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Die Chemie muss stimmen, damit die Physik funktioniert

Die Chemie muss stimmen, damit die Physik funktioniert

Frühe Zusammenarbeit von Schmierstoff- und Komponentenhersteller von zentraler Bedeutung - ein Beispiel aus der Pneumatik

Unabhängig von Branche und Bauteil sind viele Engpässe technischer Entwicklungen darauf zurückzuführen, dass die Werkstoffspezialisten zu spät in die Entwicklungen der Komponentenhersteller einbezogen werden. Ein Schmierstoff, der nicht exakt auf das vorliegende
Tribosystem hin ausgewählt wurde, kann im späteren Betrieb eines Bauteils zu unvorhersehbaren Folgen und Kosten führen. Diese sind einfach zu vermeiden, wenn sich Konstrukteur und Schmierstoffspezialist früh gemeinsam mit dem Thema auseinandersetzen. Die Kunden werden von zuverlässig funktionierenden Komponenten und reduzierten Betriebskosten profitieren.


Die Entwicklung neuer Bauteile und Komponenten erfolgt heute nicht nur in immer kürzeren Zeiträumen, es werden auch immer höhere Anforderungen an die Produkte gestellt: Sie müssen
gleichzeitig mehr Funktionen erfüllen, dürfen die Umwelt nicht belasten und sollten dennoch in der Summe günstiger herzustellen sein. Von Schmierstoffen wird dabei erwartet, dass sie über einen langen Zeitraum, oft über die gesamte Lebensdauer der Bauteile, ihre Aufgaben ohne Fehler
und Schwächen erfüllen. Um dies bewältigen zu können, müssen sie auf das gesamte tribologische System im vorgesehenen Anwendungsumfeld abgestimmt sein.

Pneumatische Antriebe und Steuerungen sind in dieser Hinsicht anspruchsvoll. Mit ihren verschiedenen Arbeitselementen, wie Zylinder, Motoren oder Ventile, und unterschiedlichen Werkstoffen bilden sie ein komplexes tribologisches System. Ihre Funktionssicherheit und Lebensdauer wird stark beeinflusst durch den Kontakt zwischen Dichtelement und den meist metallischen Gegenlaufpartnern, z. B. Kolbenstange oder Zylinderrohr. Entscheidend für eine höchstmögliche Lebensdauer und Funktionalität ist die richtige Vorstartschmierung aller in Relativbewegung zueinander stehenden Bauteilkomponenten wie Kolbenstange, Zylinderrohr, Ventilschieber und Dichtelemente. Zusätzlich müssen die zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß genutzten Schmierstoffe auf die sehr unterschiedlichen Bedingungen zum Beispiel in Bezug auf Umgebungstemperatur, Gleitgeschwindigkeit und Normalkräfte abgestimmt sein.

Einflüsse auf das Tribosystem eines Dichtsystems

Bei einem Versagen von Pneumatik-Komponenten können die Folgekosten beträchtlich sein - und die Reparaturkosten für die Aggregate viel höher als z.B. die notwendige Menge eines speziell auf das Bauteil/Tribosystem abgestimmten Spezialschmierstoffes oder der Ersatz einer ausgefallenen Dichtung. Als Stolperschwellen für den Konstrukteur und Tribologen erweisen sich, im Zuge steigender Betriebsdrücke, Temperaturen, Gleitgeschwindigkeiten und Hubfrequenzen, die Durchtrittsstellen von Wellen und Stangen.

komplexe Pneumatikkomponenten

Anspruchsvolle Bedingungen

Die konstruktions- bzw. anwendungsgerechte Auswahl von Spezialschmierstoffen für Pneumatik-Komponenten erfordert vielfältige Kenntnisse und tribologische Fähigkeiten. Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Vorgänge in den Spalten und Wirkräumen, dem tribologischen System des Bauteiles:

  • zwischenmolekulare Kräfte,
  • Wärmeübergang und Wärmeleitung,
  • Reibung und Verschleiß sowie
  • chemische wie auch elektrochemische Korrosion.

All diese Einflussgrößen sind zu betrachten in Abhängigkeit von

  • Zylinder- und Stangenwerkstoffen,
  • unterschiedlichen Dichtungswerkstoffen und Dichtkantengeometrien,
  • Kontaktflächenpressungen und Mikrogeometrien der
  • Oberflächen,
  • einwirkenden Drücken und
  • der Einbaulage/-situation.

Nicht zu vergessen sind die unterschiedlichen auf das Bauteil und die Reibstelle einwirkenden Umgebungseinflüsse wie tiefe und/oder hohe Temperaturen sowie mehr oder weniger aggressive Medien - seien sie flüssig, gasförmig oder abrasiv, z.B. Feststoffe wie Sand etc.. Nur eine frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Konstrukteur und Tribologen ermöglicht die Entwicklung ausgereifter Produkte zum Nutzen für den Kunden.

Dicht bedeutet weniger Energieverbrauch

Eine zentrale Forderung bei der Entwicklung von Pneumatik-Komponenten ist es, Leckagen zu vermeiden. Im Betrieb werden Undichtheiten bisweilen nicht bemerkt, etwa wenn die Leckage in einer wasserfördernden Pumpe unmittelbar an der defekten Dichtstelle verdunstet. Weniger harmlose
Leckagen müssen hingegen, oft mit großem Kosten und Zeitaufwand, korrigiert werden. Druckluft beispielsweise ist kostbar und kostspielig. Eine Faustregel veranschlagt für ein Werksluftnetz ein bis zwei Eurocent pro erzeugtem Kubikmeter Druckluft. Jedes zusätzliche Bar Druckluft erhöht die Energiekosten erfahrungsgemäß um ca. 10%. So können enorme Druckluftkosten entstehen, insbesondere, wenn nicht hörbare Leckagen z.B. in Leitungsverbindungen, Absperr- und Regelarmaturen, Schnellkupplungen, Wartungseinheiten oder natürlich in den Endgeräten wie z.B. in Pneumatikkomponenten vorhanden sind. Neben der professionellen Instandhaltung sind hochwertige Konstruktionselemente - Werkstoff, Dichtelemente, Schmierstoff - eine Grundvoraussetzung für einen am Ende wirtschaftlichen Langzeit- oder Lebensdauer-Betrieb. Bei der Kostenbetrachtung kommt es deshalb weniger darauf an, wie günstig ein System Druckluft erzeugt, sondern vielmehr darauf, wie viel Energie aufgewendet werden muss, damit am „point of use" die benötigte Druckluft verfügbar ist. Im Durchschnitt wird erfahrungsgemäß ca. 33% der Druckluft für Leckageverluste erzeugt, da eine Vielzahl von kleinen Leckagen in der Summe eine große negative Wirkung haben.

Eine Beispielrechnung verdeutlicht die Verluste - und damit das Potenzial: Betreibt ein mittelständisches Unternehmen eine 100 kW-Kompressorstation mit einer Gesamtlaufzeit der Kompressoren von ca. 6.000 Stunden pro Jahr, ergeben sich bei einem Strompreis von 6,5 Eurocent pro kWh jährliche Energiekosten für die Druckluft von ca. 39.000 Euro. Können die üblichen Leckagen vermieden werden, braucht der Betreiber 30% weniger Druckluft. Damit erzielt er allein bei den Energiekosten eine Ersparnis von rund Euro 12.000.

6 000 Kilometer dicht

Klübersynth AR 34-402, ein synthetisches Spezialschmierfett für pneumatische Antriebe und deren Dichtelemente, zeigte im Rahmen einer Lebensdaueruntersuchung überzeugende Ergebnisse. Folgende Prüfparameter waren gewählt:

  • Einbaulage: waagrecht
  • Zylindertyp: VDMA-Zylinder
  • Druckluft: trocken und entölt
  • Temperatur: +20 °C
  • Druck: 8 bar
  • Geschwindigkeit: 1 m/s
  • Belastung: 0 kg Masse an der Stange
  • Drosselung: ohne
  • Laufzeitziel: mindestens 6.000 km

Der Versuch wurde ohne Querlast durchgeführt, um einen starken Einfluss des Führungsverschleißes auf die Reibungsergebnisse zu vermeiden.

Ein Maß für die Standfestigkeit von Pneumatikdichtungen ist bekanntermaßen die nach einer bestimmten Laufleistung auftretende Leckage. Die Prüfzylinder Pneuko M von Merkel-
Freudenberg Fluidtechnic zeigten nach einer Laufleistung von 6.500 km keinen nennenswerten Verschleiß. Während der gesamten Laufzeit wurden die Pneumatikzylinder hinsichtlich ihrer Leckage geprüft. Selbst nach 6 000 km konnten keinerlei Leckagen gemessen werden. Erst nach ca. 6.500 km trat teilweise eine geringe Leckage von ca. 0,6 L/h kolbenseitig und ca. 0,9 L/h stangenseitig auf.

Das synthetische Spezialschmierfett Klübersynth AR 34-402 ist haftfest und frei von Schwermetallen und Festschmierstoffen. Durch ein sorgfältig auf die möglichen Anwendungen abgestimmtes Wirkstoffpaket wird eine hervorragende Produktleistung und Ausgewogenheit bei hoher Funktionssicherheit und langer Lebensdauer erreicht. Klübersynth AR 34-402 wird insbesondere im Bereich pneumatischer Steuer-, Regel- und Dichtelemente wie z.B. in ISO-einfach- und doppelwirkenden Zylindern mit und ohne Kolbenstange, für pneumatische Drehantriebe, Kurzhub- und Kompaktzylinder, für Ventile sowie die zugehörigen Dichtelemente verwendet. Neben einem relativ weiten Gebrauchstemperaturbereich von mindestens -30 °C bis +130 °C sind auch weite Kolbengeschwindigkeiten von ca. 0,01 m/s bis > 1 m/s möglich, und selbst bei über 5 m/s wurden ausreichende Standzeiten erreicht. Weitere Leistungsmerkmale sind geringste Losbrechkräfte, womit auch der sogenannte „Montagmorgeneffekt" nach längerer Stillstandszeit vermieden wird, sowie eine Stick-Slip-Neigung (Ruckgleiten), was bei sehr kleinen Kolbengeschwindigkeiten und beim Positionieren von Vorteil ist.

Klübersynth AR 34-402 hat sich in Kombination mit Kolben-, Stangen- und Dämpfungsdichtungsprofilen in den unterschiedlichsten Bauformen und mit verschiedenen Materialien, wie NBR, HNBR und auch in Verbindung mit PU-Werkstoffen bewährt. Hinsichtlich der Applikation ist Klübersynth AR 34-402 mit allen bekannten Methoden und üblichen Dosiereinrichtungen leicht auf- oder einzubringen. Für spezielle Bauteilgeometrien im Bereich pneumatischer Steuer-, Regel- und Dichtelemente, die eine besondere Benetzung der lokalen Reibstellen erfordern, ist das Spezialfett auch in der Konsistenzklasse NLGI 1 (Klübersynth AR 34-401) erhältlich.

Gebündeltes Know-how

Um Leckagen durch brüchige Dichtungen zu minimieren, ist die Verträglichkeit von Dichtung und Schmierstoff von entscheidender Bedeutung. Schon seit Jahren arbeiten die beiden Freudenberg Unternehmen Merkel Freudenberg Fluidtechnic und Klüber Lubrication eng auf dem Gebiet der
Pneumatikkomponenten zusammen. Die Kooperation bezieht auch namhafte Hersteller von Pneumatik-Elementen und universitäre Forschungseinrichtungen mit ein. So stellen Klüber
Lubrication und Merkel Freudenberg Fluidtechnic z.B ihre jeweiligen Prüfstände im mechanisch-dynamischen Prüffeld für möglichst anwendungsbezogene und bauteilnahe Tests zur Verfügung. Das kombinierte Know-how aller Beteiligten ermöglicht aufeinander abgestimmte Dichtungs- und Schmierstoff-Kombinationen für die unterschiedlichen Aufgaben in pneumatischen Anlagen. Deren Betreiber letztendlich profitieren von einer ausgefeilten Technik der pneumatischen Antriebe, Ventile und deren Abdichtung. Sie können sich auf die zuverlässige Funktion der Anlagen über eine lange Lebensdauer verlassen und ihre Energiekosten deutlich senken.