STEM Pneumatics

Pneumatik nennt sich die Technik zur Steuerung und Ausführung von Arbeitsgängen in Maschinen mit Druckluft. Genauso wie bei unter Druck stehendem Öl in Hydraulikzylindern großer Bagger und anderer Baumaschinen lassen sich große Kräfte und schnelle Bewegungen auch mit Druckluft realisieren. Das bietet eine ganze Reihe Vorteile – insbesondere im Kinder- und Klassenzimmer:

• Pneumatik ist eine leicht verständliche und äußerst anschauliche Technik – man sieht, was sich bewegt und man spürt, wie unterschiedlich hoher Druck zu unterschiedlicher Kraft führt.
• Pneumatik-Zylinder üben bei gleichem Druck immer die gleiche Kraft aus, unabhängig davon, wie weit sie ausgefahren sind. Das ermöglicht es auf einfachste Weise, z. B. ein Werkstück mit konstanter Kraft festzuhalten, ohne es durch zu große Kraft zu beschädigen.
• Mit Pneumatik-Zylindern lassen sich sehr schnelle Bewegungen ausführen.
• Durch den Einsatz von Ventilen sind auch rein pneumatische Steuerungen möglich.
• Da dabei keine Funken entstehen (wie es beim elektrischen Schalten der Fall sein kann) eigenen sich pneumatische Anlagen auch für den Umgang mit brennbarem Material (etwa bei Abfüllanlagen).
• Entweichende Druckluft ist – anders als auslaufendes Öl bei der Hydraulik – kein Umweltproblem.

Aus diesen Gründen findet sich Pneumatik in unzähligen industriellen Anwendungen zum Bearbeiten von Werkstücken, Abfüllen von Getränken, Verpacken, Greifen und Handhaben von Teilen und vielem mehr.

Pneumatik hat eine überraschend lange Tradition: Schon im dritten Jahrhundert v. Chr. beschäftigte sich der griechische Mathematiker und Erfinder Ktesibios mit Druckluft und den dadurch möglichen Maschinen. Seine erste pneumatisch funktionierende Maschine war eine Pumpe zum Anheben von Wasser. Es folgten Druckluft-basierte Uhren, Katapulte und Orgeln.

So wurde die enorm vielseitige Nutzbarkeit von Druckluft bekannt und die Pneumatik deshalb mehr und mehr eingesetzt. Dampfmaschinen, Dampflokomotiven, Tauchen mit Druckluft, Lackieren, Airbrush-Techniken, Druckluft-Sirenen, die Geschwindigkeitsmessung mit Staudüsen bei Flugzeugen – all das gehört zur Pneumatik und zeigt, wie nützlich und variabel diese relativ einfache Technik eingesetzt werden.

Heute ist Pneumatik aus dem Alltag kaum wegzudenken. Sie dient unzähligen Zwecken vom Aufpumpen eines Luftballons über den Presslufthammer im Straßenbau, die leicht zu haltende Druckluft-Schlagbohrmaschine im Haushalt, dem Absaugen von Luft vor dem Einschweißen von Nahrungsmitteln bis zu großen industriellen Anlagen. Ein weites Feld also!

Pneumatik ist der Teilbereich der Druckluft-Technik, der sich mit der Verrichtung von Arbeit durch Druckluft (typischerweise in Pneumatik-Zylindern) und der Steuerung dazu gedachter Maschinen (über Ventile) befasst. Das kann in folgende Bereiche aufgeteilt werden:

• Die Druckluft-Erzeugung liefert normale Umgebungsluft in komprimierter Form. Das wird durch Kompressoren erreicht, die Luft ansaugen, in einer Pumpe verdichten und in Druckluftleitungen (Schläuche oder Rohre) abgeben. Niederdruckpneumatik arbeitet im Bereich von ca. 100 mbar bis 1 bar Überdruck, für größere Kräfte werden standardmäßig meist etwa 6 bar Überdruck verwendet.
• In der Druckluft-Aufbereitung wird die Luft gesäubert (z. B. gefiltert) und ggf. auch mittels Zerstäubern mit einem feinen Ölnebel angereichert, der der kontinuierlichen Schmierung der beweglichen Teile wie Ventile und Zylinder dient.
• Die Druckluft-Verteilung übernehmen Schläuche, Rohre, T-Stücke und dergleichen.
• Die Steuerung geschieht über Ventile, die manuell (von einer Bedienperson), maschinell (von einem sich bewegenden Maschinenteil) oder pneumatisch (durch das Druckluftsignal eines anderen Ventils) betätigt werden können. Es gibt eine Vielzahl von Ventilen zum Ein- oder Ausschalten eines Signals (also der Beaufschlagung mit Druckluft oder der Entlüftung), für Zeitverzögerungen und zur Signalspeicherung. Drosseln regulieren die Stärke eines Luftstroms (damit ein Zylinder langsam ein- oder ausfährt).
• Die Aktoren der Pneumatik sind meist Pneumatik-Zylinder. Sie bestehen aus einem im Wesentlichen geschlossenen Rohr, der innen von einer dicht sitzende Scheibe geteilt wird. An der Scheibe sitzt die Zylinderstange (der Kolben). Durch Zuführen von Druckluft in eine der beiden Zylinderhälften (und Abführen der Abluft der anderen) kann die Scheibe und somit der Zylinderkolben verfahren werden. Zylinder existieren in vielen Bauarten, es gibt aber auch andere Aktoren wie z. B. pneumatisch angesteuerte Zählwerke.

Ein weiterer interessanter Teilbereich der Pneumatik ist die Fluidik: Schalten und Steuern mit strömenden Medien (Gase wie Luft oder auch Flüssigkeiten). Das besondere an dieser Variante ist, dass Fluidik-Ventile für Logikschaltungen keinerlei bewegliche Teile benötigen, sondern ihre Funktion ausschließlich durch geschickte Ausformung von Strömungskanälen bilden. Dabei ist nicht der Druck das wesentliche Signal, sondern die Strömung des Mediums. Das funktioniert bei pneumatischer Fluidik schon mit einem Druck von nur 100 mbar, benötigt kein Öl zur Schmierung und lässt die Ventile sich durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit selbst reinigen. Erst wenn am Ende der Steuerung große Kräfte benötigt werden, werden die Fluidik-Signale in die Standard-Pneumatik oder Elektrik umgesetzt.

Pneumatik berührt die Physik-Gebiete der Mechanik, Kinematik und Thermodynamik (komprimierte Luft wird warm), Strömungslehre sowie das mathematische Gebiet der Logik bei Logikschaltungen in pneumatischen Steuerungen und damit die boolesche Algebra.