Alles dicht?

Dichtelemente - Wo Maschinenelemente oder Handlingeinheiten mit Hilfe von Kugel- und Rollenschienenführungen präzise und leichtgängig positioniert werden, halten Dichtplatten und -leisten das Innenleben dieser Führungselemente frei von Schmutz und Feuchtigkeit. Welche Materialeigenschaften müssen diese Dichtelemente erfüllen?

30. Juni 2005

Mit Kugel- und Rollenschienenführungen, Kugelbüchsenführungen, Gewindetrieben und Linearsystemen bietet Rexroth ein Komplettprogramm an Produkten der linearen Bewegungstechnik für Maschinenbau und Automation. Sowohl die Kugel- als auch die Rollenschienenführungen zeichnen sich durch hohe Präzision, Tragfähigkeit und Steifigkeit aus. Die Unterschiede liegen in der Belastbarkeit. Die Rollenausführungen sind speziell darauf ausgelegt, hohe Lasten präzise und hochsteif zu bewegen, beispielsweise in Schwermaschinen, großen Spritzgießmaschinen oder Pressen.

Gute Laufeigenschaften und hohe Lebensdauer sind ein maßgebliches Qualitätsmerkmal beider Ausführungen. Die Abdichtung des Führungswagens gehört deshalb mit zu den wesentlichen Details im Gesamtkonzept solcher Maschinenelemente. Rexroth erfüllt diese Aufgabe mit einer Schienenoberfläche, die eine geringe Oberflächenrauheit hat, und mit speziell konstruierten, spritzgegossenen Dichtelementen aus dem Thermoplastischen Polyesterelastomer Hytrel von Du-Pont. Jeder Führungswagen ist je nach Variante mit vier bis acht Dichtelementen ausgestattet: Je eine Dichtplatte auf den beiden Stirnseiten umschließt die Führungsschiene, und auf beiden Längsseiten sind je zwei Dichtleisten am Schienenfuß angeordnet.

Die Dichtplatten erfüllen eine anspruchsvolle Aufgabenkombination: Neben dem zu- verlässigen Abdichten auch bei hohen Geschwindigkeiten übernehmen sie das ›Freiräumen‹ der Führungsschienen von Verunreinigungen wie Schmutz oder beispielsweise auch Spänen bei Holz-, Kunststoff- und Metallbearbeitungsmaschinen sowie das Abstreifen von flüssigen, teils aggressiven Medien wie Kühlschmier- und Reinigungsmitteln.

Die Längsdichtungen müssen ebenso hohe Anforderungen an die chemische und thermische Beständigkeit erfüllen wie die massiver ausgeführten Dichtplatten. Die Forderung nach geringst möglicher Reibung bei sehr guter Dichtwirkung erfordert ein Dichtmaterial mit einem besonders ausgewogenen Verhältnis zwischen Festigkeit und Elastizität. Angesichts der langen Fließwege beim Füllen der Spritzgussformen für die Längsdichtungen stellt die angestrebte Filigranität höchste Anforderungen an die Verarbeitungseigenschaften des Werkstoffs.

Rexroth hat für diese Anwendung einen Werkstoff gesucht, der hohe Elastizität, Festigkeit und Biegewechselfestigkeit mit hoher chemischer und thermischer Beständigkeit verbindet und dessen Schmelze zugleich eine sehr fein abgestimmte Fließfähigkeit bietet. Nur wenn diese hoch genug ist, lassen sich die engen Kavitäten mit hoher Geschwindigkeit vollständig füllen, ohne das Material aufgrund der dabei unvermeidlichen inneren Scherung thermisch zu überlasten. Zugleich muss aber auch die Gratbildung sicher verhindert werden, die auftritt, wenn die Materialviskosität zu gering ist. Wichtig ist dabei auch, die Spritzgießwerkzeuge optimal abzustimmen.

Hytrel erwies sich bei Vergleichsversuchen als überlegene Werkstoffwahl. Mit seinen anforderungskonformen Fließeigenschaften ergänzt er das bei Rexroth vorhandene Know-how in der Konstruktion und im Bau von hochsteifen und thermisch feinfühlig ausbalancierten Werkzeugen, die Leistungsfähigkeit der dort verfügbaren, hoch präzisen Spritzgießmaschinen und die langjährige Erfahrung der Mitarbeiter in der Fertigung. Der in enger Abstimmung zwischen Rexroth und DuPont ausgewählte Typ erwies sich als äußerst ›gutmütig‹ in Bezug auf die Scherempfindlichkeit und die thermische Belastbarkeit bei längeren Verweilzeiten in der Maschine. Durch die Wahl des thermoplastischen Elastomers Hytrel für die im Kunststoff-Spritzgießverfahren hergestellten Dichtelemente konnte Rexroth bis an die Grenze des technisch Machbaren gehen: Je nach Baugröße der Führung sind die Dichtlippen an ihrer Lauffläche nur 0,1 mm breit. Dabei lassen sich die bis zu 400 mm langen, dünnwandigen Dichtungen aus Hytrel mit hoher Effizienz und dennoch kompromisslos in Bezug auf die Formteilqualität herstellen. Auch nach einer Million Hübe zeigen die abriebfesten Dichtungen keine signifikanten Schwächen. Heute setzt Rexroth Hytrel für nahezu alle Dichtungsvarianten ein. Ein weiterer Vorteil: Durch die Kombination aus einer optimierten Geometrie und dem reibungsarmen thermoplastischen Elastomer Hytrel konnte Rexroth die Reibung - bei gleicher Dichtwirkung - gegenüber früheren Ausführungen um ca. 40 % reduzieren. Bei vier Führungswagen in einer Linearachse kann dies eine Reduzierung der Antriebsleistung und dadurch erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen.

Hytrel thermoplastische Polyesterelastomere von DuPont kombinieren die Elastizität von Elastomeren mit der Verarbeitbarkeit von Thermoplasten. Die einzelnen Typen bieten eine breit gefächerte Kombination aus Flexibilität und Steifigkeit und eignen sich damit für Teile, die eine niedrige Biegeermüdung und hohe Beanspruchbarkeit erfordern. Reiß- und Weiterreißfestigkeit sind hoch, Hytrel ist kriech- und abriebfest und kombiniert Festigkeit und Steifigkeit mit hoher Schlagzähigkeit bei Temperaturen zwischen -40°C und +110°C. Dank seiner chemischen Eigenschaften ist es beständig gegen Kohlenwasserstoffe und viele andere Flüssigkeiten. Standardtypen sind im Härtebereich von 30 bis 82 Shore D verfügbar. Spezialeinstellungen umfassen wärmestabilisierte, flammwidrige, für Lebensmittelkontakt zugelassene und glasfaserverstärkte Typen sowie Typen für das Blasformen.

Beständigkeit gegen Schmiermittel, geringe Reibung und minimaler Verschleiß sind auch Grundanforderungen an das Material für die Kugelführungen, die die Wälzkörper an den Enden der Führungswagen umlenken. Anders als die Dichtungen erfordern diese Anwendungen aber eine hohe Steifigkeit und Zähigkeit für die exakte Führung der Kugeln oder Rollen bei allen Betriebstemperaturen sowie eine hohe Dämpfung für mechanische Schwingungen, um einen möglichst geräuscharmen Lauf zu ermöglichen. Eine Lösung fand Rexroth mit Delrin von DuPont. Mit der Kombination aus hoher Festigkeit, Steifigkeit, Härte, Dimensionsstabilität, Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Lösemittel- und Kraftstoffbeständigkeit, Abriebfestigkeit, geringem Verschleiß und niedriger Reibung schlägt dieser chemisch mit Hytrel verwandte thermoplastische Polyester eine Brücke zwischen Metallen und herkömmlichen Kunststoffen.

Erschienen in Ausgabe: 03/2004