Nahezu verschleißfreie Gleitlager für hohe Beschleunigungen in Produktausstoßer

In Verpackungs- und Abfüllmaschinen und in der Fördertechnik werden Produkt-Ausstoßer benötigt, die bei sehr hohen Ausbringungsraten prozesssicher einzelne fehlerhafte Produkte aus dem Produktstrom separieren und ausstoßen können. In der Vergangenheit wurden hierzu Pneumatikzylinder eingesetzt, die aber in modernen schnelllaufenden Maschinen nicht prozessicher arbeiten.
Die Jung Antriebstechnik und Automation GmbH liefert daher Linearmotor-Module wie das UltraDynamikTM, die mit handelsüblichen Führungsschienen aus Stahl und mit Führungswagen, in denen Kugelketten laufen, ausgestattet sind. Diese Systeme erreichen bei Taktzahlen von ca. 500 - 1.000 Takten pro Minute, Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 5 m/s und Beschleunigungen von bis zu 150 m/s2. Dabei kommen sie bei den Kunden im Dauerbetrieb zum Einsatz.
Die Spitzenkräfte dieser Linearmotortechnik wurden durch verbesserte Magnetwerkstoffe bei gleicher Motorbaugröße immer weiter gesteigert. Die bewegten motorischen Massen blieben jedoch nahezu gleich groß. Hieraus resultiert bei diesen neuen Linearmotoren ein drastisch gesteigertes Beschleunigungsvermögen.
Technisch kann mit konventionellen Führungen, die in Wälzlagertechnik und aus Stahlwerkstoffen hergestellt sind, diese hohe Motordynamik nicht ausgenutzt werden. Gründe hierfür sind die relativ großen bewegten nichtmotorischen Massen der Konstruktionselemente aus Stahl und vor allen Dingen die hohen Beschleunigungen, die ein bestimmungsgemäßes 'Wälzen' der Lagerelemente unmöglich machen.
Daher suchte das Automationsunternehmen nach Bauteilen mit einer drastischen Verkleinerung der bewegten konstruktiven nichtmotorischen Massen und und nach einer Lager-und Führungstechnologie, die Beschleunigungen bis ca. 250 m/s2 (25 g) ermöglicht.

Bei der neuen Konzeption des Aktuators stand eine radikale Reduktion der bewegten Massen im Vordergrund. Aus diesem Grunde wurden zwei 10 mm CFK-Rohre als Führungselemente und eine Stirnplatte aus CFK gewählt. Durch Verwendung dieser Werkstoffe konnten die konstruktiven bewegten Massen im Vergleich zum konventionell (in Stahl) ausgeführten HighDynamic Linearmotor-Modul von 263 Gramm auf 45 Gramm reduziert werden. Nur durch eine radikale Massereduzierung ist eine Steigerung der Beschleunigungswerte möglich.
Betreffend der Auswahl eines geeigneten Lagers für die Führung des CFK-Rohres entschied man sich für iglidur J-Gleitlager, wobei insgesamt vier Lagerbüchsen in zwei Lagerböcke verbaut wurden (s. Bild unten).
Der neu konzipierte Aktuator kann mit diesen Bauteilen beispielsweise einen Hub von 160 mm in nur 60 ms Verfahrzeit bahnkurvengeregelt realisieren. Bei einem solchen Bewegungsvorgang werden selbst auf diesem kurzen Hub Geschwindigkeiten von 4 m/s und Beschleunigungen von 200 m/s2 (20 g) erreicht. Der reine Beschleunigungs- bzw. Bremsvorgang ist bereits nach einer Fahrstrecke von 40 mm abgeschlossen.
Um eine Aussage über die dauerhafte praktische Tauglichkeit dieser Lösung treffen zu können, wurde eine Dauerversuchsserie bei der Jung Antriebstechnik gestartet, in der der neue Aktuator unter sehr realen Bedingungen getestet wurde. Hier zeigte sich, dass selbst nach einigen Millionen Hubzyklen und einer Laufstrecke von einigen Tausend Kilometern kein nennenswerter Abrieb und Verschleiß an den CFK-Rohren und an den iglidur J-Gleitlagern festgestellt werden konnte. Aufgrund der erfreulichen Ergebnisse der Tests, wurde das Produkt nach Testende auf der MOTEK 2015 der Öffentlichkeit vorgestellt.