Verschleißschutz bei Lagern, Bild: Helmut Winkler

Verschleißschutz mit besserem Schmierstoffkonzept: die linken Lagerhälften haben einen Standardschmiersoff erhalten, die rechten Lagerhälften einen optimierten Schmierstoff. Bild: Helmut Winkler

Damit Industrie 4.0 kein Flop wird, braucht es viel mehr als Sensoren, Echtzeitendaten oder das „Internet der Dinge“. Es braucht vor allem sichere, wartungsarme und im Schadensfall schnell zu reparierende Maschinen. Bei den mechanischen Maschinenausfällen, ist etwa zu 60 Prozent der Schmierstoff der Übeltäter. Höchste Zeit also einmal die Schmierstoffentscheidungen auf ihre 4.0-Fähigkeit hin zu überprüfen. In der intelligenten, digital vernetzten Produktion werden weitgehend selbstorganisierte Abläufe möglich. Menschen, Maschinen, Anlagen, Logistik und Produkte kommunizieren und kooperieren in der Industrie 4.0 direkt miteinander. Störungsunanfällige und wartungsarme Produktionseinrichtungen brauchen aber smarte tribologische Lösungen. Ein großes Hindernis auf dem Weg zur Industrie 4.0 ist das Wissen der Mitarbeiter. Mit dem tribologischen Wissen von gestern lässt sich keine Maschine der Zukunft entwickeln. Und es gibt auch keinen guten oder schlechten Schmierstoff. Was es aber gibt, sind gute oder schlechte tribologische Lösungen.

Grenzenloses Veränderungspotenzial

Ursachen Wälzlagerausfälle, Grafik: Helmut Winkler
Häufige Ursachen für Wälzlagerausfälle. Grafik: Helmut Winkler

Um Schmierstoffentscheidungen sicher für die Industrie 4.0 zu machen, müssen bei der Produktauswahl, der Produktzulassung, der Spezifizierung bei der Qualitätssicherung gewohnte Trampelpfade schnellstens verlassen werden. Der Schmierstoff muss zur Reibstelle und zu dessen Anforderungsprofil passen. Gängige Praxis ist es aber die Entscheidung ohne Vorarbeit, also ohne eine Tribosystemanalyse zu treffen. Auch einfachheitshalber auf bisher eingesetzte Produkte zurückzugreifen, ist wenigstens für eine Maschine 4.0 nicht zielführend. Wer also das Anforderungsprofil einer Reibstelle nicht kennt, wird keine gute und brauchbare Lösung zustande bringen. Und je präziser und wahrheitsgetreuer die Analyse durchgeführt wird, desto größer sind die Erfolgsaussichten.

Konstrukteure, die eine Tribosystemanalyse durchführen, machen auch nicht den Fehler der Last-Minute-Schmierstoffentscheidung. Oft wird erst in einem relativ späten Konstruktionszeitpunkt die Frage nach dem Schmierstoff angegangen. Da jede Schmierstoffart ihre spezifischen konstruktiven Besonderheiten hat, wird so die Auswahlmöglichkeit stark begrenzt. Die zweit- oder drittbeste Lösung ist aber nicht gerade, was der Maschinenbau unter Industrie 4.0 verstehen sollte.

Die Suche lohnt sich

Kunststofflager, Bild: Helmut Winkler
Tribologisch optimierte Kunststoffe sind bei vielen Anwendungen eine hochinteressante Alternative. Bild: Helmut Winkler

Viele Maschinenschäden mit tribologischem Hintergrund lassen sich durch eine einfache Produktumstellung relativ schnell und kostengünstig beheben. Zum Beispiel, indem ein mineralölbasierter Schmierstoff durch ein Produkt mit Syntheseölen ersetzt wird. Vollsynthetische Schmierstoffe haben in einigen Punkten hochinteressante Vorteile. So sind im Vergleich zu einem Mineralöl das Alterungsverhalten und das Verhalten bei Viskosität und Temperatur bei Syntheseölen besser. Das wiederum sind Faktoren, die starken Einfluss auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der Reibstelle haben. Mit Syntheseölen werden, wie die Praxis immer wieder zeigt, bis zu fünf Mal länger Ölwechselintervalle erreicht. Synthetische Schmierstoffe machen aber nicht nur Maschinen sicherer. Sie sind auch ein wichtiger Baustein für eine „Green Factory“. Durch die Verlängerung der Ölwechselfristen werden Ressourcen geschont und die Energieeffektivität synthetisch geschmierter Reibstellen ist deutlich besser.

Viele Varianten für Wälz- und Gleitlager

Schmierpasten und Gleitlacke sind eine interessante Alternative für die Wälz- und Gleitlagerschmierung im unteren Geschwindigkeitsbereich, etwa bis zu einem Drehzahlkennwert dm x n (mm/min) von 150.000. Unter Extrembedingungen, wie sie bei geringen Gleitgeschwindigkeiten, bei Vibration und Stoßbelastungen auftreten, sind Schmierpasten oft die einzige nachhaltige Schmierstofflösung. Schmierpasten sind Hybridschmierstoffe. Sie bestehen aus einem Schmieröl, manchmal auch aus einem Schmierfett, und einem hohen Festschmierstoffanteil. Beide Schmierstoffarten unterstützen sich synergetisch. Bei langsamen Geschwindigkeiten wirkt der Festschmierstoff, mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit übernimmt dann der traditionelle Schmierstoffanteil die Schmieraufgabe.

Auch mit einer Gleitlackbeschichtung können Wälzlager noch sicherer gemacht werden. Das zeigten verschiedene Prüfstandversuche. Werden bei fettgeschmierten Wälzlagern die tribologisch beanspruchten Komponenten zusätzlich gleitlack-beschichtet, so kann mit einer deutlichen Lebensdauerverlängerung gerechnet werden. Und selbst dann, wenn nur die Wälzkörper alleine beschichtet werden, stellt sich eine Leistungsverbesserung ein.

Wälzlagerschäden sind eine häufige Ursache bei ungeplanten Maschinenstillständen. Mit Schmierpasten und Gleitlacken lassen sich, vor allem im langsamen Geschwindigkeitsbereich, deutliche Verbesserungen erzielen. Wer also Wälz-und Gleitlager Industrie-4.0-fähig machen möchte, kommt in Zukunft um die Trockenschmierstoffvarianten nicht herum.

Schmierwachs und optimierte Kunststoffe

Schmierstoffarten, Grafik: Helmut Winkler
Konstruktionsspezifische Besonderheiten verschiedener Schmierstoffarten. Grafik: Helmut Winkler

Bei Dichtungen besteht die große Gefahr der Einbau- und Anlauffehler. Schmierwachse sind ein interessanter tribologicher Lösungsansatz hierfür. Im unbelasteten Zustand sind Schmierwachse grifffest und trocken. Bei dynamischer Belastung verflüssigt sich der Wachsüberzug und bildet dann einen schützenden Schmierfilm. Eine andere Möglichkeit ist Dichtungen mit Gleitlack zu beschichten. Eine Lösung die noch dazu den Vorteil hat, dass sie auch als Systemschmierstoff wirkt.

Vollständigkeitshalber muss noch auf die tribologisch optimierten Kunststoffe hingewiesen werden. Das Reibungs- und Verschleißverhalten polymerer Werkstoffe kann durch die Zugabe schmieraktiver Substanzen, durch die inkorporierte Schmierung, deutlich verbessert werden. Häufig wird PTFE als Schmierstoffzusatz verwendet. Hochfeste und temperaturstabile polymere Werkstoffe machen in bestimmten Industriebereichen den klassischen Gleitlagerwerkstoffen heute schon Konkurrenz. Eine Reihe von Vorteilen sprechen für die Polymere. Dazu gehört sicher die Gestaltungsfreiheit beim Einsatz von polymeren Werkstoffen. Hinzu kommt die kostengünstige Herstellung, aber auch die Roboter-Montagefähigkeit spielt eine Rolle. Da wundert es nicht, dass der Anteil der Kunststofflager ständig zunimmt. Den weiteren Siegeszug kann eigentlich nur fehlendes Fachwissen auf Anwenderseite bremsen.

Für Konstrukteure folgt daraus, dass sie sich schon heute viel mehr mit Schmierstoffen auseinandersetzen müssen. Gerade der Blick auf die trockenen Varianten kann sich da lohnen. Denn wer bei Schmieröl und Schmierfett zu Denken aufhört, der verschenkt leichtfertig das vorhandene Leistungspotenzial der trockenen oder halbtrockenen Varianten. Und wer es versteht, trockene Schmierstoffe mit Schmierölen oder Schmierfetten richtig zu kombinieren, kann ohne allzu großen Mehraufwand eine passende und deshalb erfolgreiche Lösung für Anwendungen in der Industrie 4.0 aus dem Hut zaubern.

Industrie 4.0 braucht Qualitätssicherung für Schmierstoffe

Es ist schon etwas grotesk. In vielen Unternehmen werden heute noch Schmierstoffe in die Maschine eingefüllt, ohne dass die zuständigen Mitarbeiter wissen, ob die gelieferte Qualität den Anforderungen der Anwendung entspricht. Die Qualitätsproblematik bei Schmierölen brachte Kurt Brugger, Erfinder des genormten Brugger-Tests, vor einigen Jahren in unserer Schwesterzeitschrift fluid, so auf den Punkt: „Eine Eingangskontrolle ist immer sinnvoll, denn 30 Prozent des von mir eingekauften Öls ging wieder zurück, weil es das Anforderungsprofil nicht erfüllte.“ Nachprüfen hätte sich schon in der Vergangenheit gelohnt. Für Unternehmen, die ihre Maschinen nun für die vernetzte Industrie 4.0 ausrüsten wollen, ist es ein absolutes „must have“. Anders ausgedrückt: Die Industrie 4.0 braucht die Qualitätssicherung für Schmierstoffe.

Welche Produkteigenschaften überprüft werden müssen, muss die Konstruktion festlegen. Ein allgemeines Prüfschema für die Qualitätssicherhung der Schmierstoffe ist dabei weniger zielführend. Die vorzuschreibenden Merkmale der Qualitätssicherung und auch die zulässigen Toleranzen sind immer auch anwendungsbezogen zu sehen. Die Daten für die Qualitätsbeurteilung werden vom Schmierstofflieferanten zur Verfügung gestellt. Ein elektronisches Erfassen und Auswerten ist zu empfehlen.

Schmierstoffsensoren sind nur Beiwerk

Industrie 4.0 fängt nicht in der Werkhalle sondern im Konstruktionsbüro an. Maschinenüberwachung in Echtzeit durch Sensoren ist ein durchaus interessantes Beiwerk. Aber selbst eine optimale Datenerfassung kann eine verkorkste Schmierstofflösung nicht ins Gegenteil ändern. Eine Maschine besteht nicht nur aus einer Reibstelle, es sind viele und jede einzelne ist wichtig. Alle Reibstellen durch Sensoren zu überprüfen ist aus vielerlei Gesichtspunkten unmöglich. Die beste Basis für eine zukunftsfähige Maschine ist und bleibt eine Schmierstoffentscheidung , die Anwendungen in der Industrie 4.0 erst zu Hochform auflaufen lässt.

Eine Industrie-4.0-fähige Schmierstoffentscheidung braucht keine revolutionären neuen Schmierstoffe. Vielmehr geht es darum die Versäumnisse der Vergangenheit endlich zu beheben. Die Bedeutung des Schmierstoffes für eine Konstruktion, die nachhaltige und schadensresistent ist, kann deshalb nicht oft genug erwähnt werden. ssc

„Bei der Schmierstoffentscheidung werden viele Denkfehler gemacht.“

Helmut Winkler, TMM