Das Endvakuum einer ölfreien Pumpe liegt nur bei 90 kPa – warum kann sie dennoch Werkstücke ansaugen?

In der Auswahltabelle steht bei V3, V8, V10 und V16 als Endvakuum jeweils 90 kPa. Viele zweifeln beim Anblick dieser Zahl zuerst: Weniger als ein Atmosphärendruck – kann das etwas halten? Die Saugnäpfe in der Elektronikmontage, die Greifköpfe von Gurtzuführern und die Endeffektoren von Robotern werden in vielen Bewegungsabläufen genau von dieser Pumpenklasse angetrieben. Das Problem liegt nicht an der Pumpe, sondern daran, wie die Saugkraft berechnet wird.

90 kPa ist der Vakuumgrad – nicht 90 % der Luft wurden abgesaugt

Die 90 kPa in der Tabelle bezeichnen den Vakuumgrad relativ zur Atmosphäre. Umgerechnet mit dem Standard-Atmosphärendruck von 101.3 kPa liegt der Absolutdruck am Pumpeneingang bei etwa 11 kPa. Auf der Produktseite ist zugleich „Vakuumgrad im Betrieb 85 kPa“ angegeben; das bedeutet, dass der Pumpeneingang im Dauerbetrieb ungefähr bei 16 kPa Absolutdruck bleibt. Die beiden Werte unterscheiden sich um 5 kPa; genau diese Differenz entspricht dem Druckverlust in der Leitung und der Leckage am Saugnapf – der angegebene Endwert ist nur bei verschlossenem Ansaugstutzen ablesbar.

Die auf den Saugnapf wirkende Kraft hängt nur vom Differenzdruck und der wirksamen Fläche ab:

F = ΔP × A

Ein Saugnapf φ50 hat eine Fläche von 19.63 cm². Bei 60 kPa Vakuumgrad wird der Differenzdruck mit 60 kPa angesetzt: F = 0.001963 m² × 60000 Pa ≈ 118 N, etwa 12 kgf. Das ist der theoretische Wert; nachfolgend eine Auflistung nach Saugnapfdurchmesser:

Saugnapfdurchmesser	Wirksame Fläche	bei 60 kPa Vakuumgrad	bei 85 kPa Vakuumgrad
φ20	3.14 cm²	18.8 N / 1.9 kgf	26.7 N / 2.7 kgf
φ30	7.07 cm²	42.4 N / 4.3 kgf	60.1 N / 6.1 kgf
φ40	12.57 cm²	75.4 N / 7.7 kgf	106.8 N / 10.9 kgf
φ50	19.63 cm²	117.8 N / 12.0 kgf	166.9 N / 17.0 kgf
φ80	50.27 cm²	301.6 N / 30.7 kgf	427.3 N / 43.6 kgf
φ100	78.54 cm²	471.2 N / 48.0 kgf	667.6 N / 68.1 kgf

Dieselbe Tabelle mit 85 kPa gerechnet ergibt Werte mit Faktor 1.42. Verdoppelt sich der Differenzdruck, verdoppelt sich die Kraft; mit der Leistung der Pumpe besteht kein direkter Zusammenhang.

Sicherheitsfaktor: Der theoretische Wert ist zu halbieren

Ein Saugnapf ist kein starrer Körper; die Werkstückoberfläche kann einen Ölfilm, eine Textur oder Verformungen aufweisen, und die Dichtlippe kann nicht vollständig anliegen. In der Praxis wird der Faktor nach Saugrichtung gewählt: horizontal nach oben saugend, ohne Beschleunigung, Faktor 2; seitlich saugend, mit Beschleunigung oder bei rauer Werkstückoberfläche, Faktor 3 oder mehr.

Beispiel: 2 kg schwere Aluminiumplatte, 4 Saugnäpfe φ30, 60 kPa Vakuumgrad. Jeder Saugnapf trägt 4.3 kgf, zusammen 17.2 kgf; mit Faktor 2 sind 8.6 kgf zulässig, die Reserve beträgt mehr als das Vierfache. Beim selben Werkstück mit 2 Saugnäpfen φ20 ergeben sich zusammen 3.8 kgf; nach Halbierung bleiben nur 1.9 kgf, weniger als das Werkstückgewicht – so entsteht das gelegentliche, nicht häufige Herabfallen von Werkstücken.

Das Saugvermögen bestimmt, wie schnell angesaugt wird, nicht ob gehalten werden kann

Ob die Saugkraft ausreicht, ist eine Frage des Differenzdrucks; wie schnell angesaugt wird, ist eine Frage des Saugvermögens. V8 hat ein Saugvermögen von 6.8 m³/h (50 Hz), also 1.89 L/s. Auf der Anlagenseite befindet sich ein Pufferbehälter mit 20 L; vom Atmosphärendruck auf 40 kPa Absolutdruck:

t = V / S × ln(P₁/P₂) = 20 / 1.89 × ln(101.3 / 40) ≈ 9.8 s

Diese 9.8 s berücksichtigen nur das Evakuieren, nicht die Leckage vor dem Anliegen des Werkstücks. Unter denselben Bedingungen mit V16 (16 m³/h, 4.44 L/s) und 50 L Behältervolumen ergeben sich etwa 10.5 s. Wenn der Takt ein Ansaugen innerhalb von 3 s verlangt, ist eine Vergrößerung der Pumpe oft weniger wirksam als eine Verkleinerung des Pufferbehälters: Bei einer Verringerung des Behältervolumens von 20 L auf 5 L sinkt die Evakuierungszeit von V8 auf etwa 2.5 s.

Die Haltefähigkeit hängt von der Leckagemenge ab, nicht vom Endvakuum

Poröse Teile (Pappe, Schaumstoff, Gewebe, Sinterteile), Schlauchverbindungen und Drehgelenke können lecken. V8 hat ein nominales Saugvermögen von 133 L/min. Wenn das System bei 60 kPa Differenzdruck 20 L/min leckt, bleiben 113 L/min effektives Saugvermögen; der Druckpunkt kann weiterhin gehalten werden, die Pumpe läuft jedoch dauerhaft unter Volllast, und Temperaturanstieg sowie Geräuschpegel steigen mit. Wenn die Leckagemenge sich dem nominalen Saugvermögen nähert, kann die Pumpe den Sollwert nicht mehr halten; das zeigt sich durch intermittierendes Herabfallen der Werkstücke am Saugnapf.

Wann 90 kPa tatsächlich nicht ausreichen

Drei Betriebsfälle:

Erstens: Evakuierung, bei der in der Kammer ein Absolutdruck unter 10 kPa gefordert ist, etwa Vakuumverpackung, Imprägnierung oder Entgasung; ein Vakuumgrad von 90 kPa ist physikalisch nicht erreichbar. Zweitens: als Vorvakuum für Beschichtung und Wärmebehandlung, wo die Größenordnung 0.1 mbar benötigt wird; dafür sind ölgedichtete Drehschieberpumpen erforderlich. V0025A hat ein Endvakuum von 0.5 mbar, V0040A bis V0100 von 0.1 mbar. Drittens: Bei entfernten Arbeitsstationen mit langen Leitungen und vielen Krümmern verbraucht der Druckverlust mehr als zehn kPa; in diesem Fall zuerst den Rohrdurchmesser berechnen – ein Pumpenwechsel ist nicht unbedingt erforderlich.

Drei Fragen zur Auswahl

Welcher Differenzdruck wird zum Halten des Werkstücks benötigt? Aus Werkstückgewicht, Anzahl der Saugnäpfe und Sicherheitsfaktor zurückrechnen und dann festlegen, ob mit 60 kPa oder