von denen die Steuerung unterstützt wird und Funktionen überwacht werden.

Dabei sind Spindelmotoren im Design immer wieder sehr kompakt ausgeführt und können bei Bedarf sogar an vorgegebene Anwendungen angepasst werden. Die Leistungsdichte des beidseitig gelagerten Elektromotors ist sehr hoch, genau deshalb ist die erwähnte Kühlung, meist als Wasserkühlung ausgeführt, nötig. Essentiell ist neben dem Motor selbstredend die Spindel selbst. Als rotierende Welle überträgt sie Drehzahl und Drehmoment über eine Aufnahme je nach Einsatz auf ein Werkzeug – so beim Fräsen, Bohren und Schleifen – oder wie beim Drehen ein Werkstück.

Zu den ausschlaggebenden Komponenten für die mit einer Motorspindel erzielbare Qualität gehören neben der Steifheit – sprich dem Verformungswiderstand der Spindel – die Spindellager. Auf verschlissene Lager deuten nicht nur Laufgeräsche, sondern vor allem mangelhafte Oberflächen und Maßhaltigkeiten an bearbeiteten Werkstücken sowie geringere Standzeiten der Werkzeuge hin. Immerhin müssen die Lager hohe radiale und axiale Kräfte aufnehmen und für viele Anwendungen dennoch spielfrei arbeiten. In der Praxis kommen unterschiedliche Arten von Spindellagern zum Einsatz. Das Hybridkugellager stellt dabei in der Regel die erste Wahl dar, wenn mit sehr hohen Drehzahlen gearbeitet wird. Durch die integrierten Keramikkugeln dieser Spindellager kommt es zur Reduzierung der Fliehkraft sowie zu einer höheren Rundlaufgenauigkeit.

Liegt der Durchmesser der Motorspindel in einem kleinen Bereich, wird oft eine Fettschmierung genutzt, die für die gesamte Lebensdauer ausreicht. Bei Motorspindeln in größeren Dimensionen, die in hohen Drehzahlbereichen arbeiten, stellt jedoch die Öl-Luft-Schmierung beziehungsweise die Luft-Öl-Schmierung die erste Wahl dar.

So wird vom Einsatz der Motorspindel profitiert

Werden Motorspindeln einem direkten Vergleich mit herkömmlichen Keilriemenantrieben unterzogen, treten ihre Vorteile klar zu Tage, mehr noch: Moderne Maschinen und Roboter mit ihren hohen Anforderungen wären ohne die Direktantriebe undenkbar. Zu den bereits oben genannten Vorteilen kommt noch die Wartungsarmut, die Motorspindeln eigen ist.

Beim Direktantrieb von Maschinen muss deutlich weniger Masse bewegt werden. Das spart Energie beim Beschleunigen, das wegen der geringeren Massenträgheit zudem schneller erfolgt, und erleichtert aus gleichem Grund die Abbremsvorgänge. Mit dem Einsatz von Motorspindeln verkürzen sich die Bearbeitungszeiten deutlich, Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität der Werkstücke werden verbessert. Besonders das enorme Beschleunigungsvermögen bis in hohe Drehzahlbereiche von 30.000 Umdrehungen pro Minute und mehr ermöglicht produzierenden Unternehmen, durch den Einsatz von Maschinen mit Direktantrieben ihre Produktivität deutlich zu erhöhen.

Lernen!

Ohne gute Ausbildung und kontinuierliche Weiterbildung geht der Anschluss an den aktuellen Wissenstand schnell verloren. Wer sich beruflich etwa mit der Konstruktion und Herstellung von Motorspindeln befassen möchte, braucht Wissen aus ganz unterschiedlichen Gebieten: Elektromotorenbau, Statik und technische Dynamik, Festigkeitslehre und Werkstoffkunde sind grundlegend.

Die Nase hat besonders weit vorn, wer sich dazu noch auf dem Gebiet der Maschinensteuerung, insbesondere der Software, auskennt. Die Steuerungstechnik war übrigens im "DDR"-Maschinenbau das große Manko: Zwar wurden die Heckert-Maschinen und jene der anderen ostdeutschen Hersteller aus der "Vereinigung Volkseigener Betriebe Werkzeugmaschinen und Werkzeuge" (WMW) in beachtlichen Mengen in Richtung Westen exportiert, doch die Steuerungstechnik musste meist zu Hause bleiben, da hatte ein westdeutscher Anbieter die Nase vorn.