Alles, was Sie über Druckluftzylinder wissen müssen: Typen, Funktionsprinzipien und Anwendungsbereiche

Wie jede Technologie haben sich auch Druckluftzylinder (pneumatische Aktuatoren) durch Innovationen stark weiterentwickelt. Ingenieure haben verschiedene Bauformen entwickelt, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Dieser Artikel bietet Ihnen umfassende Informationen zu Druckluftzylindern (pneumatischen Aktuatoren) auf leicht verständliche Weise. Erfahren Sie mehr über die Funktionsweise von Druckluftzylindern, ihre Typen, Anwendungsgebiete, Vorteile und praktische Beispiele für industrielle Druckluftzylinder.

1. Wie funktionieren Druckluftzylinder in Automatisierungssystemen?

1.1 Grundlegendes Funktionsprinzip

Hast du schon mal eine Fahrradpumpe benutzt? Man drückt den Griff, und Luft strömt aus dem Schlauch und füllt den Fahrradreifen. Stell dir das Ganze mal andersherum vor: Du führst Druckluft in den Schlauch, wodurch sich der Griff bewegt. Das liegt daran, dass die Luft ein scheibenförmiges Element im Inneren des Schlauchs drückt. Diese Scheibe ist mit dem Griff verbunden und bewirkt so dessen Bewegung.

Luftzylinder funktionieren ähnlich, sind aber deutlich komplexer konstruiert und auf Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Wiederholgenauigkeit ausgelegt. Sie nutzen Druckluft aus einer Druckluftquelle mit einem typischen Druck von 0,1 MPa bis 1,0 MPa (ca. 14,5 PSI bis 145 PSI). Die Luft strömt in den Anschluss und drückt den Kolben. Der Kolben ist mit einer Kolbenstange verbunden, die sich zusammen mit dem Kolben geradlinig bewegt. Zwei Endkappen werden mithilfe von Zugstangen fest am Zylinderrohr fixiert.

Falls eine Bewegung in die andere Richtung erforderlich ist, wird dem anderen Anschluss Druckluft für die Rückwärtsbewegung zugeführt. Es besteht aus folgenden Teilen:

• Kolben

• Stange

• Lauf oder Zylinderrohr

• Siegel

• Endkappen

• Spurstangen

1.2 Einfachwirkende vs. doppeltwirkende Mechanismen

Das zuvor gezeigte Beispiel ist der doppeltwirkende Mechanismus eines Luftzylinders. Bei einem einfachwirkenden Zylinder gibt es nur einen Anschluss. Solange Druckluft in den Anschluss gepresst wird, hält der Zylinder seine Position und drückt die Feder von der gedehnten in die komprimierte Position. Sobald der Druck nachlässt, schnellt der Kolben in seine neutrale oder Ausgangsposition zurück. Diese gesamte Bewegung wird als einfachwirkender Mechanismus bezeichnet.

2. Welche verschiedenen Arten von Luftzylindern werden üblicherweise verwendet?

2.1 Standardzylinder

Es gibt zwei gängige Zylindertypen. Der Hauptunterschied liegt in ihrer Übereinstimmung mit den Normen der Internationalen Organisation für Normung (ISO) bzw. der National Fluid Power Association (NFPA). Dadurch eignet sich jeder Typ für bestimmte Regionen der Welt. Im Folgenden werden die einzelnen Typen erläutert:

2.1.1 Standard-Zylinder mit Spurstange

Standard-Zylinder mit Zugstangen entsprechen den in Europa und anderen Teilen der Welt verbreiteten Normen ISO 15552, ISO 6431 oder VDMA 24562. Sie zeichnen sich durch ihre einfache Reparierbarkeit und ihr geringeres Gewicht aus. Dank ihrer Bauweise eignen sie sich für höhere Drehzahlen und Bohrungsdurchmesser von 32 mm bis 200 mm.

Wählen Sie die Standardzylinder mit Zugstange für eine bessere Kompatibilität mit anderen Systemen weltweit. Diese eignen sich hervorragend für präzise und vielseitige Anwendungen.

Beispiel: ISO-Standardzylinder von Titan Automation – Pneumatikzylinder der DNG-Serie mit Zugstange

2.1.2 NFPA-Standardzylinder

Luftzylinder, die der NFPA-Norm (NFPA T3.6.7) entsprechen, sind speziell für den nordamerikanischen Markt entwickelt. Sie sind in Zugstangenbauweise mit Standardbefestigung erhältlich. Die Zylinder bieten standardisierte Montageabmessungen und sind mit Marken wie Parker, Festo und Bimba kompatibel. Dank ihrer robusten Bauweise eignen sie sich für anspruchsvolle Einsätze. Die Norm gewährleistet die Verwendung korrosionsbeständiger Materialien und bietet ein einstellbares Luftkissen.

Beispiel: Titan Automation – Professionelle NFPA-Pneumatikzylinder

2.2 Kompaktzylinder

Bei beengten Platzverhältnissen, wie beispielsweise in der Automatisierung und Robotik, können Kompaktzylinder von Vorteil sein. Es gibt spezielle Kompakt-Luftzylinder mit besonderen Spezifikationen für diverse Anwendungen. Im Folgenden werden die zwei Haupttypen von Kompaktzylindern vorgestellt:

2.2.1 Flache, kompakte Bauformen

Für maximale Platzersparnis sind flache, kompakte Luftzylinder ideal. Diese sind mit Hublängen von 5 bis 50 mm erhältlich. Dank ihrer runden Form und geringen Bauhöhe eignen sie sich hervorragend für beengte Einbausituationen. Sie sind besonders geeignet für Robotik und Montagelinien, bei denen die Bewegung wichtiger ist als die Kraft.

Beispiel: Die LP/LPM-Serie von Titan Automation mit Durchgangslochmontage

2.2.2 Kompakte Multi-Force-Varianten

Wenn es auf Kraft bei kompakter Bauweise und kurzen Hüben ankommt, sind Mehrkraft-Kompaktzylinder ideal. Diese Druckluftzylinder verfügen über mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Kolben zur Kraftverstärkung. Dank ihrer hohen Kraft eignen sie sich hervorragend für schwere Pressarbeiten.

Beispiel: Titan AutomationSDAT, ADVU UndSDAP Serie

2.3 Runde Zylinder

Die runden Zylinder sind kompakt und zeichnen sich durch ein minimalistisches Design aus. Sie sind leicht zu reparieren und zu reinigen und eignen sich daher ideal für leichte Anwendungen, bei denen Sauberkeit oberste Priorität hat.

2.3.1 Runde Mini-Zylinder aus Edelstahl

Diese runden Mini-Druckluftzylinder aus Edelstahl entsprechen der Norm ISO 6432. Dank der korrosionsbeständigen Materialien eignen sie sich für den Einsatz in der Lebensmittel- und Medizinbranche. Sie sind üblicherweise mit Fuß-, Flansch- oder Schwenkbefestigung erhältlich. Ihre einfache Bauweise macht sie zudem kostengünstig.

2.3.2 Reparierbare Zylinder mit rundem Gehäuse

Für einfache lineare Bewegungen sind runde Zylinder ideal. Um diese Druckluftzylinder reparierbar zu machen, wird eine leichte Konstruktion aus Aluminium bevorzugt. Sie eignen sich hervorragend für Verpackungs- und Materialtransportanwendungen.

Beispiel: Kleine pneumatische Zylinder aus Aluminium mit Nasenmontage von Titan Automation

Hier die Spezifikationen eines reparierbaren runden Luftzylinders:

2.4 Zwei- und Dreistangenzylinder

Für den Antrieb von Bewegungen werden häufig zwei oder drei Stangen benötigt. In der Hightech-Automatisierungsindustrie sind solche stabilen Bewegungen von entscheidender Bedeutung. Der Einsatz von zwei oder mehr Stangen für Luftzylinder verhindert Rotation und ermöglicht so präzise lineare Bewegungen. Der Hub kann zwischen 10 und 200 mm liegen. In kompakter Bauweise bieten sie Scherfestigkeit.

2,5 stangenlose Zylinder

Durch den Einsatz stangenloser Zylinder sind längere Hübe ohne hervorstehende Stangen möglich. Typischerweise werden sie in Förderanlagen für lineare Bewegungen verwendet. Für die geradlinigen Bewegungen nutzen sie eine magnetisch-mechanische Kupplung. Dank ihrer Bauweise sind sie flach und verfügen über integrierte Laufschienen für einen stabilen Betrieb. Sie benötigen keine Schmierung und sind für über 20 Millionen Zyklen ausgelegt. Ein einziger Hub kann ein Objekt um 6000 mm bewegen.

3. Häufige Anwendungen von Luftzylindern

4. Was sind die wichtigsten Vorteile der Verwendung eines Luftzylinders?

Ingenieure können lineare Bewegungen mithilfe von Elektromotoren erzeugen, doch dieser Prozess ist ineffizient und träge. Daher entschieden sie sich für die ultraschnelle Bewegung von Luftzylindern. Diese eignen sich hervorragend für ein breites Anwendungsspektrum und zeichnen sich durch ihre robuste Bauweise aus. Hier sind die wichtigsten Gründe, warum Luftzylinder ideale Aktuatoren sind:

4.1 Kosteneffizienz und Wirtschaftlichkeit

Der Einsatz von Motoren zur Bewegungserzeugung erfordert große Mengen an elektrischen Leitungen und Netzteilen. Auch Hydrauliksysteme benötigen Öl, was zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten führt. Zudem sind sie schwer und schwierig zu handhaben. Luftzylinder hingegen können ebenfalls lineare Bewegungen erzeugen, benötigen aber lediglich einen Schlauch mit Druckluft. Diese Eigenschaften machen Luftzylinder so attraktiv:

• Geringer Wartungsaufwand

• Leistungsdichte

• Energieeffizient

4.2 Sicherheit und Zuverlässigkeit

Durch die Verwendung pneumatischer Luftleitungen wird ein sauberer Betrieb gewährleistet. Im Vergleich zu Öl oder elektrischen Hochleistungsanschlüssen besteht keine Brandgefahr. Druckluftzylinder bieten folgende Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte:

• Sauberer Betrieb mit Luft

• Reduzierung der Brandlast

• Dämpfung für sanfte Stopps

• Zuverlässige Zyklen (über 20 Millionen)

4.3 Vielseitigkeit und Anpassbarkeit

Ingenieuren steht eine Vielzahl von Druckluftzylindertypen zur Auswahl. Die Vielseitigkeit und die Anpassungsmöglichkeiten zeigen sich in Folgendem:

• Große Auswahl an Größen

• Materialabweichungen

• Montagesysteme

• Mehrstangen- oder stangenlose Betriebsarten

• Einstellbare Hübe

Beispiel: Anpassbare Hubverstellung von Titan Automation

4.4 Umweltvorteile

Die Verwendung umweltschädlicher Flüssigkeiten, wie beispielsweise in Hydrauliksystemen, kann zu Reputationsschäden führen. In manchen Fällen kann dies sogar rechtliche Schritte seitens der Regierung nach sich ziehen. Druckluftzylinder nutzen pneumatische Luft und eignen sich daher ideal für umweltfreundliche Branchen wie Medizin, Gastgewerbe, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie Elektronikfertigung.

Abschluss

Pneumatikzylinder nutzen Druckluft für ihren Betrieb. Sie erzeugen eine lineare Bewegung, sobald Druckluft an ihre Anschlüsse geleitet wird. Ingenieure haben verschiedene Formen, Designs und Funktionsmechanismen für Pneumatikzylinder entwickelt, um deren Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Zu den wichtigsten Typen zählen Standardzylinder, Kompaktzylinder, Zwei- und Dreistangenzylinder, NFPA-Zylinder, Edelstahlzylinder, reparierbare Rundzylinder, nicht rotierende Zylinder mit Führungsstangen und stangenlose Zylinder. Ihr sauberer und sicherer Betrieb macht sie ideal für Anwendungen in der Industrieautomation, Medizintechnik, Lebensmittelverarbeitung und im Schwermaschinenbau.

Wenn Sie einen zuverlässigen Lieferanten suchen, sollten Sie sich die vielfältigen Angebote von Titan Automation ansehen. Das Unternehmen bietet eine große Auswahl an Produkten und gewährleistet dabei die Einhaltung internationaler Standards wie ISO, NFPA und VDMA. Die globale Kompatibilität und die spezialisierten Designs unterstreichen die Fertigungskompetenz und das Know-how von Titan Automation. Hier einige Beispiele für die von Titan Automation hergestellten Druckluftzylinder:

• DNG: Doppeltwirkende, nicht rotierende Führungsstange (Zylinderserie mit Zugstange, ISO 6431-konform).

• NTA NFPA: NTA (Ningbo Titan Automation) NFPA-Standard (North American Fluid Power Association-konforme Zugstangenzylinder).

• NTP: Nicht rotierender pneumatischer Zugstangenzylinder (flache, kompakte Zylinderbaureihe, auch als Pancake-Bauweise bekannt).

• SDA: Quadratischer Doppelwirkungszylinder (Kompakte Zylinderbaureihe mit quadratischem Gehäuse für platzsparende Anwendungen).

• CXS:Compact eXtra Stable (Doppelstangen-Nichtrotationszylinder, austauschbar mit SMC CXS).

• HN: Hochstabiler, nicht rotierender Zylinder (Mini-Freilauf-Doppelstangenzylinder zur Ausrichtung).

• ACK: Winkelklemmsatz (Pneumatischer Winkelzylinder für 90°/180°-Drehungen).

• NFPA TR: NFPA-Zugstange (Standard-NFPA-Zugstangen-Luftzylinder für hohe Austauschbarkeit).

• SSDA: Doppeltwirkend aus Edelstahl (Kompaktzylinder komplett aus Edelstahl für korrosive Umgebungen).

• NTR: Nicht rotierender Spurstangenkopf (reparierbarer Rundzylinder mit eloxiertem Aluminium).

• MAL: Mini-Aluminium-Linearzylinder (kleiner pneumatischer Zylinder für Linearbewegungen mit Nasenmontage).

• MGP: Pneumatischer Mehrfachführungsantrieb (Kompakter, geführter Aktor mit zwei Führungsstangen für höchste Präzision).

• NTA R: NTA Rodless (Zylinderbaureihe ohne Kolbenstange für platzsparende Langhubbewegungen).

Häufig gestellte Fragen

1. Wie bestimme ich die richtige Größe eines Zylinders?

Analysieren Sie zunächst Ihre Anforderungen. Welche Hublänge benötigen Sie und welche Kraft ist erforderlich? Verwenden Sie die einfache Formel F = P × A, um die benötigte Fläche zu berechnen. Stellen Sie sicher, dass der Luftdruck im Luftzylinder für genaue Messungen stabil ist.

2. Kann ein pneumatischer Zylinder mitten im Hub anhalten?

Ja, moderne Magnetkolbenkonstruktionen ermöglichen es dem Zylinder, seine Position in Echtzeit an eine SPS oder einen Mikroprozessor zu übermitteln. Mithilfe dieser direkten Rückmeldung kann der Luftzylinder über das Magnetventil mitten im Hub gestoppt werden.

3. Woran erkenne ich, ob mein Luftzylinder repariert oder ausgetauscht werden muss?

Ein Kraftverlust, laute Zischgeräusche, sichtbare Kratzer an der Kolbenstange, eine beschädigte Dichtung oder deutliche Anzeichen von Leckage deuten darauf hin, dass der Luftzylinder repariert werden muss. Für eine Reparatur benötigen Sie jedoch einen reparierbaren Luftzylinder; andernfalls bleibt nur ein Austausch.