Vakuumtechnik

Um Vakuum zu verstehen, muss man zuerst wissen, gegen welchen Bezug man misst. Wir leben am Boden eines Luftmeeres. Diese Luftsäule drückt mit dem Atmosphärendruck auf alles, was sich darin befindet — auf Meereshöhe sind das rund 1013 hPa, also etwa 1 bar. Dieser Wert schwankt mit Wetter und Höhe, ist aber der Ausgangspunkt für jede Vakuumbetrachtung.

Druck ist allgemein definiert als Kraft pro Fläche:

Der Absolutdruck wird vom echten Nullpunkt aus gemessen, also vom vollkommen luftleeren Raum. Ein Vakuum ist jeder Zustand, in dem der Absolutdruck unter dem Atmosphärendruck liegt. In der Praxis interessiert aber selten der Absolutwert, sondern der Abstand zur Atmosphäre — der Unterdruck. Er sagt, um wie viel der Druck im System unter dem Umgebungsdruck liegt:

Ein Vakuum von „60 %“ bedeutet also, dass der Absolutdruck im Sauger auf 40 % des Atmosphärendrucks gefallen ist. Diese prozentuale Angabe ist in der Handhabungstechnik üblich, weil sie unabhängig vom Luftdruck angibt, wie „stark“ das Vakuum gezogen ist.

Einheiten richtig lesen

Hier lohnt sich Genauigkeit, denn auf Manometern und in Datenblättern tauchen verschiedene Einheiten auf. Die gesetzliche SI-Einheit für Druck ist das Pascal (Pa), in der Praxis meist als Kilopascal (kPa) verwendet. Daneben ist das bar als zur SI-Einheit kohärente Einheit zugelassen und im Betrieb weit verbreitet — gerade in der Fluidtechnik rechnet fast alles in bar. Die Umrechnung ist einfach zu merken:

1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa = 1000 hPa = 1000 mbar

Auf älteren oder importierten Geräten begegnen einem zwei Einheiten, die man kennen, aber nicht selbst verwenden sollte. psi (pound-force per square inch) ist die angelsächsische Druckeinheit; 1 bar entspricht etwa 14,5 psi. Und mmHg (Millimeter Quecksilbersäule, auch „Torr“) taucht bei alten Vakuummetern auf; der volle Atmosphärendruck entspricht 760 mmHg. Wer diese Werte ungeprüft als bar oder kPa abliest, verschätzt sich um Größenordnungen — ein Vakuumwert von „600 mmHg“ sind eben nicht 600 mbar Unterdruck, sondern rund 800 mbar. Im Zweifel: Einheit auf dem Gerät prüfen und in kPa oder bar umrechnen, bevor man weiterrechnet.

Um einen Unterdruck herzustellen, muss Luft aus dem System abgesaugt werden. Dafür gibt es zwei grundlegend verschiedene Wege.

Der erste sind Vakuumpumpen, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten — ähnlich wie ein Kompressor, nur umgekehrt. Sie ziehen Luft aus dem angeschlossenen Volumen und schieben sie nach außen. Solche Pumpen erreichen hohe Vakuumwerte und große Saugleistungen und sind dort sinnvoll, wo dauerhaft und zentral viel Volumen abgesaugt wird.

Der zweite Weg ist in der Automatisierungstechnik weiter verbreitet, weil ohnehin Druckluft im Haus ist: der Vakuumerzeuger (Ejektor) nach dem Venturi-Prinzip, oft auch Saugdüse genannt. Er hat keine beweglichen Teile und sitzt direkt am Greifer.

Das Venturi-Prinzip

Die Idee dahinter ist ein einfacher strömungsmechanischer Zusammenhang: Wenn Druckluft durch eine Verengung gepresst wird, steigt ihre Geschwindigkeit, und gleichzeitig fällt der statische Druck. An der engsten Stelle entsteht ein Unterdruck. Schließt man dort einen Sauganschluss an, wird die Luft aus dem Sauger mitgerissen und abgeführt.

Die durchströmende Druckluft (Treibstrahl) reißt am Sauganschluss ständig Luft mit. Solange Druckluft anliegt, wird also weiter abgesaugt, und der Unterdruck am Greifer bleibt erhalten.

Zwei Kenngrößen beschreiben jeden Vakuumerzeuger. Das Saugvermögen gibt an, welches Luftvolumen er pro Zeiteinheit absaugen kann (etwa in Litern pro Minute) — es bestimmt, wie schnell sich das Vakuum aufbaut und wie gut der Erzeuger mit Leckluft fertig wird. Der erreichbare Enddruck (oft als maximales Vakuum in Prozent angegeben) sagt, wie weit der Erzeuger absaugen kann, wenn das System dicht ist. Venturi-Ejektoren erreichen typischerweise Vakuumwerte um 80 bis 90 %, was für die meisten Handhabungsaufgaben reicht.

Einstufige Ejektoren haben eine Düse und sind kompakt. Mehrstufige Ejektoren schalten mehrere Venturi-Stufen hintereinander; sie nutzen die Druckluft besser aus und liefern bei gleichem Luftverbrauch ein höheres Saugvermögen — sinnvoll, wenn größere oder leicht poröse Werkstücke gehandhabt werden.

Die Drucklufterzeugung und -aufbereitung selbst — Kompressor, Trockner, Filter — ist ein eigenes Thema und hier nur als Voraussetzung erwähnt: Der Ejektor braucht saubere, trockene Druckluft mit dem im Datenblatt angegebenen Betriebsdruck, sonst sinkt seine Leistung.

Jetzt zum Kern: Wie stark hält ein Sauger eigentlich? Die Haltekraft entsteht dadurch, dass auf der Werkstückseite des Saugers ein geringerer Druck herrscht als außen. Der äußere Atmosphärendruck drückt das Werkstück gegen den Sauger, und zwar mit der Druckdifferenz mal der wirksamen Fläche. Diese maximale Kraft unter Idealbedingungen heißt theoretische Haltekraft:

Die wirksame Fläche ergibt sich aus dem Saugerdurchmesser. Bei einem runden Sauger:

Diese theoretische Kraft ist aber eine Obergrenze, die man nie voll ausnutzen darf. In der Realität wirken mehrere Effekte dagegen: Das Werkstück wird beim Verfahren beschleunigt und abgebremst, es können seitliche Kräfte auftreten, die Oberfläche ist nicht perfekt dicht, und ein hängendes Teil belastet den Sauger anders als ein liegendes. Deshalb rechnet man mit einem Sicherheitsfaktor S, der die erforderliche Haltekraft über die reine Gewichtskraft hinaus anhebt:

Als Richtwerte gelten: S = 1,5 bis 2 für ein liegend, also senkrecht von oben gehaltenes Werkstück bei ruhigem Verfahren; S = 2 bis 4, wenn das Teil hängend oder seitlich gehalten wird oder schnell beschleunigt. Glatte, dichte Oberflächen erlauben eher den unteren Wert, raue oder leicht poröse den oberen. Im Zweifel wählt man den größeren Faktor — ein abgestürztes Werkstück kostet mehr als ein etwas größerer Sauger.

Bei der Auslegung kennt man fast immer die Masse des Werkstücks und das erreichbare Vakuum und sucht den passenden Sauger. Man stellt die Gleichungen also um: Aus der erforderlichen Haltekraft und der Druckdifferenz ergibt sich die nötige Fläche, daraus der Durchmesser. Verteilt man die Last auf mehrere Sauger, sinkt der Durchmesser pro Sauger entsprechend.

Sauger-Bauformen

Zwei Grundformen reichen für den Einstieg. Flachsauger sind niedrig und steif, geben dem Werkstück eine definierte Position und eignen sich für ebene, glatte Flächen wie Bleche oder Glas. Balgsauger haben einen oder mehrere Faltenbälge, federn beim Aufsetzen nach und können kleine Höhenunterschiede oder leicht gewölbte Oberflächen ausgleichen — etwa bei Kartons oder unregelmäßigen Teilen. Die Wahl der Bauform beeinflusst, welche Saugfläche tatsächlich wirksam wird.

Eine vollständige Vakuum-Handhabung besteht aus wenigen, aufeinander abgestimmten Bausteinen. Am Anfang steht der Vakuumerzeuger, dann folgt die Saugleitung zum Sauger, der das Werkstück kontaktiert. Damit die Steuerung weiß, ob das Teil sicher gehalten wird, überwacht ein Vakuumschalter den Unterdruck und gibt erst dann das Signal zum Verfahren, wenn ein eingestellter Schwellwert erreicht ist. Die genaue Funktionsweise solcher Druckschalter und -sensoren ist ein eigenes Thema der Sensorik und hier nur als Bestandteil der Kette genannt.

Ein wichtiger Punkt für den Energieverbrauch ist die Abschaltfunktion. Bei dichten Werkstücken kann ein Ejektor mit Luftsparschaltung abschalten, sobald der Sollwert erreicht ist, und erst wieder anlaufen, wenn das Vakuum durch kleine Leckagen abfällt. Das spart erheblich Druckluft, weil der Ejektor nicht permanent durchläuft.

Belüften — damit das Teil wieder loslässt

Genauso wichtig wie das Halten istt das gezielte Loslassen. Schaltet man den Erzeuger einfach ab, bleibt im Sauger und in der Leitung ein Restvakuum stehen. Das Werkstück klebt dann weiter am Sauger, löst sich verzögert oder fällt unkontrolliert — in einer getakteten Anlage ein echtes Problem. Deshalb wird beim Absetzen aktiv belüftet: Ein Belüftungsventil gibt einen kurzen Abwurfimpuls mit Druckluft auf den Sauger, baut das Restvakuum schlagartig ab und stößt das Teil sauber ab. Viele kompakte Vakuumerzeuger haben dieses Belüftungsventil bereits integriert.

Die Reaktionszeit der Anlage hängt also an beiden Enden: am Vakuumaufbau beim Greifen und am Belüften beim Ablegen. Wer nur den Aufbau optimiert und das Belüften vergisst, verschenkt Taktzeit beim Abwurf. Leckage wirkt zusätzlich: Eine undichte Leitung oder ein poröses Teil zwingt den Erzeuger zum Dauerlauf und verschlechtert sowohl Energiebilanz als auch erreichbares Vakuum.

Eingesetzt wird Vakuum überall dort, wo Werkstücke berührungsschonend und ohne Formschluss gehalten werden müssen: beim Handling von Blechen, Glas und Kartons, beim Spannen flacher Teile auf Bearbeitungstischen und beim Fördern über Sauggreifer an Robotern und Portalen.