Gleitketten

Zielstellung

Für den Transport von kleinen bis mittleren Stückgütern oder Werkstückträgern werden zunehmend Gleitkettenförderer mit raumbeweglichen Kunststoffketten verwendet, die sehr flexibel an komplizierte Förderstrecken angepasst und schmierungsfrei betrieben werden können. Die zumeist einsträngigen Systeme kommen u.a. in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Verpackungsindustrie sowie für Verkettungsaufgaben in der Montagetechnik zum Einsatz. Auf Grund der hohen Flexibilität sind Multiflex-Gleitketten seit vielen Jahren fest am Markt etabliert. Das zusätzliche Drehgelenk (Pin), welches in Verbindung mit dem Kettenbolzen ein kardanisches Gelenk ergibt, ermöglicht sehr kleine horizontale und vertikale Umlenkradien bei relativ hoher Zugfestigkeit. Die Kette wird in einem mit Kunststoff-Gleitschienen (meist PE) bestückten Führungsprofil (meist Alu-Profil) geführt. Gängige Systeme sind modular aufgebaut und bestehen aus Geraden, horizontalen bzw. vertikalen Kurvenprofilen, Kurvenrädern und sonstigem Zubehör.

Materialbedingt weisen die Kunststoffketten insbesondere bezüglich der zulässigen Zugkraft (Festigkeit/Dauerfestigkeit) sowie der vorhandenen hohen Dehnung (geringe Steifigkeit) Defizite auf. Die Folge davon ist, dass Gleitkettenförderer noch häufig mit schweren und wartungsintensiven Stahlketten ausgerüstet oder lange Förderstrecken mehrfach geteilt werden müssen, wodurch zusätzliche Antriebe notwendig werden sowie konstruktiv aufwendige und fördertechnisch nachteilige Übergabestellen entstehen.

Das Ziel der Forschungen ist deshalb die Erhöhung der Leistungsfähigkeit solcher Förderanlagen. Im Vordergrund steht dabei die Entwicklung von dreidimensional beweglichen Kunststoffketten mit hoher Festigkeit und Steifigkeit, jedoch werden auch das Gesamtsystem vor allem hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften sowie Verfahren zur effizienten Fertigung der Ketten untersucht.

Konstruktive Gestaltung

Die einzelnen Bauelemente der Gleitkette werden im Betrieb sehr unterschiedlich beansprucht. Die Kette ist im Wesentlichen einer schwellenden Zugbelastung unterworfen, die durch die Zugelemente, den Pin und den Bolzen übertragen wird. Diese Elemente benötigen somit eine hohe Festigkeit (bzw. Dauerfestigkeit) und Steifigkeit bei gleichermaßen guten Reibungs- und Verschleißeigenschaften insbesondere in den Gelenkbereichen. Die Tragplatte dient dagegen der Aufnahme der Fördergüter sowie der Übertragung deren Masse auf die Gleitschienen, sodass hier nur eine vergleichsweise geringe Scherbelastung vorliegt. Die wichtigsten Eigenschaften dieser Elemente sind damit ein möglichst geringer Reibwert zur Gleitschiene sowie eine hohe Abriebfestigkeit.

Aus dieser Grundüberlegung heraus wurde eine modular aufgebaute Kette entwickelt, bei der Zugelement, Pin und Tragplatte einzeln hergestellt und deshalb auch die Werkstoffe sehr zielgerichtet ausgewählt werden können. Der Aufbau ähnelt dem einer Rollenkette mit geraden Innen- und Außengliedern, was eine sehr gute Kraftübertragung mit ausgewogener Spannungsverteilung gewährleistet.

Eine weitere Neuerung ist der alternativ zum Kopfantrieb verwendbare horizontale Bogenradantrieb, bei dem die Kette nur im Obertrum läuft und die Rückführungsstrecke komplett eingespart werden kann. Bei diesem Antriebskonzept greifen die nach unten aus der Kette herausragenden verlängerten Pins in eine Bogenradverzahnung ein, was im Gegensatz zu bisherigen Lösungen eine sehr saubere Kraftübertragung bei minimalem Abriebverschleiß gewährleistet.

Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Für die Funktion eines Gleitkettenförderers sind neben tribologischen Eigenschaften eine hohe Festigkeit und Steifigkeit des Zugelementes der Kette von Bedeutung. Unter der Voraussetzung des gleichen Materialvolumens ist dies einerseits durch eine spannungsoptimierte Konstruktion und andererseits durch die Verwendung geeigneter Hochleistungswerkstoffe zu erreichen. Hierfür bieten sich z.B. langfaserverstärkte Kunststoffe an, die in Ihrer Festigkeit und Steifigkeit herkömmliche Kettenwerkstoffe und kurzglasfaserverstärkte Materialien deutlich übertreffen. Problematisch ist jedoch das tribologische Verhalten dieser Werkstoffe, da insbesondere durch die abrasiven Glasfasern ein hoher Abriebverschleiß verursacht wird.

Als Lösung wurden die Zugelemente in einem 2-Komponenten-Spritzgießverfahren mit einem festen und steifen Kern aus langfaserverstärktem Kunststoff sowie einer Haut aus tribologisch optimiertem Material hergestellt. Dazu wurde das relativ moderne Monosandwich-Verfahren der Fa. Ferromatik Milacron [www.ferromatik.com] angewendet, bei dem die plastifizierte Hautkomponente über einen Nebenextruder von vorn in das Hauptspritzaggregat mit dem Kernmaterial gefördert wird. Beide hintereinander geschichteten Schmelzen werden dann gemeinsam in die Kavität eingespritzt, wobei der Kernwerkstoff das Hautmaterial verdrängt, welches sich dünnschichtig an der Werkzeugoberfläche erstarrt. Auf diese Weise können die Zugelemente ohne Zykluszeitverlust sehr effizient gefertigt werden.

Mechanische Eigenschaften

Die Bruchfestigkeit und Steifigkeit der Ketten konnte im Vergleich zum Iststand sowohl durch die konstruktiven Veränderungen bei identischem Werkstoff als auch die Verwendung von langfaserverstärktem Kunststoff deutlich verbessert werden.

In einem Kettenförderer wird die Kette nach dem Auslaufen aus dem Antriebsrad komplett entlastet. Im Bereich der Kettenrückführung sowie auf der eigentlichen Förderstrecke steigt die Kettenzugkraft infolge der Reibung und der Wirkung der Ketten- und Fördergutmasse ständig an und erreicht beim Eingriff in das Antriebsrad ihren Maximalwert. Das bedeutet, dass die Kette während eines Umlaufes einer schwellenden Belastung unterworfen ist. Bei den Multiflex-Ketten kommt dazu eine zusätzliche Biegebelastung in horizontalen Kurven.

Die statische Bruchkraft allein liefert deshalb keine zuverlässige Aussage zur Eignung bestimmter Werkstoffe als Kettenmaterial. Dazu ist zumindest eine dynamische Zugprüfung bei schwellender Last erforderlich ist, die sich bei verschiedenen Werkstoffen auch qualitativ vom statischen Zugversuch unterscheiden kann. In diesen Tests werden die Ketten mit einer sinusschwingenden Last zwischen 0 und einer bestimmten Oberkraft beaufschlagt und die Zyklen bis zum Bruch bestimmt. Diese Werte können als ertragbare Kettenumläufe bei einer bestimmten Zugkraft interpretiert und in einem Lebensdauerdiagramm dargestellt werden. Die in einer Zugprüfmaschine ermittelte Lebensdauer gilt allerdings nur bei geraden Förderstrecken. Durch die asymmetrische Belastung der Ketten in den Horizontalkurven sowie ein zusätzliches Biegemoment, welches im Pingelenk beim Einschwenken in eine Kurve erzeugt wird, sinkt die Zeitfestigkeit beim Test in einem realen Fördersystem deutlich ab.

Die Messungen in Kurven-Versuchsständen unter praxisnahen Belastungsbedingungen zeigen, dass die Lebensdauer der Ketten durch die Verwendung von langfaserverstärktem Material deutlich verlängert werden kann. Interessant ist, dass allein die neue geometrische Gestaltung von unverstärkten Ketten im Vergleich zur herkömmlichen Geometrie zu einer signifikanten Standzeiterhöhung von 40…60% beiträgt, woraus sich eine Erhöhung der zulässigen Zugkraft um ca. 20…30% ergibt.

Tribologie

Tribologische Kontakte treten an vielen Stellen eines Fördersystems auf und führen zu teilweise erheblichen Reibungsverlusten, die sowohl das Antriebsmoment bzw. den Energiebedarf der Anlage als auch die Zugbelastung der Kette und damit zulässige Länge des Fördersystems maßgeblich beeinflussen. Zudem führt die Reibung zu Verschleißerscheinungen, die verstärkt werden durch die ebenfalls reibungsbedingte Erwärmung der Kontaktbereiche.

Der wichtigste Kontakt im Fördersystem ist der zwischen der Tragplatte und den Gleitschienen, da hierüber die Last des Fördergutes auf der gesamten Förderstrecke abgetragen wird. Weiterhin ist der Kontakt zwischen den Zugelementen und den Gleitschienen in horizontalen Gleitkurven von großer Bedeutung, weil die Reibkraft der radialen Abstützung eine erhebliche Erhöhung der Kettenzugkraft bewirkt und diese Stelle in der Praxis oft thermische Probleme auftreten. Innerhalb der Kette sind vor allem die beiden Gelenkstellen zu beachten, die in jeder horizontalen bzw. vertikalen Kurve sowie im Antriebs- und Umlenkbereich unter Wirkung der Kettenzugkraft ein- und ausgeschwenkt werden und neben den auftretenden Energieverlusten die verschleißbedingte Längung der Kette bestimmt, die zu Zahneingriffsstörungen am Antrieb führen kann.

Ungeschmierte Kunststoff-Gleitpaarungen zeigen meist eine ausgeprägte Abhängigkeit von den Belastungsbedingungen sowie ein Einlaufverhalten, bei dem der Reibwert auf einem relativ niedrigen Niveau beginnt und im Verlauf von mehreren Stunden bis Tagen deutlich ansteigt. Dieses Verhalten war auch bei den untersuchten Werkstoffen zu beobachten, in den Tests mit verschiedenen potentiellen Kettenwerkstoffen gegen RAM-extrudierte Standard-Gleitschienen aus PE 1000 wurden z.B. jeweils Höchstwerte zwischen µ=0,3…0,6 gemessen.

Die Reibwerte zwischen den unter mechanischen und tribologischen Gesichtspunkten ausgewählten Kettenwerkstoffen und den neu entwickelten Führungsschienen aus gleitmodifiziertem und RAM-extrusionsfähigem PE UHMW konnten dauerhaft auf etwa µ=0,15…0,20 gesenkt werden, wobei diese Paarungen gleichzeitig eine sehr hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Auch für das Pingelenk, welches zusätzlich hohe Festigkeitsanforderungen stellt, konnten geeignete Werkstoffpaarungen mit sehr guten tribologischen Eigenschaften gefunden werden, welche die Belastungen in den Gelenkstellen und die verschleißbedingte Längung der Ketten reduzieren.

Potential

Die neuen Hochleistungsketten können mit herkömmlichen Spritzgießverfahren (unverstärkte Kette) bzw. mittels Monosandwich-Verfahren (langfaserverstärkte Variante) gefertigt werden, wobei sich die Zykluszeiten nicht wesentlich voneinander unterscheiden. Die Trennung von Zugelement und Tragplatte ermöglicht die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe, erfordert jedoch eine automatisierte Montage, welche ebenfalls entwickelt wurde.

Das neue System wurde bereits ausgiebig an einem 15 Meter langen Funktionsdemonstrator mit mehreren Steigungen und Kurven sowie praxisgerecht umlaufenden Werkstückträgern getestet. Dabei wurden die positiven Ergebnisse aus den Laborversuchen bestätigt.

Durch die neue Geometrie der Gleitketten und die tribologisch verbesserten Gelenkbereiche werden bei gleichem Materialeinsatz die Steifigkeit und Zeitfestigkeit sowie die Verschleißbeständigkeit erhöht, reibungsoptimierte Gleitschienen sorgen für eine Minimierung der Kettenzugkraft. Mithilfe der erstellten Berechnungsvorschriften und der Versuchsergebnisse lässt sich das Potential des neue entwickelten Fördersystems abschätzen, welches sich zum einen aus der gesteigerten Kettenfestigkeit und zum anderen aus den verbesserten Reibwerten ergibt. Am Beispiel des Funktionsdemonstrators ergibt sich eine Verringerung der Kettenzugkraft und der Antriebsenergie um ca. 70% bei gleichzeitiger signifikanter Steigerung der ertragbaren Kettenumläufe. Dabei ist anzumerken, dass die Größe der Verbesserungen maßgeblich vom Förderlayout und den Belastungen abhängt und je nach Anwendungsfall zu ermitteln ist.

Bei der Kombination der mechanischen und tribologischen Eigenschaften im Gesamtsystem ist demnach eine drastische Verringerung der Zugmittelbelastung, verbunden mit längerer Lebensdauer und größerer Funktionssicherheit, und zudem die Einsparung von Antriebsenergie in gleicher Größenordnung möglich. Alternativ können mit dem neuen System wesentlich längere und kurvenreichere Anlagen mit weniger Antrieben und Gutübergabestellen oder größere Förderlasten bzw. -geschwindigkeiten realisiert werden.

Projektpartner

	ALTRATEC Montagesysteme GmbH, Neukirchen / Schwieberdingen
	Huster Sondermaschinenbau GmbH, Chemnitz
	IWIS Antriebssysteme GmbH, München
	Livemold Trading GmbH, Breitungen
	Quadrant EPP Deutschland GmbH, Sinsheim / Vreden
	SMK V-Fabrik GmbH, Chemnitz
	TU Chemnitz, Professur Fördertechnik (Prof. Dr.-Ing. K. Nendel)
	TU Chemnitz, Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung (Prof. Dr.-Ing. L. Kroll)

Förderung

	"Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes "Forschung für die Produktion von morgen" gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA PFT), betreut."

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