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Mehr als nur Leistung: Kosteneinsparungen durch Direktantriebssysteme

24 Jan 2022
Kollmorgen Experten


Die Leistungsvorteile von Direktantriebsmotoren liegen auf der Hand: branchenführende Leistung, erhöhte Präzision, höherer Durchsatz, bessere Zuverlässigkeit und leiserer Betrieb. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Antriebssystem verbindet ein Direktantriebssystem den Dreh- oder Linearmotor direkt mit der Last, wodurch die Anzahl der beweglichen Teile im System reduziert wird. Das Entfernen dieser Teile – Getriebe, Riemen, Riemenscheiben und zugehörige Komponenten – ermöglicht einen hochdynamischen Vorgang mit mehreren Vorteilen. Erfahren Sie mehr über die Vorteile der Direktantriebstechnologie.

Ein häufig übersehener Aspekt eines Direktantriebssystems ist jedoch die Kostenersparnis im Vergleich zu einem herkömmlichen System. Vergleicht man die Kosten eines Direktantriebsmotors mit denen eines herkömmlichen Motors, so scheint der Direktantrieb die kostenintensivere Lösung zu sein. Tritt man jedoch einen Schritt zurück und vergleicht die gesamte Lebensdauer des Systems, zeigt sich, dass ein Direktantriebssystem im Vergleich zu einem herkömmlichen System günstiger ist. Anhand von Berechnungen und Beispielen, die auf US-Märkten basieren, können wir die Kosteneinsparungen eines Direktantriebssystems aufzeigen. 

Geringere Teilekosten

Der Wegfall von Zahnrädern, Riemenscheiben, Dichtungen, Lagern und anderen zugehörigen Komponenten führt zu unmittelbaren Kosteneinsparungen im Vergleich zu einem herkömmlichen System. Wir können damit anfangen, über die Gesamtkosten des Systems nachzudenken und darüber, wie diese Komponenten von den Kosten für den Motor abgezogen werden können. 

Kosteneinsparungen pro Teil = Motorkosten - [(Zahnräder) + (Zahnriemen) + (Riemenscheiben) + (Leitspindeln) + (Dichtungen) + (Lager)]

Die Komponenten des mechanischen Getriebes können pro System 300 US-Dollar und mehr kosten. Diese Summe wird dann von den Motorkosten abgezogen. Die Anschaffungskosten eines Direktantriebsmotors mögen zwar höher sein als die eines herkömmlichen Motors mit mechanischem Getriebe, doch der Wegfall von Teilen führt zu unmittelbaren Kosteneinsparungen, die sich nach der Installation in weiteren langfristigen Einsparungen niederschlagen.

Geringerer Arbeitsaufwand

Weniger Teile bedeuten weniger Arbeitsaufwand, da die Riemenscheiben, Schutzvorrichtungen, Lager, Riemen und anderen Komponenten des Systems nicht zusammengebaut, montiert und eingestellt werden müssen. Ein Direktantriebsmotor kann direkt an der Maschine montiert werden und ist durch seine eigenen Lager selbsttragend. Dadurch kann eine Maschine nicht nur schneller produziert werden, es werden auch Arbeitskosten eingespart. 

Einsparungen bei Installationsarbeiten = (Stundenlohn) * (Stunden) * (Anzahl der Maschinen)

Die Einsparungen hängen vom Alter der Systeme, den marktüblichen Löhnen und der Anzahl der benötigten Stunden ab. Bei einem Stundensatz von rund 150 Euro für zwei Stunden Arbeit an zwei Systemen würden die Arbeitskosten jedoch circa 530 Euro betragen. Wenn wir nur eine Maschine berücksichtigen und die oben erwähnten Kosteneinsparungen bei den Teilen addieren, ergibt sich eine Gesamtersparnis von etwa 800 Euro.

Für eine weitere Kostenersparnis sorgt der Wegfall überdimensionierter Motoren für den Antrieb des Getriebes, die zwischen 400 und 1.400 Euro kosten können und eine exaktere Feinabstimmung der hohen Trägheitslasten erfordern. Durch den Direktantrieb entfällt das Problem der ungleichmäßigen Trägheit, was zu einer zusätzlichen Kosteneinsparung führen würde, wenn wir es hier berücksichtigen würden.  
 

Geringere Wartungskosten

Teile, die es nicht gibt, können nicht verschleißen. Durch den Wegfall des mechanischen Getriebes entfällt auch die Notwendigkeit, Getriebesysteme zu warten oder auszutauschen. Auch wenn es Nebenkosten gibt, wie zum Beispiel zur Beschaffung, Bestellung und Lagerung von Teilen, die für die Wartung nötig sind, verwenden wir die einfachste Definition von Wartungskosten, um mögliche Einsparungen zu berechnen: Arbeit plus Teile. 

Wir können uns das so vorstellen: 

Wartungskosten = [(Zahnräder) + (Zahnriemen) + (Riemenscheiben) + (Leitspindeln) + (Dichtungen) + (Lager)] + (Stundensatz * Stunden)

Anhand dieser Formel können wir erkennen, dass die Wartungskosten für ein mechanisches Getriebe die Kosten für die Teile plus den Arbeitsaufwand für den Einbau dieser Teile umfassen würden. Wenn die Gesamtkosten der auszutauschenden Teile beispielsweise 300 Euro betragen und der Einbau dieser Teile bei einem Stundensatz von 150 Euro 2 Stunden in Anspruch nehmen würde, würden sich die Gesamtkosten für die Wartung auf 600 Euro für Teile und Arbeit belaufen. Addiert man dies zu den Kosten für die Originalteile und die Installationsarbeiten, so würden sich die Gesamtkosten der Maschine während ihrer Lebensdauer auf rund 1.200 Euro belaufen.

Geringere Ausfallzeit, höherer Umsatz

Weniger Teile, die weniger Zeit für die Wartung erfordern, verringern die Gesamtausfallzeit einer Maschine, was zur Umsatzsteigerung durch höhere Produktion führen kann. Die größten Ausgaben entstehen für ein Unternehmen meist durch unerwartete Ausfallzeit. Das liegt nicht nur an den oben erwähnten damit verbundenen Wartungskosten, sondern auch an ungenutzter Arbeitskraft, Auswirkungen auf andere Prozesse und geringerem Durchsatz. Der Einfachheit halber berechnen wir die verlorenen Kosten, die während der Ausfallzeit entstehen, indem wir den Gesamtbetrag der Ausfallzeit, die durchschnittliche Produktionsrate und den Bruttogewinn pro Einheit betrachten. 

Ausfallkosten = Dauer des Ausfalls * (Nicht produzierte Einheiten * Kosten pro Einheit)

Die Variable ist dabei die tatsächliche Betriebszeit. Ein System mit einer geplanten Betriebszeit von 10 Stunden und einer Ausfallzeit von 2 Stunden, das in dieser Zeit 500 Einheiten mit einem Bruttogewinn von 25 Euro pro Einheit produziert, verzeichnet innerhalb der 2 Stunden Ausfallzeit Verluste in Höhe von 3.125 Euro. Selbst wenn Sie die Ausfallzeit nur um die Hälfte, das heißt um 1 Stunde, reduzieren, ergeben sich Einsparungen in Höhe von über 1.700 Euro. Damit liegen die Einsparungen durch den Direktantrieb bereits bei mindestens 2.900 Euro. 
 

Bessere Leistung, höhere Produktivität

Der Wegfall des mechanischen Getriebes im System aufgrund der direkten Verbindung des Motors mit der Last bedeutet, dass es weder zu einer Hysterese, noch zu einer Gegenwirkung noch zu einem Bewegungsverlust in irgendeiner Richtung kommt. Der Vorteil ist eine höhere Positions-, Geschwindigkeits- und Dynamikgenauigkeit, wodurch Effizienz und Leistung gesteigert werden. 

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Messung der Kosteneinsparungen aufgrund verbesserter Leistung. Mögliche Indikatoren sind weniger Störungen, geringerer Arbeitsaufwand, höhere Bestellzahlen und andere. Für unsere Zwecke sehen wir allerdings den Durchsatz genauer an. Bleibt alles gleich mit Ausnahme der Direktantriebstechnologie, werden wir uns eher um die Verbesserung der Produktion kümmern als um die Senkung der Kosten durch Erhöhung des Durchsatzes.

Der Durchsatz berechnet sich aus dem Bestand geteilt durch die Zeit (R = I/T). Je mehr Bestände gleichzeitig verarbeitet werden können, desto effizienter ist der Prozess. Wir können uns das als Steigerung des potenziellen Bruttoumsatzes vorstellen, der sich aus der Differenz zwischen dem verarbeiteten Bestand multipliziert mit den Stückkosten ergibt.  

Bruttoumsatz = ((lx - ly)/T)*Stückkosten

In diesem Fall können wir die Produktion eines herkömmlichen Motors innerhalb einer Stunde von der eines Motors mit Direktantrieb abziehen und erhalten die Gesamtmenge der produzierten Güter. Bei einem Kunden mit einer Pressenzuführanlage konnte Kollmorgen eine Steigerung der Genauigkeit von 0,002" auf 0,0005" erzielen. Ein anderer Kunde konnte seinen Durchsatz mit hoher Geschwindigkeit um 13 % erhöhen. Legt man diese Steigerung zugrunde, würde eine Erhöhung von 500 Einheiten pro Stunde auf 565 Einheiten pro Stunde bei 15 Euro pro Einheit zusätzliche Bruttoeinnahmen in Höhe von 975 Euro pro Stunde generieren. Dabei blieben natürlich zunächst die zusätzlichen Materialkosten zur Aufrechterhaltung dieser Frequenz außer Acht. Allerdings kann diese Maßnahme zu mehr produzierten Teilen oder geringerer Laufzeit und weniger Arbeit führen.

Die Einzelteile zusammensetzen

Unabhängig davon, an welchem Punkt des Lebenszyklus Sie sich befinden - Installation einer neuen Anlage oder Wartung eines bestehenden Systems - können Sie mit einem Direktantriebsmotor erhebliche Kosteneinsparungen erzielen. Von den Vorlaufkosten bis zum besseren Durchsatz können wir das große Ganze betrachten, um zu erkennen, wie die verschiedenen Komponenten im Zusammenspiel funktionieren:
  • Kosteneinsparungen pro Teil = Motorkosten - [(Zahnräder) + (Zahnriemen) + (Riemenscheiben) + (Leitspindeln) + (Dichtungen) + (Lager)]
  • Einsparungen bei Installationsarbeiten = (Stundenlohn) * (Stunden) * (Anzahl der Maschinen)
  • Wartungskosten = [(Zahnräder) + (Zahnriemen) + (Riemenscheiben) + (Leitspindeln) + (Dichtungen) + (Lager)] + (Stundensatz * Stunden)
  • Ausfallkosten = Dauer des Ausfalls * (Nicht produzierte Einheiten * Kosten pro Einheit)
  • Bruttoumsatz = ((lx - ly)/T)*Stückkosten

Die größten Einsparungen werden durch die Reduzierung der Teile erzielt, die bei der Direktantriebstechnologie benötigt werden. Weniger Teile bedeuten weniger Installations- und Wartungsaufwand, weniger Ausfallzeiten aufgrund von Teilefehlern und eine längere Betriebszeit für höhere Produktivität.

Wir entwerfen ein Direktantriebssystem für Ihre Anlage

Betrachtet man das Gesamtsystem über einen normalen Lebenszyklus hinweg, so wird deutlich, dass ein Direktantriebssystem im Vergleich zu einem herkömmlichen System Kosteneinsparungen ermöglicht. Allerdings können Einsparungen und tatsächliche Produktion je nach Anlage, Standort und Branche unterschiedlich ausfallen. Es ist deshalb entscheidend, das System nach Ihren Anforderungen und denen der Anlage auszuwählen und anzupassen. 

Kollmorgen bietet diverse Arten von Direktantriebssystemen mit verschiedenen Motoren, Antrieben, Rückführsystemen und anderen Komponenten an, die für den Bau einer effizienteren und rentableren Anlage erforderlich sind. Bevor Sie Ihre nächste Anlage entwerfen, sollten Sie einen Experten von Kollmorgen kontaktieren, um das Beste aus Ihrem System herausholen.

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Dieses Blogthema wurde in Zusammenarbeit von Motion- und Automationsexperten bei Kollmorgen erstellt, darunter Ingenieure, Customer Service - Mitarbeiter und Applikateure. Gerne helfen wir auch bei Ihrem Projekt.

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