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Anforderungsprofil von Gleitlagern spricht für Hochleistungsthermoplaste

23.09.2008
Moderne Gleitlager werden aus Hochleistungskunststoffen hergestellt. Der Grund dafür liegt in der Kunststoffmodifizierung, die ein „Maßschneidern“ der Lagereigenschaften ermöglicht. Außerdem ist das Verhältnis zwischen Leistungsfähigkeit und Gewicht besonders gut. Die Verarbeitung der Thermoplaste durch Spritzgießen ermöglicht hohe Gestaltungsfreiheit. Durch spanende Bearbeitung werden sehr enge Maßtoleranzen erreicht.

In vielen Anwendungen können Gleitlager im Vergleich zu Wälzlagern punkten. Das liegt einerseits an den kompakten Abmessungen, wodurch Bauraum eingespart und damit sogenannte Downsizing-Maßnahmen am Gesamtprodukt vorgenommen werden können. Andererseits bestehen Gleitlager heute aus thermoplastischen Hochleistungskunststoffen, die auf die jeweiligen Anwendungen „zugeschnitten“ sind: bezüglich der mechanischen, thermischen, chemischen und tribologischen Anforderungen. Darüber hinaus haben sie ein herausragendes Leistungs-Gewichts-Verhältnis. Auch dafür liegt der Grund in den Hochleistungskunststoffen: in der niedrigen, spezifischen Werkstoffdichte.

Um ein geeignetes Gleitlager für eine bestimmte Anwendung auswählen zu können, muss man sich über den Lagerwerkstoff informieren. Er entscheidet über Betriebstemperatur, Lastbedingungen und die Bewegungsdynamik. Auf Basis dieser Anforderungskriterien kann eine überschlägige Lagerauslegung vorgenommen werden. So enthalten Polymerlager der EP-Serie von GGB Festschmierstoffe.

Polymerlager der EP-Serie können daher als wartungsfreie und trockenlaufende Lager verwendet werden. Mit einer Zusatzschmierung versehen, ist es sogar möglich, deren Reibung weiter zu reduzieren. Das Hauptziel dieser Bemühungen ist die Entwicklung tribologisch optimierter Lager. Sie muss auf die wechselseitigen Auswirkungen beider Reibpartner eine Antwort geben.

Bereits in frühem Projektstadium Laufleistung genau prognostizieren

Die Ergebnisse sind bei GGB – ehemals Glacier Garlock Bearings, wo seit über 50 Jahren Leistungsdaten von Gleitlagern erarbeitet werden – in Tribologie-Datenbanken zusammengefasst. Sie enthalten die Auswirkungen von Reibung, Verschleiß und Schmierung für zahlreiche werkstoffliche Reibpartner, ferner die Grenzflächenwechselwirkungen zwischen Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Basis dafür sind mehrerer tausend Untersuchungen und praxisnaher Tests, die zu detaillierten Spezifikationen für Gleitlagereigenschaften und Berechnungsmodellen führten. Dazu gehört auch die Auslegung der Lagerpassung oder Lagersitzes in der Aufnahmebohrung. Sie hat einen Einfluss auf die Eignung von Gleichlagern in den einzelnen Anwendungen.

Damit ist es möglich, bereits in einem frühen Projektstadium eine genaue Prognose der Laufleistung, des Reibverhaltens und der Lebensdauer von Gleitlagern zu erstellen – und somit Aussagen über die Charakteristika thermoplastischer Hochleistungskunststoffe zu geben:

-Kennzeichnend für Gleitlager aus modifiziertem Polyamid 6.6 (Standardwerkstoff EP) eine gute Druckfestigkeit. Der Grund dafür liegt in der Glasfaserverstärkung. Diese abrasive Faserverstärkung verhindert jedoch eine mechanische Bearbeitung der Gleitlager im Bereich der Funktionsfläche.

-Für mäßige Temperaturanforderungen bietet sich als Lagerwerkstoff modifiziertes POM-Copolymer an (Werkstoff EP12). Daraus gefertigt werden Gleitlager mit sehr stabilen und niedrigen Reibwerten. Bei Temperaturen bis etwa 50 °C ist dieser Hochleistungskunststoff für viele Anwendungen eine sehr gute Wahl. Er kann mit allen gängigen spanabtragenden Verfahren mechanisch bearbeitet werden.

-Auf Basis von modifiziertem PBT (EP22) entstehen Gleitlager mit einem soliden Eigenschaftsprofil. Dieser extrem robuste Lagerwerkstoff deckt eine Vielzahl von Lageranforderungen ab, wobei die sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme und die ausgezeichnete Zerspanbarkeit besonders hervorzuheben sind.

-Von tribologischen Vorteil ist die „Ausrüstung“ von modifiziertem PPS mit Aramidfasern (EP43). Dadurch kann dieser Hochleistungskunststoff Temperaturen über 200 °C ausgesetzt werden und erreicht im Vergleich zu vielen PEEK-Werkstoffen eine vielfach längere Lebensdauer. Außerdem ist er nahezu universell chemikalienbeständig. Mit seinem ausgezeichneten Preis-Leistungs-Verhältnis stellt dieser Lagerwerkstoff in vielen Anwendungen eine attraktive Option zu PEEK und zum Polyetherimid (PEI) Torlon dar.

-Mit Aramidfasern versehen ist modifiziertes PEEK-Compound (EP63) ein Werkstoff mit überlegenem Eigenschaftsprofil hinsichtlich Warmformbeständigkeit und Maßgenauigkeit. Zudem zeichnet er sich durch eine sehr hohe Druckfestigkeit und eine äußerst geringe Kriechneigung aus.

-Aus diesen Kunststoffen können im Spritzgießverfahren sehr maßhaltige Bauteile hergestellt werden. Sie haben eine hohe Druckfestigkeit und Warmformbeständigkeit. Für Prototyp-Versuchsmuster oder Kleinserien können Rundstangen zur Anwendung kommen, zum Beispiel aus modifiziertem PBT (EP22) oder PPS (EP43). Diese extrudierten Stangen haben sehr ähnliche Eigenschaften wie die im Spritzgießverfahren hergestellten Lager aus den gleichen Werkstoffen.

Sehr hohe Maßtoleranzen bei Gleitlagern nur durch Spanabhebung erreichbar

Jedoch lassen sich große Wanddicken und sehr hohe Maßtoleranzen nur durch spanabhebende mechanische Bearbeitung erreichen. Im Gegensatz zu der üblichen Toleranzklasse IT 10 für Spritzgussteile ermöglicht die mechanische Bearbeitung die Toleranzklasse IT 7. Auch die hohe Rundlaufgenauigkeit, die Konzentrizität und die Koaxialität der Funktionsfläche werden bei der mechanischen Bearbeitung wesentlich geringere Toleranzschwankungen liefern.

Demgegenüber bietet das Spritzgießen eine wesentlich höhere konstruktive Gestaltungsfreiheit. Stammform-Werkzeugsysteme mit standardisierten Einsätzen werden für einfache Geometrien verwendet und bieten bereits ab mittleren Stückzahlen wirtschaftliche Vorteile. Komplexere Geometrien und Hinterschnitte lassen sich in Spritzgießformen mit Schiebern herstellen. Außerdem ermöglicht das Spritzgießen, sehr kleine Wanddicken zu erzeugen.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Anforderungen der Anwendung und die Bauteilgestaltung das Fertigungsverfahren bestimmen. Bearbeitungsrichtlinien von Gleitlagerherstellern wie GGB bieten Unterstützung bei der mechanischen Bearbeitung. Werden diese Richtlinien beachtet, ist die Herstellung von Kunststoff-Gleitlagern mit spangebenden Verfahren auch bei höchsten Anforderungen an die Genauigkeit möglich.

Bernd Astner ist Global Product Manager Solid Polymer bei der GGB Kunststoff-Technologie GmbH in 74889 Sinsheim-Hilsbach.

Bernd Astner | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/werkstoffe/articles/145727/

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