Überall wo Antriebe Maschinen bewegen, entstehen Schwingungen – oft unerwünschte. Sie möglichst effektiv zu dämpfen, ist eine wichtige Problemstellung in der Automatisierung. „Jede Branche kämpft mit ihren spezifischen Problemen, um die automatische Steuerung ihrer Maschinen so anzupassen, dass die Produktion schnell und fehlerfrei funktioniert“, erklärt Schäfers. Zusammen mit seinem Team tüftelt Schäfers an individuellen Lösungen für Automatisierungsanlagen. „Meist muss ich dabei das Rad nicht neu erfinden, sondern kann bereits existierende Komponenten, wie etwa spezielle Motoren oder Sensoren, neu kombinieren.“ Weil Siemens in allen Bereichen der Automatisierung, aber eben auch bei Antrieben, Sensorik und Werkstoffen großes Expertenwissen und eine weitgehend durchgängige Produktpalette hat, kann Schäfers bei der Suche nach der optimalen Kombination aus dem Vollen schöpfen.

Beispielsweise bei modernen Hafenkränen: Sie sind heute leichter gebaut und dabei höher als früher. Gleichzeitig dürfen sie nicht mehr Bodenfläche beanspruchen, damit Transportfahrzeuge genügend Platz haben, um die Fracht zu löschen. Fährt die sogenannte Katze, das ist die Kranführerkabine, am Auslegerarm hin und her, um Container vom Schiff auf den Kai zu heben, gerät der Kran durch diese Bewegung in Schwingung. Diese bewirkt, dass der gesamte Kran einige Zentimeter hin und her schwankt, was die präzise Arbeit des Kranführers erheblich erschwert. Um die Schwingung zu vermindern, kommen heute sogenannte passive Tilger zum Einsatz: beispielsweise eine 40 Tonnen schwere Masse, die an einer Schaukel hängt. Über die Länge der Schaukel wird deren Schwingfrequenz eingestellt, und über einen Dämpfer – beispielsweise einem Hydraulikzylinder - wird der schwingenden Masse Energie entzogen, was letztendlich eine Dämpfung der störenden Kranschwingung bewirkt.

Ein solcher passiver Tilger ist allerdings sehr aufwändig in die Krankonstruktion einzubringen, der Materialeinsatz ist erheblich und die Dämpfungswirkung ist eingeschränkt. Schäfers und sein Team suchten nach einer wirksameren Methode. Sie entwickelten ein Verfahren zur aktiven Dämpfung mit einem intelligent bewegten Linearmotor. Auch er ist am Auslegerarm angebracht und mit einem Gewicht versehen, allerdings einem um Faktor 10 geringeren als beim passiven Tilger. Der Linearmotor läuft auf Führungsschienen, die am Auslegerarm angebracht sind, hin und her. Beim Beschleunigen und Bremsen des Linearmotors werden die Reaktionskräfte in den Auslegerarm eingeleitet. Im Unterschied zum herkömmlichen Verfahren wird die Schwingung schneller und wirksamer verringert. Ein Sensor misst die Bewegung des Auslegerarms, und anhand dieser Werte errechnen die von Schäfers entwickelten Algorithmen genau, wie viel Kraft der Linearmotor zur Dämpfung der Schwingung aufbringen muss. Bereits Mitte nächsten Jahres will Siemens die aktive Schwingungsdämpfung mit Linearmotor zusammen mit einem Kranbauer auf den Markt bringen.

Für einen anderen Geschäftsbereich hat Schäfers ebenfalls eine Lösung zur Schwingungsdämpfung entwickelt: in der Produktion von Werkzeugmaschinen. Bei vielen Produkten müssen die Oberflächen möglichst frei von Unebenheiten sein. Da jeder Motor im Produktionsprozess die mit ihm verbundenen Teile in Schwingung versetzt, werden die Produktionsstücke in der Oberflächenfeinbearbeitung in einem sehr niedrigen Tempo bearbeitet, um Unebenheiten zu vermeiden. „Das kostet sehr viel Zeit und somit auch Geld“, erklärt Schäfers, „deshalb haben wir nach einer Methode gesucht, die die Schwingungen bereits in der Steuerungstechnik einkalkuliert und dadurch eine präzisere Bearbeitung innerhalb kürzerer Zeit möglich ist.“ Heutige Automatisierungssysteme von Siemens bieten bereits die Möglichkeit, das Schwingungsverhalten einer Maschine automatisch im Zuge der Inbetriebnahme zu messen. Das Ergebnis der Messung ist ein Fingerabdruck des Maschinenverhaltens, aus dem sich mathematische Modelle bestimmen lassen, die das Schwingungsverhalten sehr gut wiedergeben. Diese mathematischen Modelle sorgen in speziell für die Maschinensteuerung entwickelten Algorithmen dafür, dass die Schwingungen praktisch gar nicht erst entstehen. Diese Methode nennt Schäfers „modellbasierte Vorsteuerung“. Sie wird derzeit bei einigen Werkzeugmaschinenherstellern getestet und optimiert.

Dass Schäfers heute als Leiter einer Entwicklungsabteilung von Motion Control Systems im Industry Sector der Division Drive Technologies in Erlangen so viel mit Maschinenbau zu tun hat, entbehrt für den promovierten Elektrotechniker nicht einer gewissen Ironie. „Ich hatte mich für Elektrotechnik und gegen Maschinenbau als Studienfach entschieden, weil ich keine große Affinität zu Konstruktionsplänen und räumlichen Vorstellungen hatte“, erzählt er. Nach seinem Studium von 1988 bis 1993 an der Technischen Hochschule in Karlsruhe promovierte er am Institut für Regelungs- und Steuersysteme mit einem Thema aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. Seit 1999 arbeitet Schäfers bei Siemens. Jetzt macht ihm die gemeinsame Tüftelei zusammen mit Maschinenbauern großen Spaß. „Dabei schaffen wir es immer wieder, an die Grenzen des physikalisch Machbaren zu stoßen“, berichtet er. Schäfers hat bereits 49 Erfindungen eingereicht, die in 36 erteilte Einzelpatente in 34 Schutzrechtsfamilien mündeten. Privat ist Schäfers in erster Linie für seine Familie da, die bald mit dem dritten Kind weiter wachsen wird.