DC-Kleinstmotoren im Erkundungseinsatz:

Der Reißverschluss-Mast

Übersicht behalten kann Leben retten. Die Blaulichteinheiten, also Feuerwehr, Rettungsdienst, Katastrophen- und Zivilschutz sowie Polizei verwenden Kamerasysteme deshalb zu Überwachungs- und Aufklärungszwecken. Bild: FAULHABER

Ein ferngesteuertes Raupenfahrzeug stoppt kurz vor einer mannshohen Mauer. Dann schiebt sich aus seinem Inneren ein Mast in die Höhe, an dessen Kopf eine kleine Kamera montiert ist. Wenige Augenblicke später hat sie einen ungehinderten Blick auf die Geschehnisse auf der anderen Seite. Der sehr kompakte Mast besteht aus drei nach dem Reißverschlussprinzip miteinander verzahnten Stahlbändern. Für das zuverlässige Ein- und Ausfahren dieser „Zippermast“-Konstruktion sorgt ein robuster, leistungsstarker DC-Kleinstmotor, der nur wenig Einbauplatz benötigt.

Kompaktes und robustes Teleskopsystem, das sich für unbemannte Fahrzeuge im harten Außeneinsatz eignet. Bild: progenoX

Kompaktes und robustes Teleskopsystem, das sich für unbemannte Fahrzeuge im harten Außeneinsatz eignet.
Bild: progenoX

Für die gefahrlose Erkundung, etwa nach einem Unfall oder einem terroristischen Anschlag, hat die bayerische Firma progenoX ein ferngesteuertes Raupenfahrzeug mit ausfahrbarem Kameramast entwickelt. Die sogenannten Blaulichteinheiten, also Feuerwehr, Rettungsdienst, Katastrophen- und Zivilschutz sowie Polizei verwenden den mobilen Mast meist zu Überwachungs- und Aufklärungszwecken. Aber auch bei der Inspektion von Rohren und Schächten hat sich der kompakte Zippermast inzwischen als nützlich erwiesen. Mit seiner Hilfe werden zum Beispiel in einem Atomkraftwerk die Be- und Entlüftungsanlagen nach Rissen und Fremdkörpern abgesucht.

Bandmaß trifft Reißverschluss

Auch bei der Inspektion von Rohren und Schächten hat sich der kompakte Zippermast inzwischen als nützlich erwiesen. Bild: progenoX

Auch bei der Inspektion von Rohren und Schächten hat sich der kompakte Zippermast inzwischen als nützlich erwiesen.
Bild: progenoX

Der Anstoß zur Entwicklung dieser besonderen Teleskop-Technologie kam von den US-amerikanischen Streitkräften. Sie waren auf der Suche nach einem möglichst kompakten und robusten System, das sich für unbemannte Fahrzeuge eignet. Die Entwickler des Zippermasts ließen sich bei ihrer Konstruktion vom metallischen Maßband inspirieren, das aufgrund seiner Wölbung unter Spannung steht und sich deshalb ausziehen lässt ohne zu knicken. Sie nahmen drei Stahlbänder und verbanden sie beim Ausfahren nach dem Reißverschlussprinzip. Aus den biegsamen Bändern wird so ein stabiler Mast. „Als ich den Zippermast zum ersten Mal sah, war ich von dem Konstruktionsprinzip sofort begeistert“, erinnert sich Frank Woodcock, Geschäftsführer von progenoX. Er erwarb die Technologie 2012 in den USA und brachte sie nach Deutschland. Mit seinem Team hat er den Teleskopmast überarbeitet und zur Serienreife gebracht.

Drei Stahlbänder verbinden sich beim Ausfahren nach dem Reißverschlussprinzip. Aus den biegsamen Bändern wird so ein stabiler Mast, der je nach Ausführung bis zu 12 m lang sein kann. Bild: progenoX

Drei Stahlbänder verbinden sich beim Ausfahren nach dem Reißverschlussprinzip. Aus den biegsamen Bändern wird so ein stabiler Mast, der je nach Ausführung bis zu 12 m lang sein kann.
Bild: progenoX

Die drei Bänder aus federhartem Edelstahl sind auf Spulen gewickelt und in Winkeln von 120 Grad zueinander angeordnet. Eine Leitspindel, die sich in der Mitte dieses Dreiecks befindet, greift die Bänder in den dafür vorgesehenen schrägen Schlitzen. Durch die Rotation der Spindel werden die Bänder nach oben ausgerollt. Ihre gezackten Außenkanten verhaken sich dabei miteinander. So kann der Zippermast auf jede beliebige Zwischenposition ausgefahren werden. Um diese Position zu halten, ist keine zusätzliche Arretierung nötig: Das Gewicht der Bänder und der Ladung ruht auf dem Gewinde der Spindel, das sich wie die Mutter auf einer Schraube nur durch Rotation bewegen lässt.

 

Stabil bei vertikaler oder horizontaler Belastung

„Wer den Zippermast zum ersten Mal sieht, ist verblüfft, zu welcher Höhe er sich ausfahren lässt“, berichtet Frank Woodcock. Denn das Gehäuse, in dem sich der Mast verbirgt, ist sehr klein: Gerade mal 15 Zentimeter hoch ist es beim kleinsten Modell ZM4, 25 Zentimeter beim Standardmodell ZM8. „Wie weit der Mast ausgefahren werden kann, lässt sich an der Modellnummer erkennen“, ergänzt Woodcock. „Sie entspricht der Höhe in Fuß. Beim ZM8, der mit einem Gewicht von sieben Kilogramm noch komfortabel getragen werden kann, sind das etwa zweieinhalb Meter. Beim ZM40 erreicht der Mast eine Höhe von mehr als 12 Metern.“

Sein Konstruktionsprinzip macht den Zippermast zudem äußert stabil. Diese Festigkeit wird durch eine Wärmebehandlung der Stahlbänder noch weiter gesteigert. Dazu werden die auf den Spulen aufgewickelten Bänder erhitzt und anschließend wieder abgekühlt. Die Kristallstruktur des Stahls passt sich an diese Position an und strebt danach, sie einzunehmen. Beim Abrollen der Bänder wird dadurch eine Spannung erzeugt, die den Mast zusätzlich festigt. Dank dieser Stabilität kann der Mast auch horizontal ausgefahren und belastet werden.

Für Hochsee und Weltraum geeignet

Um den Zippermast für den täglichen Einsatz fit zu machen, haben sich seine Entwickler einiges einfallen lassen: Die Elektronik beispielsweise ist komplett vergossen. Bild: progenoX

Um den Zippermast für den täglichen Einsatz fit zu machen, haben sich seine Entwickler einiges einfallen lassen: Die Elektronik beispielsweise ist komplett vergossen.
Bild: progenoX

Um den Zippermast für den täglichen Einsatz fit zu machen, haben sich seine Entwickler einiges einfallen lassen: So sind die Stahlbänder inzwischen mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung versehen, die den Abrieb zu minimiert. Die Leitspindel wird in einem Wärmeprozess gehärtet, die Elektronik ist komplett vergossen. Zudem wurde der ursprünglich verwendete Spindelmotor ausgetauscht. „Bei der Auswahl des optimalen Antriebs haben wir von FAULHABER hervorragende technische Unterstützung erhalten“, betont Frank Woodcock. Da der Zippermast oft unter härtesten Bedingungen arbeitet, sollte er auch einen besonders robusten und langlebigen Motor erhalten. Gleichzeitig war es wichtig, bei einem geringen Volumen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit zu erzielen. „Der Motor, der die Spindel antreibt, musste zwischen zwei der drei aufgewickelten Stahlbänder Platz finden. Er durfte daher höchstens einen Durchmesser von 32 Millimeter haben“, erinnert sich Andreas Eiler, der das Projekt bei FAULHABER betreute. Trotzdem war eine hohe Leistung gefragt, um den Mast auch bei Belastung schnell ausfahren zu können.

Die treibende Kraft des Zippermasts: der DC-Kleinstmotor ist bei 32 mm Durchmesser lediglich 72 mm lang und liefert ein Drehmoment von 120 mNm. Bild: Faulhaber

Die treibende Kraft des Zippermasts: der DC-Kleinstmotor ist bei 32 mm Durchmesser lediglich 72 mm lang und liefert ein Drehmoment von 120 mNm.
Bild: Faulhaber

Gemeinsam hat man sich daher für einen FAULHABER-DC-Kleinstmotor entschieden. Die gewählte Ausführung der Serie 3272 CR stellt mit ihrem leistungsstarken Seltene-Erden-Magneten ein Nennmoment von 120 mNm zur Verfügung. Um das notwendige Drehmoment zu erreichen, wurde er mit einem robusten FAULHABER-Planetengetriebe kombiniert, das den gleichen Durchmesser hat. „Diese bestehen ausschließlich aus Stahlkomponenten, und sind sehr langlebig“, betont Eiler. Als zusätzlichen Schutz bekam der Motor ein robustes Gehäuse aus hochresistentem Kunststoff. Damit ist er beständig gegen viele Chemikalien sowie UV- und Infrarotstrahlung. Außerdem erfüllt er die Anforderungen der Schutzklasse IP68. Diese hohe Schutzart ist wichtig, da der DC-Kleinstmotor auch die salzwasserfeste Variante des Zippermastes antreibt, die zum Beispiel auf See in eine Boje integriert werden kann. Selbst Anwendungen im Weltraum hält Woodcock für denkbar, die Teilnahme an zwei Projekten hat er bereits beantragt: „Der Zippermast kann zum Beispiel sehr gut als Ausleger für kleine und mittelgroße Satelliten, Antennen oder optische Geräte eingesetzt werden. Zudem arbeiten wir mit der Firma ODG-ARGO zusammen, die Roboterfahrzeuge an die Raumfahrtbehörden NASA und CSA liefert. Gerade haben wir den Zippermast auf einem der ARGO-Roboter installiert, der für eine geplante Marsmission eingesetzt werden soll. Ich rechne uns gute Chancen aus, bei einem dieser Weltraumprojekte dabei zu sein.“ Mit an Bord wären dann natürlich auch die robusten DC-Kleinstmotoren aus Schönaich.

Über ProgenoX
Die progenoX GmbH ist Lösungsanbieter und angehendes Systemhaus für Anwender aus dem Bereich Verteidigung sowie Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS). Das Unternehmen mit Hauptsitz in Bischofswiesen in Süd-Bayern wurde Anfang 2011 von Frank Woodcock gegründet. Das junge Unternehmen ist eigenfinanziert und hat den wesentlichen Teil aller bisherigen Entwicklungen, Tests und Marketing-Aktivitäten aus eigenen Mitteln bestritten. Als KMU und Lieferant für hochzuverlässige Einsatzunterstützungssysteme für Feuerwehren, Polizei, Technische Hilfswerke und Rettungsdienste wurde von der progenoX GmbH eine umfangreiche Marktanalyse beauftragt. Zum Thema: „Einsatzunterstützung durch Roboter und Software bei Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben“ diente die Studie der genauen Ermittlung technischer Fähigkeitslücken und Bedarfe. Dank maßgeblicher Innovationen wurde die progenoX GmbH in der Anfangsphase vom Hightech-Inkubator der ESA-BIC gefördert.

Über Faulhaber
FAULHABER ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu 200 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marke FAULHABER gilt weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 200 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 mm Außendurchmesser umfasst das FAULHABER Standardportfolio mehr als 25 Millionen Möglichkeiten, ein optimales Antriebssystem für eine Anwendung zusammenzustellen. Dieser Technologiebaukasten ist zugleich die Basis für Modifikationen, um auf besondere Kundenwünsche hinsichtlich Sonderausführungen eingehen zu können. Weitere Informationen zum Unternehmen finden Sie unter: https://www.faulhaber.de

Titelbild: Faulhaber

Dipl.-Ing. Andreas Eiler

Area Sales Manager bei FAULHABER

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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