Kaum wahrnehmbare Laufgeräusche 1

Seit dem ersten patentierten Kugellager hat sich viel getan hinsichtlich Funktion, Form und Materialien, aus denen Wälzlager hergestellt werden. Und die Entwicklung ist mitnichten abgeschlossen, wie das neueste Produkt der Unternehmen Bearing Solutions Europe, SE und Handtmann Elteka zeigt.

Eines der großen Anliegen vieler unserer Kunden sind schmiermittelfreie Wälzlagerlösungen“, so Peter Glauser, Geschäftsführer der auf Sonder-Wälzlager spezialisierten Schweizer Firma Bearing Solutions Europe, SE. Besonders wichtig ist dies für alle Anwendungen, in denen ein Schmiermittel den Produktionsprozess verunreinigen könnte. Dies ist beispielsweise in lebensmittel- und getränketechnischen Anwendungen, aber auch im medizinischen Bereich oder bei Reinraumanwendungen der Fall. Bis dato gab es dafür nur zwei Alternativen: Die Ausstattung mit teuren Keramiklagern, oder aber der Einsatz herkömmlicher Stahllager, die allerdings aufwendig gekapselt werden müssen.

Nördlich der Schweizer Grenze, im deutschen Biberach, entwickeln die Kunststoffspezialisten der Handtmann Elteka seit Jahren Hightech-Kunststoffe für anspruchsvolle Anwendungen. Eine der herausragenden Eigenschaften von deren Werkstoffen Lauramid und Eltimid ist eben jene Schmiermittelfreiheit, die sie für den Einsatz in Wälz-lagern so interessant macht. Das Polyamid Lauramid wird drucklos gegossen. Auskristallisiert weist es eine hohe Homogenität auf und ist sehr verschleißbeständig. Seine sehr guten Materialeigenschaften bringt Lauramid unter anderem bereits bei Rollen im hochbelasteten Einsatz wie der Seilbahn- und der Automobilindustrie ein.

Eltimid ist hingegen ein gepresstes, extrem temperaturtolerantes Polyimid. Sein Herstellungsverfahren eignet sich für die kostengünstige Produktion hoher Losgrößen.

Vorteile gegenüber Stahl
„Das Produkt, nämlich schmierfreie Wälzlager, hatten wir also vor Augen und mit Handtmann Elteka und der Bearing Solutions Europe, SE haben sich zwei kompetente Partner für die Entwicklung gefunden“, kommentiert Glauser. Bis zur Serienreife war es aber noch ein weiter Weg. Dieser Weg führte die Entwickler über die Biberacher Werkstofflabors, zu Material- und Leistungsprüfungen in der tschechischen Bearing Solutions Europe, SE-Produktion hin zu internationalen Testanwendungen.

Mit herkömmlichen Stahlkugellagern sind die neuen Kunststofflager namens iCross nicht zu vergleichen. Nicht nur in punkto Schmiermittelfreiheit, sondern auch hinsichtlich der optimalen Einsatzbedingungen. Zum Herantasten an die Leistungswerte der Kunststofflager mussten auch neue Testprogramme entwickelt werden, da der ideale Einsatzbereich für Wälzlager aus Kunststoff langsam bewegende Anwendungen mit mittleren Belastungszahlen sind, so beispielsweise die neuen Luftstromkonverter, die, platziert auf Dächern von Industrie- oder Wohnbauten, bereits bei einer geringen Windstärke Strom produzieren. „Neben der Schmiermittelfreiheit mussten wir bei der Konstruktion dieser kleinen Kraftwerke auch auf die Laufruhe achten“, begründet Lothar Wittmann von der BHT-UI die Wahl der iCross-Wälzlager.

Das in dieser Anwendung für die Kugeln verwendete Eltimid entwickelt im Betrieb im Vergleich zu Stahlkugeln kaum wahrnehmbare Laufgeräusche. Die Kugellager sind im Innern der Luftstromkonverter nicht frei zugänglich unterhalb der Flügel angebracht und wären insofern nur aufwendig zu warten. Ein weiterer Aspekt, der für den Einsatz der Kunststofflager in den Luftstromkonvertern sprach, war im Vergleich zu Stahllagern insofern deren Wartungsfreiheit.

Leichtbaugeeignete Vollkunststofflager
Wie andere Wälzlager bestehen auch iCross-Lager aus Außen- und Innenring, Käfig und Wälzkörper. Die Konzeption der deutsch-schweizer Entwickler sieht alternative Teilekombinationen in Abhängigkeit vom Einsatzzweck vor. Konkret bedeutet dies, dass nicht nur die Wälzkörper aus Hightech-Kunststoff hergestellt werden können, sondern auch alle anderen Lagerelemente.

Bei den Vollkunststofflagern wirkt sich dies dann auch im Gewicht aus. Der Werkstoff Lauramid beispielsweise ist um den Faktor sieben leichter als Stahl. Dies macht iCross auch für Leichtbauanwendungen interessant. Jede Anwendung wird konstruktiv untersucht und dann festgelegt, welche Lagerkonfiguration am vorteilhaftesten ist. Entscheidend dazu ist das gewachsene Know-how der Kugellagerspezialisten hinsichtlich Lagerdesign. „Als bloße Wälzlagerhändler haben wir uns noch nie gesehen“, kommentiert Glauser. „Wir sind Wälzlageringenieure, die nach integrierten Lösungen suchen.“ Deswegen werden die neuen Lager auch als Rollen oder als komplette Systeme angeboten.

Das notwendige Engineering wird in enger Absprache mit den Kunden erarbeitet. So wie bei der momentan laufenden Testanwendung für einen Hersteller von Gewebefasern. Weil es beim Herstellungsprozess von chemischen Fasern sowohl auf Schmiermittelfreiheit als auch Chemikalienbeständigkeit ankommt, mussten bislang aufwendig gekapselte und mit Druck beaufschlagte herkömmliche Stahllager zum Einsatz kommen. Projektleiter Georg Petzinger von Handtmann Elteka: „Schön wäre, man könnte Stahlkugeln einfach mit Kunststoffkugeln ersetzen. Aber so einfach ist es nicht.“

In Abhängigkeit der spezifischen Lagerkonfiguration und den Anwendungsspezifika muss das Wälzkörpermaterial festgelegt und deren passende Form und Größe kunststoffpezifisch festgelegt werden. Für die Herstellung der Fasern wurden beispielsweise zweireihige Lager mit Kugeln aus Lauramid angefertigt.
Die Entwicklung im Bereich der leistungsfähigen Kunststoffwälzlager steht aus Sicht der Ingenieure von Bearing Solutions Europe, SE und Handtmann erst am Anfang. Und Glauser stellt in Aussicht: „Von unseren neuen Lagern haben wir noch etliche Modifikationen auf unseren Prüfständen. Unser Ziel ist, bei iCross die besten Eigenschaften von Stahllagern und Keramiklagern in einem Bauteil zu vereinen.“