Extrudieren Präzisionsherstellung von Gleitschienen und -leisten in einem Schritt

Bei der Präzisionsherstellung von Gleitschienen und -leisten gibt es für bestimmte Anwendungen Alternativen zu ultrahochmolekularem Polyethylen. In diesen Fällen kann zur Herstellung ein Extrusionsverfahren zur Anwendung kommen, das nicht nur die klassischen Prozessschritte Sintern und Fräsen ersetzt, sondern auch den Freiheitsgrad hinsichtlich Geometrie und Abmessungen erhöht – und das schon bei ersten Mustern.

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Franke GmbH

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Technoform Kunststoffprofile GmbH

Gleitschienen und -leisten, wie sie in den Kettenführungen der Lager- oder Automatisierungstechnik oder im Maschinenbau zum Einsatz kommen, werden in der Regel aus ultrahochmolekularem Polyethylen (PE-UHMW) gefertigt. Der Werkstoff ist äußerst verschleißfest und verfügt über sehr gute Gleiteigenschaften. In rauer Umgebung nimmt er zudem Staub- oder andere Schmutzpartikel auf und behält dennoch seine überaus glatte Oberfläche. Mit anderen Worten: Das Material ist für diese Anwendungen besonders gut geeignet.

Allerdings gibt es Nachteile, die nicht von der Hand zu weisen sind. So kann der Werkstoff nicht klassisch extrudiert werden, weil er nicht fließfähig ist. Man greift daher auf das relativ aufwändige Sinterverfahren zurück, bei dem Halbzeuge entstehen, die durch Zerspanen – meist Fräsen – in die erforderliche Geometrie gebracht werden müssen. Die Herstellung von innenkalibrierten Hohlprofilen, wie sie beispielsweise in Kolbenführungen von Stoßdämpfern zur Anwendung kommen, ist damit ausgeschlossen, Hinterschnitte sind kaum oder nur mit erheblichem Aufwand möglich. Auch der Länge der Rohlinge sind bei rund 3 m Grenzen gesetzt; alles darüber Hinausgehende benötigt Verbindungsstücke, die im Einsatz automatisch zu Schwachstellen werden.

Für bestimmte Anwendungsbereiche lohnt es sich daher, über Alternativen nachzudenken (Bild 1). Schließlich gibt es längst thermoplastische Kunststoffe, die sich einfacher verarbeiten lassen, über hervorragende Gleiteigenschaften verfügen sowie eine lange Lebensdauer gewährleisten (Tabelle). Darüber hinaus erfüllen sie hohe Anforderungen an Druckfestigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Voraussetzung: der werkstoffgerechte Einsatz und ein entsprechendes Design.

Die Technoform Kunststoffprofile GmbH (TKP), Lohfelden bei Kassel, entwickelt und produziert im Kundenauftrag Gleitschienen und Gleitleisten, die je nach Anwendungsbereich unterschiedlichste Anforderungen erfüllen müssen. Verarbeitet werden Kunststoffe wie Polyamid, POM und PEEK, die gegebenenfalls mit Glasfasern verstärkt und anforderungsspezifisch durch Zugabe von Additiven optimiert werden.

Das spezielle Technoform-Extrusionsverfahren gewährleistet zudem Vorteile in Sachen Entwicklungszeit, Herstellungsaufwand und Präzision. So ist eine Genauigkeit von ± 0,05 mm selbst bei innenkalibrierten Hohlprofilen gewährleistet – und das in beliebigen Längen. Ferner lassen sich zusätzliche Funktionen oder komplexe Geometrien integrieren, die mit PE-UHMW unmöglich wirtschaftlich zu realisieren wären.

Kunststoffmodifizierung stärkt positive Eigenschaften

Es ist kein Geheimnis, dass bestimmte Werkstoffe für einen Anwendungsbereich ideal, für einen anderen dagegen völlig untauglich sind. Jedoch verfügen alle Polyamide über Eigenschaften, die sie für zahlreiche Anwendungen prädestinieren. Schließlich können ihnen Chemikalien ebenso wenig anhaben wie Öl, Fett oder Benzin. Sie lassen sich sehr gut schweißen, kleben oder zerspanen. Verschleißfestigkeit und mechanische Festigkeit sind hoch – und sie zeigen selbst in rauer Umgebung ein gutes Gleitverhalten (Bild 2).

Darüber hinaus zeichnet sich PEEK durch besondere hydrolytische Beständigkeit, thermische Belastbarkeit und Kriechfestigkeit aus. POM ist gegen Säuren und Lösungsmittel besonders resistent, nimmt nur in sehr geringem Maße Feuchtigkeit auf und verfügt über eine hervorragende Isolierfähigkeit.

Der nordhessische Entwicklungsspezialist TKP modifiziert die geeigneten Kunststoffe je nach Anwendung, um gewünschte Eigenschaften zu verstärken, unerwünschte so weit wie möglich zu eliminieren. Vermeintliche materialbedingte Nachteile wie die generelle Neigung zur Feuchtigkeitsaufnahme, geringe Wärmeleitfähigkeit und temperaturabhängige Festigkeit, Wärmedehnung oder Kriechneigung erweisen sich vor diesem Hintergrund als unbegründet: Durch spezifische Anpassung und werkstoffgerechtes Design fallen sie nicht ins Gewicht.

Nur Tests geben Aufschluss über das Gleitverhalten

Zu den Additiven, mit denen ein Werkstoff anwenderspezifisch optimiert werden kann, gehören bekanntermaßen Schmiermittel sowie Füll- und Verstärkungsstoffe. Auch durch Blends mit anderen Thermoplasten wird das Reibungs- und Verschleißverhalten beeinflusst und an den Anwendungsfall angepasst. Arbeitet man beispielsweise Polyethylen in Polyamid ein, bildet sich ein Schmierfilm auf dem Reibpartner, der die Reibzahl wirksam reduziert.

Die Lebensdauer wird auf diese Weise deutlich verlängert, das Produkt bleibt so gut wie wartungsfrei. Silikon dagegen wirkt als Schmiermittel, weil es nach der Einarbeitung diffundiert und sich gleich einem Film an der Oberfläche absetzt. Durch die Zugabe von Glas- oder Kohlefasern erreicht man eine höhere Belastbarkeit.

Unverzichtbar sind Prüfungen, die das Werkstoffverhalten „unter die Lupe“ nehmen. So lassen sich mit Hilfe von Materialprüfvorrichtungen Optimierungen erreichen, indem das Verhalten aufeinander einwirkender Oberflächen miteinander verglichen wird (Tribosystem). Für ein Kunststoff-Gleitelement lediglich Zahlenwerte wie den Gleitreibungskoeffizienten oder die Verschleißrate anzugeben, genügt jedoch keineswegs.

Denn Reibung und Verschleiß sind Systemeigenschaften, die von zahlreichen Parametern abhängig sind: von der Gleitflächentemperatur, Oberflächenrauigkeit, Flächenpressung, Gleitgeschwindigkeit, Art des Gleitpartners und vom Schmiermittel selbst. Um das tatsächliche Gleitverhalten der ausgewählten Werkstoffe nachzuvollziehen, müssen daher weitere Prüfungen am Bauteil unter realen Anwendungsbedingungen erfolgen. Denn selbst die Weiterverarbeitung hat unter Umständen Einfluss auf das Gleitverhalten der Schiene.

Um frühzeitig verlässliche Ergebnisse über das voraussichtliche Werkstoffverhalten zu haben, kommen bei Technoform für erste Materialprüfungen so genannte Stift-Scheibe-Prüfeinrichtungen zur Anwendung. Damit können Reibkraft und Verschleiß von Kunststoffproben auf einer Stahlgleitfläche getestet werden. Dabei wird die Probe in einem Halter eingespannt und mit der Stirnseite auf die sich unter ihr drehende Stahlreibfläche gedrückt (bei definierter Flächenpressung).

Die Laufbahn bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/s. Reib- und Normalkraft werden über einen Kraftaufnehmer erfasst, während ein induktiver Wegaufnehmer den Verschleiß registriert. Sensorsignale werden über eine spezielle Software ausgewertet und gespeichert.

Präzisionsherstellung in einem Schritt statt zweien

Das klassische Herstellung von Gleitschienen und -leisten erfordert eine Weiterbearbeitung durch Zerspanen – meist Fräsen – bis zur gewünschten Kontur. Insgesamt sind also zwei Prozessschritte notwendig, die ebenso wenig vermeidbar sind wie ein relativ hoher Ausschuss durch mangelnde Präzision, raue Oberflächen und nicht zuletzt Materialverlust durch anfallende Späne. Außerdem ist die Länge der Schienen auf dem klassischen Weg begrenzt.

Beim Technoform-Extrusionsverfahren wird die Gleitleiste inklusive ihrer Kontur in einem Prozessschritt gefertigt – in äußerst engen Toleranzen und hoher Präzision. Dabei werden deutlich glattere Oberflächen erreicht, es fallen keinerlei Späne an und die Schienen können in unbegrenzter Länge gefertigt werden.

Hinzu kommt, dass man für die Herstellung des ersten Musters kaum mehr als 14 Tage benötigt und dieses hinsichtlich Kunststoff und Geometrie bereits dem Serienprodukt entspricht. Alle notwendigen Prüfungen können daher schon vorzeitig unter realen Bedingungen erfolgen. Unterm Strich wird der Entwicklungsaufwand enorm reduziert, selbst – oder gerade – wenn sich herausstellen sollte, dass weitere Optimierungen notwendig sind.

Bei Technoform wurden mit einer Vielzahl von Kunststoffen zahlreiche Versuche durchgeführt, um Entwicklungen insbesondere bei Gleitschienen, aber auch bei Gleitlagern voranzutreiben. Die dabei gesammelten Erfahrungen fließen in jede kundenspezifische Neuentwicklung ein. Ferner wird eine Datenbank aufgebaut, aus der sich künftig zahlreiche anwendungsspezifische Werkstoffkombinationen abrufen lassen. Weitere Untersuchungen modifizierter Thermoplaste erfolgen auf einem praxisnahen Prüfstand, um die Eignung von Kunststoffen für Gleitlageranwendungen zu überprüfen.

Innenkalibrierte Hohlprofile

Die Präzision von Kunststoffprofilen gerät mit der klassischen freien Extrusion bei ±0,3 mm an ihre Grenzen. Undenkbar sind damit innenkalibrierte Hohlprofile mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit. Gerade das ermöglicht das spezielle Extrusionsverfahren von Technoform: die Konstruktion und Herstellung hochpräziser, innenkalibrierter Hohlprofile mit einer zuverlässig reproduzierbaren Genauigkeit von ± 0,05 mm.

Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung der innenliegenden Führung eines Kolbens. Voraussetzung dabei ist eine hohe Präzision beim Erzeugen der Kolbenführungsnuten und Winkelteilung. Denn die Kolbennut stellt den Verdrehschutz sicher, der genaue Durchmesser sichert die Abdichtung. Diese Aufgabe wird üblicherweise von gezogenen Aluminiumrohren übernommen, wie man sie auch bei Pneumatikzylindern kennt. Technoform konnte die Anforderungen mit Kunststoff erfüllen. Dabei wurde eine Fertigungspräzision von ±0,05 mm erreicht.

Dipl.-Ing. Hajrudin Imamovic ist zuständig für kundenspezifische Forschung und Entwicklung bei der Technoform Kunststoffprofile GmbH (TKP) in 34253 Lohfelden, Tel. (0561) 95839-56, Fax (0561) 95839-21, info@tkp.biz

(ID:194450)