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Vakuumtechnik in der Industrie –
Einsatzmöglichkeiten und Funktionsweise

Spricht man von Vakuumtechnik in der Industrie, so unterscheidet man höchst unterschiedliche Einsatzgebiete und Anwendungen. Sie ist eine wichtige und aus der Automation und Handhabungstechnik nicht wegzudenkende Technologie. Das Spektrum der Möglichkeiten ist breit gefächert und betrifft eine Vielzahl von Branchen von der Metallindustrie über die Automobilbranche bis zur Medizintechnik.

Die folgenden drei Anwendungsbeispiele veranschaulichen in etwa die Vielfalt der Vakuumtechnik:

Mithilfe von Vakuumsauggreifern können leichte, empfindliche Gegenstände innerhalb einer Automationskette sicher und gegebenenfalls berührungslos angehoben und transportiert werden.

Vakuumheber halten oder befördern sicher große, flächige Werkstücke, wie Holz- oder Spanplatten.

Schüttgüter, wie Sand, Stäube oder schüttbare Lebensmittel wie Mehl oder Zucker gelangen mittels Unterdruck aus dem LKW in die Lagerbehälter der Produktion oder von einer Produktionsstation zur nächsten. Man spricht hierbei von einem Unterdruck-Transportsystem.

Die Diversität der Beispiele belegt die große Palette der Einsatzmöglichkeiten, die diese Technologie bietet. Sie umfasst Handhabung von leichten bis schweren Werkstücken oder Komponenten bis zur Beförderung von Schüttgütern. Unterschiedlichste Prozessschritte wie Anheben, Fördern, Wenden, Greifen, Spanen, Halten, Einlegen, Bewegen, Umsetzen, Transportieren, Beschicken werden mit Vakuumtechnologie realisiert. Sauggreifer, Saugheber, Vakuum- und Balgsauger, Saugpinzetten oder berührungslose Transportsysteme in vielen Größen und Formen führen diese Schritte anwendungsbezogen aus. Auch Applikationen zum Ansaugen von flüssigen Materialien, wie in einem weiter unten aufgeführten Beispiel aus der Stahlindustrie, gehören dazu.

Vakuumbereiche – vom Unterdruck zum Ultrahochvakuum

Wie wird dieses für die Industrie so wichtige Vakuum erzeugt? Um diese Frage zu beantworten muss zunächst bestimmt werden, welcher Vakuumbereich für eine Applikation benötigt wird und um welchen technischen (Teil-)schritt es geht. Man unterscheidet folgende Messbereiche: Atmosphäre (1000 mbar=1 bar abs.), Unterdruck ( 1000 – 300 mbar abs.), Grobvakuum (1000 – 1 mbar abs.), Feinvakuum (1 – 10-3 mbar abs.), Hochvakuum (10-3 – 10-7 mbar abs.) sowie Ultrahochvakuum ( <10 -7 mbar abs.). In der Wissenschaft geht man von der absoluten Schreibweise aus, die den Umgebungsdruck mit einbezieht.
Dieser liegt je nach Höhenlage der Umgebung bei etwa 1 bar. Vakuum kann darüber hinaus auch als relativer Wert angegeben werden, wobei man von einem Luftdruck von 0 bar ausgeht. Die Relativwerte für Vakuum gehen daher in den negativen Bereich und haben negative Vorzeichen. 300 mbar abs. entspricht beispielsweise dem relativen Wert -700 mbar.

Zwei Prinzipien – ein Begriff: Vakuumerzeuger – Ejektoren und kinetische Vakuumpumpen

Technisch gesehen gibt es für das Erzeugen von Vakuum verschiedene Prinzipien. Hinter dem Begriff Vakuumerzeuger verbergen sich nämlich zwei höchst unterschiedliche Produkte. Diese stellen das Vakuum im ersten Fall pneumatisch, im zweiten Fall elektrisch, mithilfe von Bewegungsenergie bereit. Die rein pneumatisch betriebenen Vakuumerzeuger nennt man in der Fachwelt Ejektoren. Ejektoren sind klein, kompakt und leicht und werden meist direkt in ein Druckluftsystem mit einem beständigen Betriebsdruck integriert. Sie funktionieren nach dem Venturi-Prinzip. Dabei wird Druckluft in den Ejektor eingeleitet. Durch die darin befindliche, sich verengende Düse wird der Luftstom zugleich beschleunigt und komprimiert. Nach Verlassen der Düse entspannt sich der Luftstrom und es entsteht ein hoher Unterdruck, der bewirkt, dass Luft von außen durch den im Ejektor vorhandenen Vakuumanschluss angesaugt wird. Ejektoren können mithilfe von vorgeschalteten oder integrierten Ventilen innerhalb kürzester Zeit den Luftstrom des Systems umschalten, regeln und Vakuum generieren. Sie realisieren so kurze, präzise getaktete Arbeitszyklen. Diese Art der Vakuumerzeugung generiert hohes Vakuum (Hochvakuum oder Ultrahochvakuum) bei relativ geringem Volumentstrom. Sie wird da eingesetzt, wo es um das Handling von leichten bis mittelschweren Komponenten geht. Typische Anwendungsmöglichkeiten sind Industrieroboter-Applikationen oder Automationsketten in denen Werkstücke mittels Vakuumgreifern transportiert, gedreht, angehoben oder gehalten werden.

Das zweite Prinzip ist die Vakuumerzeugung durch Maschinen, wie Vakuumpumpen, Vakuum-Gebläse und Verdränger-Vakuumpumpen. Hier hat man es mit anderen Dimensionen zu tun, denn diese Maschinen sind von weitaus größerer Bauart als Ejektoren. Das technische Prinzip dahinter ist etwas komplizierter als das der Ejektoren. Vakuum-Gebläse oder Vakuum-Verdichter sind nicht in ein geschlossenes Druckluftsystem integriert. Sie sind vielmehr selbst der Ursprung des Vakuums, denn sie generieren das benötigte Vakuum durch kinetische Energie. In den meisten Fällen wird diese Bewegungsenergie im Vakuumgebläse durch Drehkolben erzeugt. Für den Antrieb der Drehkolben wiederum ist elektrische Energie notwendig. Die Luft oder auch Gase werden mithilfe von mechanischen Einwirkungen (= Drehkolben) in einem Rohrsysystem in die Förderrichtung gezwungen. Dabei entsteht ein verhältnismäßig geringes Vakuum jedoch ein hohes Saugvolumen. Bei einer Verdränger-Vakuumpumpe wird alternativ das einströmende Medium (Luft oder Gas) abgesperrt, somit verdichtet und anschließend ausgestoßen. Die Vakuumbereiche, die hier erzielt werden können, variieren zwischen Unterdruck und maximal Hochvakuum (dieses wird meist Verbindung mit vorgeschalteten Pumpen erreicht).

Anwendungsbereiche von Vakuum-Drehkolbengebläsen

Der hohe Volumenstrom, der generiert wird, eignet sich für vielfältige Industrieanwendungen, allerdings ganz andere als der sehr kleine der Ejektoren. Sie sind durchweg robusterer Art. Ein hoher Volumenstrom mit leichtem Unterdruck kann beispielsweise ideal für Absaugsysteme schädlicher Gase oder Stäube in der Produktion, Werkstätten, Kohlekraftwerken, der chemischen Industrie und überall dort, wo verunreinigte Luft abgesaugt werden muss, eingesetzt werden.

Vakuumgebläse haben jedoch noch viel mehr zu bieten: In der Stahlindustrie helfen sie bei der Veredelung von Stahl durch Stahlentgasung. Hierbei wird im sogenannten Vakuum-Umlaufverfahren eine Teilmenge des flüssigen Stahls per Unterdruck in ein Gefäß gesaugt. Man spricht hier von Größenordnungen von 10.000 bis 97.000 Kubikmetern pro Stunde. Der eingesaugten Schmelze wird durch das Einblasen von Argon der Kohlenstoff entzogen, das heißt, sie wird entkohlt und entgast. Im Anschluss fließt sie zurück in die Schmelzpfanne. In einem anderen Verfahren, dem sogenannten VODVerfahren (=Vacuum Oxygen Decarburisation) werden durch zusätzlich eingeblasenen Sauerstoff der Schmelze weitere Kohlenstoffe entzogen und der Stahl damit noch weiter veredelt.

Vakuum-Drehkolbengebläse sind des Weiteren ideal geeignet für den Unterdruck-Transport, der zum Bereich der pneumatischen Förderung gehört. Nicht nur Stäube und leichte Schüttgüter (s.o.) können durch die Erzeugung eines Unterdrucks mit einem hohen Volumenstrom transportiert werden, auch kleinere Metallteile, zum Beispiel Stanzabfälle die bei der Produktion im Walzwerk anfallen, können mittels Vakuum abgesaugt und über Rohrleitungen in den Schmelzprozess zurückgeführt werden.

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