Der Mangel an hoch qualifizierten Ingenieuren und Naturwissenschaftlern ist nach Aussage von VDI-Direktor Dr. Willi Fuchs nach wie vor ein Problem, das man aktiv angehen müsse. Vor diesem Hintergrund kommen Schulprojekte gerade recht, bei denen die Schüler ihr Wissen in Metall- und Elektrotechnik fächerübergreifend vertiefen und in der Praxis erproben können. Im kürzlich abgeschlossenen Projekt „Roboter" sollte eine bereits existierende Maschine mit Zahnradgetriebe auf Zahnriemenantrieb umgestellt werden.


Bild1: Beim Schulprojekt „Roboter" des Fachgymnasiums der

Berufsbildenden Schulen Burgdorf-Lehrte galt es, einen

bereits existierenden Roboter mit Zahnradgetriebe auf

Zahnriemenantrieb umzustellen    

Schlüssel zum Erfolg hierbei waren Kunststoff-Gleitlager zur Lagerung der Riemenräder. Denn sie erfüllen die geforderten technischen Eigenschaften und erweisen sich zudem als kostengünstig in der Anschaffung sowie im Betrieb.

Schulprojekt Roboter  
Das Projekt Roboter ist ein Konzept des Fachgymnasiums der Berufsbildenden Schulen Burgdorf-Lehrte. Während der Leistungskurs Technik die Grundlagen der Metall- und Elektrotechnik vermittelt, dienen praktische Tätigkeiten sowie Projektarbeit zum Vertiefen des Fachwissens und zum selbstständigen Erlernen fertigungstechnischer Fähigkeiten. Die aktuelle Aufgabe, bei der es galt, einen bereits existierenden Roboter mit Zahnradgetriebe auf Zahnriemenantrieb umzustellen, sorgte auch beim diesjährigen „manus", dem zweiten bundesweiten Wettbewerb für Kunststoff-Gleitlager-Anwendungen, für Beachtung. Bei dieser Initiative des Kölner Unternehmens igus - unter anderem zusammen mit dem Institut für Verbundwerkstoffe in Kaiserslautern und dem Kölner Wissenschaftsforum - werden neue Wege in der Lagertechnik prämiert, die sich sowohl technisch als auch wirtschaftlich effizient zeigen.  

Im Falle des Schulroboters wurde nur der obere Teil mit der Antriebsmechanik neu erstellt. Die Erfahrungen beim Konstruieren und Bauen des alten Roboters mit Zahnradgetriebe führten dabei zu überarbeiteten und genau formulierten Anforderungen an alle Bauteile. Die Lagerungen als Schlüsselelemente der Neukonstruktion sollten vor allem wartungsfrei und schmutzbeständig sein sowie gute Gleiteigenschaften besitzen. Jede der fünf konstruierenden Schülergruppen musste dabei ihre Bauteile an die verwendeten Lagerungen anpassen.  

Fachpraxis-Unterricht 
Die im Fachpraxis-Unterricht bisher verwendeten Lager beim Stirling-Motor bestanden aus selbst angefertigten Messing-Lagerbuchsen, die jedoch weder hohe Genauigkeit noch gute Gleitreibung gewährleisten. Da der Roboter meist im Lehrsaal neben der Fertigungshalle steht und kein geschlossenes Gehäuse besitzt, sollten alle Lager möglichst unempfindlich gegen Staub und andere leichte Verschmutzungen sein. Kinematische Berechnungen ergaben zusätzlich, dass die Zahnriementriebe einen hohen Wirkungsgrad haben müssen. Erzeugen doch die verwendeten, aus dem Vorgängermodell ausgebauten Schrittmotoren nur ein ausreichendes Moment mit wenig Reserve.  

Da an den Lagerstellen der Zahnriemen beziehungsweise Wellen Reibkräfte auftreten, sind hier entsprechend niedrige Gleitreibungswerte gefragt (Bild 2). Beim Auswechseln der Gleitlager muss der komplette Roboter demontiert und wieder zusammengebaut werden - gerade die Vorspannung der Zahnriemen verursacht dabei einen sehr hohen Arbeitsaufwand. Aus diesem Grund sollen die Maschinenelemente wartungsfrei sein und zudem eine hohe Standzeit aufweisen. Darüber hinaus spielen auch in der schulischen Projektarbeit zunehmend wirtschaftliche Aspekte eine bedeutende Rolle. Die in der BBS selbst angefertigten Roboterbauteile bestehen daher fast ausschließlich aus Stahl. Die eingesetzten Lager müssen also auch auf weichen Wellen zuverlässig arbeiten. Als geeigneter Reibpartner wurde schließlich das Gleitlagermaterial iglidur W300 von igus ausgewählt (Bild 3).  


Bild 2: Da in der Lagerung der Zahnriemenräder Reibkräfte

auftreten, müssen die eingesetzten Maschinenelemente

entsprechend niedrige Gleitreibungswerte besitzen  


Bild3: Reibwert von iglidur W300, abhängig von der Belastung

und bei einer Geschwindigkeit von 0,01 m/s 

Dauerläufer unter den Gleitlagern  
Kunststoff-Gleitlager vom Typ iglidur zeichnen sich generell durch geringe Wärmerela-xierung, hohe Druckfestigkeit und Maßgenauigkeit sowie gute Wärmeableitung aus. Außerdem sind sie wartungsfrei, besitzen eine sehr geringe Kriechneigung, eine hohe mechanische Dämpfung und sind unempfindlich gegen Schmutz. Die Vertreter der iglidur W300-Familie stehen dabei für besonders hohe Standzeiten, niedrige Reibwerte und extrem hohe Abriebfestigkeit. Sie eignen sich auch für weiche Wellen und widerstehen Chemikalien.  

Die Reibwerte für iglidur W300 steigen auch bei höheren Gleitgeschwindigkeiten nicht an. Deshalb lassen sich gegenüber anderen Werkstoffen etwas höhere Gleitgeschwindigkeiten erzielen, zum Beispiel bis zu 1,5 m/s rotierend und bis zu 5 m/s linear. Durch die außergewöhnliche Verschleißfestigkeit bleibt der Lagerverschleiß auch bei längerem Einsatz mit hohen Geschwindigkeiten sehr niedrig. Dies gilt besonders für gehärtete, nicht zu glatte Wellen. Die Gleitreibwerte von iglidur W300 gehen mit steigender Belastung zurück. Im Trockenlauf gegen Stahl (Cf53) reduzieren sie sich allein bei Belastungen zwischen 0,5 und 3,5 MPa um rund 25 %. Anders als bei den anderen iglidur-Werkstoffen bleibt der Reibwert auch bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten konstant niedrig. Reibung und Verschleiß hängen aber auch in hohem Maß vom Gegenlaufpartner ab. Zu glatte Wellen erhöhen sowohl den Reibwert als auch den Verschleiß der Lager. Glatte Wellen können zu Ruckgleiten führen (Stick-Slip-Effekt). Negativer Effekt ist hier meist Quietschen. Für niedrigste Reibwerte mit iglidur W300 sollten die Oberflächen also nicht zu glatt sein. Bewährt haben sich Wellenrauigkeiten von 0,4 bis 0,5 µm. Hier fällt die Verschleißfestigkeit immer noch sehr gut aus, die Reibung nimmt den niedrigsten Wert an.  

Fazit  
Die Gleitlager iglidur W300 von igus erfüllen sowohl die technischen als auch die wirtschaftlichen Anforderungen im Schulprojekt Roboter. Die Grundlage bilden dabei Hochleistungspolymere, die durch den exakt abgestimmten Zusatz von Verstärkungs- und Festschmierstoffen noch verbessert werden.