01.10.2015

Tipps zur Planung

Linearsysteme in rauen Umgebungen

Lineare Achssteuerungssysteme sind einer Vielzahl rauer Industrieumgebungen ausgesetzt. Die sorgfältige Spezifizierung und Auswahl der einzelnen Systemkomponenten, genauso wie eine wohl überlegte Planung, kann die Risiken bei solchen Einsatzbedingungen deutlich reduzieren.


Ein entscheidender Schritt bei jeder Planung eines Linearsystems besteht darin, die Umgebungsbedingungen zu verstehen, unter denen das System zum Einsatz kommen wird: zu erwartende Temperaturen, Staub- und Schmutzaufkommen, Kontakt mit Chemikalien oder Strahlwasser, Vibrations- und Stoßbelastungen sowie Strahlungen. Anwender sollten diese Hauptfaktoren dokumentieren, bevor sie Werkstoffe auswählen. Um auf Grundlage objektiver Fakten zu arbeiten, sollten konkrete Daten gesammelt und Störungsfälle bei Vorgängerprodukten untersucht werden. Als nächstes ist ein Validierungsplan zu entwickeln, der Tests sowohl zur Langlebigkeit als auch in Bezug auf die Umgebungsbedingungen enthält. Auf diese Weise stellt der Anwender sicher, dass die gewählten Werkstoffe die erwartete Lebensdauer und Standzeiten mitbringen. Zudem bietet sich die Nutzung eines sogenannten HALT-Prüfverfahren (Highly Accelerated Life Testing), das die Komponenten progressiv steigenden Umgebungsbelastungen aussetzt, die am Ende deutlich über den realen Betriebsbedingungen liegen. In der Entwicklungsphase durchgeführt, lassen sich so Konstruktionsprobleme und Schwachstellen aufdecken.

Auswahl der Komponenten

Moderne Dimensionierungs- und Auswahlwerkzeuge helfen, die Umgebungsaspekte eines Linearsystems zu berücksichtigen. Nutzer geben die wichtigen Anwendungsparameter wie die Belastung/Lebensdauer der Linearlager und Kugelgewindetriebe oder deren kritische Drehzahl ein. Außerdem wählen sie Umgebungsbedingungen, von denen die Auswahl der passenden Werkstoffe, Gehäuseausführungen und Schmierpläne abhängt. Entsprechend der gewählten Faktoren empfiehlt das Tool daraufhin weitere Ausstattungsmerkmale der Lineareinheit um den Umgebungsbedingungen stand zu halten. Die Kugelführung oder Auflageschiene, Welle oder Aluminiumoberfläche stützt das Lager und ist in der Regel in Standardstahl, Edelstahl, beschichtet oder verchromt erhältlich. Die Linearlager bestimmen Traglast und Lastmoment des gesamten Systems. Mögliche Ausführungen sind Lager mit Rundschiene, Profilschienen sowie Rollen- oder Polymerführungen. Die meisten sind als standardmäßig korrosionsfeste Linearlager oder als Polymer-Gleitlager erhältlich. Schrauben, Bolzen und Muttern, die die Lineareinheit zusammenhalten, werden üblicherweise in Standard- oder Edelstahlausführung angeboten. Zur Abdichtung oder zum Schutz einer Lineareinheit reichen die Möglichkeiten von Manschetten oder Hüllen bis zur vollständigen Kapselung. Schließlich kann bei der Schmierung zwischen Standard- oder Reinraum-Schmiermittel gewählt werden. Korrosionsfeste Linear- bzw. Polymer-Gleitlager eignen sich für Einsatzbereiche wie in Reinräumen, bei Heiß- oder Strahlwasser-Anwendungen, bei Chemikalien-Sprühnebel sowie bei der Verwendung von chemischen Reinigungsmitteln.

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Lösungen nach Umgebungsszenario

In normalen Produktionsumgebungn ist ein gewisses Maß an Staubentwicklung und Feuchtigkeit zu erwarten, aber das Personal arbeitet in dieser Umgebung normalerweise ohne jegliche Schutzausrüstung (Masken, Atemschutzgeräte, Staub- oder Chemikalien-Abzugshauben). Standard-Bauteile aus Aluminium und Stahl sind in solchen Umgebungen ausreichend, da kaum Gefahr ernsthafter Staub- oder Korrosionsbelastung besteht. Abdeckungen sind nicht erforderlich.

Mittlere bis schwere Staubbelastung

In dieser Umgebung besteht eine derart hohe Belastung durch Staubpartikel in der Luft, dass die Arbeiter einen Atemschutz benötigen. Zu den Branchen mit hoher Staubbelastung gehören beispielsweise Papiermühlen sowie Fabriken mit großen Polieranlagen. Auch hier sind Standard-Stahlbauteile ausreichend, da keine Korrosion zu erwarten ist. Vielmehr ist das Eindringen von Partikeln in das Lager, die Kugellaufbahnen und den Antriebsmechanismus zu verhindern. Für große Partikel ist ggf. eine Faltenbalg-Manschette oder eine Aluminium-Hülle ausreichend. Bei feineren Partikeln muss das Linearsystem mit einer zuverlässigen Abdichtung versehen werden. Eine solche Abdichtung kann auf zwei Arten realisiert werden. Die erste ist eine Magnetbanddichtung, bestehend aus magnetischen Edelstahlbändern, die vom einen Ende des Kanals in der Tragkonstruktion bis zum anderen reichen. Die Bänder werden an den Endkappen befestigt und bleiben durch Federdruck immer gespannt. Das Band läuft durch eine Vertiefung des Schlittens, sodass es kurz vor und nach dem Schlitten von den Magneten abgehoben wird. Die zweite Abdichtung in Form von Kunststoff-Abdeckbändern verwendet passende Gummistreifen, die wie der Zip-Verschluss eines Gefrierbeutels im Aluminiumprofil einrasten. Durch die ineinandergreifenden Feder- und Nutprofile entsteht eine Labyrinthdichtung, die das Eindringen von Partikeln verhindert. Bei der Schmierung kann zwischen Standard- oder Reinraummittel gewählt werden.

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Wasser- und/oder Chemikalienspritzer

In dieser Umgebung kann das System vorübergehend mit Flüssigkeit in Berührung kommen, durch unsachgemäße Benutzung oder nicht korrekt angebrachten Komponenten. Ein Kontakt mir Flüssigkeit ist jedoch in der Regel beim normalen Betrieb nicht zu erwarten. Dennoch müssen bei diesen Anwendungen die Kugelführungen und Linearlager korrosionsfest ausgeführt sein. Bei Rundschienenlagern bedeutet das, die Welle muss verchromt oder aus 440C-Edelstahl gefertigt sein. Die Linearlager sollten mit verchromten Lagerplatten und Edelstahlkugeln ausgestattet sein. Der weichere Werkstoff Edelstahl der Kugellager und Welle bedeutet normalerweise eine Traglastreduzierung von 30%, was im Rahmen der Planung zu berücksichtigen ist. Für Profilschienenlager wird eine Dünnschichtverchromung empfohlen. Gleitlager, häufig als Prismenführung bezeichnet, stellen eine Alternative zu Wälzkörperlagern dar. Sie bestehen aus speziellem Polymer mit hoher chemischer Korrosionsfestigkeit. Je nach Art der Chemikalienspritzer reichen Faltenbalgdichtungen möglicherweise aus, eine vollständig gekapselte Einheit ist jedoch vorzuziehen.

Wasser- und/oder Chemikaliensprühnebel

Diese Bedingungen liegen in Bezug auf die Belastung eine Ebene über den zuvor beschriebenen. Hier gehört ein Sprühnebel oder Schleier zum normalen Betriebsablauf und die Linearführungen sind kondensierende Umgebung direkt ausgesetzt. Kühlnebel auf Maschinenteilen im Normalbetrieb zählt ebenfalls zu dieser Belastungsklasse. In diesem Szenario kommen das Lager und die Führungen in Kontakt mit der Flüssigkeit, wenn kein mechanischer Schutz angebracht wird. Hier ist eine vollständig gekapselte Einheit unverzichtbar. Aufgrund der hohen Belastung durch den Sprühnebel bieten sich statt Wälzkörperlagern die oben beschriebenen prismengeführten Lager an. Zudem sollte auch von einem System mit Kugelgewindetrieb abgesehen werden. Stattdessen ist ein Polyurethan-Riemenantriebssystem besser geeignet, um mit den chemisch-korrosiven Bedingungen zurecht zu kommen. Kugelführung bzw. Auflageschiene und Welle sind in Standard- oder Edelstahl, Armoloy-beschichtet oder verchromt ausgeführt. Diese Komponenten bestimmen die Traglast und Lastmoment-Kapazität des gesamten Systems. Sie eignen sich für Anwendungsbereiche wie Standard-Produktionsumgebungen, mittlere bis schwere Staubentwicklung sowie Stoßdruck-Anwendungen mit Vibrationen.

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Hochdruck-/Hochtemperatur-Strahlwasser

Diese Umgebung findet sich in der Regel in der Lebensmittelverarbeitung. Hier werden die Maschinen mit Hochdruck-Strahlwasser gereinigt. Die Schlitten kommen dabei nicht nur mit der Flüssigkeit in Berührung, sondern sind zudem einem beträchtlichen Druck durch den Reinigungsprozess ausgesetzt. Durch das Strahlwasser würden Standardstahlbauteile rosten. Daher müssen verchromte und korrosionsfeste Lager und Kugelführungen sowie Edelstahl-Montagematerial verwendet werden. Prismenführungen sind ebenfalls geeignet, sollten jedoch bei hohen Temperaturen vermieden werden, da ihr Polymer-Werkstoff nicht so temperaturbeständig ist wie metallene Wälzkörper. Die Lineareinheit sollte offen ausgeführt sein und Spülanschlüsse oder Ablauföffnungen aufweisen, um die Reinigungsflüssigkeit abzuführen. Bei hohen Temperaturen ist ein spezielles Schmiermittel einzusetzen. Bei derart hohen Temperaturen sollten zudem alle Dichtungen und sonstigen Kunststoffteile entfernt werden.

Anwendung im Reinraum

Dieser Abschnitt bezieht sich eine Reinraum-Umgebung gemäß ISO Klasse 3 (gelegentlich auch als Klasse 1000 bezeichnet), wenngleich einige Linearsystem-Produktreihen auch für Reinraumklasse 100 konfiguriert werden können. Für Reinraum-Umgebungen muss die Partikelbildung durch die Bewegung des Linearschlittens auf ein Minimum begrenzt werden. Metallbeschichtungen sind notwendig, um ein Rosten völlig auszuschließen. Außerdem müssen alle gleitenden Bauteile entfernt werden. Das heißt: keine Dichtungen/Abstreifer und keine Abdeckung an der Lineareinheit. Es sollte ein spezielles Reinraum-Schmierfett verwendet werden.

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Stoß, Druck und Vibration

Dieser Anwendungstypus findet sich in vielen unterschiedlichen Prozessen, z.B. in Rüttlern und Vibrationstischen, die in Sortieranlagen zum Einsatz kommen. Genauso zählen Anwendungen, die aufgrund hoher Anfangs-Aufpralldynamik einen ungewöhnlich hohen Druck auf die Schlitten oder Sattel ausüben. Polymer-Lagerbuchsen, wie bereits erwähnt auch Prismenführungen genannt, kommen mit hohen Stoßbelastungen besser zurecht als Wälzkörper. Unter solchen Bedingungen können Wälzkörper auseinanderbrechen oder sich aufgrund ihres punktuellen Kontakts mit der Lagerfläche in der Kugellaufbahn verkanten. Prismenführungen sorgen dagegen für eine gleichmäßige Verteilung der Last auf der Gleitfläche, was sich bei Vibrationen positiv auswirkt. Je nach Staubentwicklung kann die Verwendung von Prismenführungen ggf. mit einer entsprechenden Abdeckung kombiniert werden.

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