Verfahrensentwicklung für eine Kunststoffkette

Flüsterkette und Demonstratorförderer
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"Flüsterkette" - ein geräuscharmes Fördersystem mit spielfreien Elastomergelenken

Beim Transport von Stückgütern kommen zunehmend schmierungsfrei zu betreibende Kunststoffketten in Gleitkettenfördersystemen zum Einsatz. Deren Verwendung bietet gegenüber den ebenfalls oft benutzten Stahlketten viele Vorteile wie z. B. geringes Gewicht, günstige Gleiteigenschaften, hohe Korrosions- und Medienbeständigkeit. Die Elemente dieser Kunststoffketten können kostengünstig, montage- und fertigungsgerecht durch Spritzgießen hergestellt werden. Trotz enormen Potentials hinsichtlich Werkstoffauswahl und –kombination schränken noch diverse Nachteile die Einsatzmöglichkeiten ein. Diese ergeben sich aus dem Umstand, dass die Kurvengängigkeit der Ketten derzeit entweder mittels eines kardanischen Gelenkes oder durch eine Langlochverbindung hergestellt wird. Nach der aufwendigen Montage der Einzelteile führt die Relativbewegung der Gelenkbauteile in beiden Fällen zu Verschleiß und damit zu teilungsbedingten Funktionsproblemen und zunehmender Geräuschentwicklung durch Quietschen und Knarren der Gelenke.

Gemeinsam effektiver – Lösung anspruchsvoller Thematik durch Kooperation

Zielstellung des Projektes war es daher, eine spritzgießgerechte Gelenkvariante mit Bauteilen aus Kunststoff ohne Relativbewegung zu entwickeln. Der Ansatz bestand darin, Gelenke aus biegeflexiblem Kunststoff (TPE) mit den Kettengliedern aus biegesteifem Kunststoff durch Mehrkomponentenspritzgießen so zu verbinden, dass die Beweglichkeit dieser neuen Kettengelenke allein durch die Flexibilität des Gelenkkunststoffes erreicht wird. Damit wurden folgende Ziele verfolgt:

  • Vermeidung von Teilungsfehlern und Verschleißabrieb - d. h kein aufeinander Abgleiten der Gelenkteile mit daraus resultierendem Gelenkverschleiß,
  • Geräuschloser Lauf, dadurch u. a. Erhöhung der Fördergeschwindigkeit möglich
  • Vermeidung von Spalten, in denen sich Schmutz und Bakterien absetzen können (wichtige Anforderung für Fördertechnik im Lebensmittel- und Pharmabereich)
  • Vermeidung konstruktiv bedingter mechanischer Schwachstellen im Gelenkbereich
  • Minimierung des Montageaufwandes

Um diese anspruchsvolle Aufgabe zu lösen, kooperierten in dem von der SAB geförderten Projekt die Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH, das Institut für Fördertechnik und Kunststoffe der Technischen Universität Chemnitz, die pro forma Leistungen für den Werkzeugbau GmbH, die Hugo Stiehl GmbH Kunststoffverarbeitung und die Beyer Maschinenbau GmbH.

Deren Aufgaben sind im nachfolgenden Schema dargestellt.

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Verknüpfung der Projektpartner und deren Hauptaufgaben von der FuE- bis zur Vermarktungsphase

Vorgehensweise

Um den Erfolg des Projektes abzusichern, wurde ein zweistufiges Vorgehen gewählt: Nach Erarbeitung der prinzipiellen Werkstoff-, Werkzeug- und Verfahrensgrundlagen an einfachen Modellbauteilen erfolgten die konstruktive Entwicklung der Förderkette sowie die Übertragung des Fertigungsverfahrens auf die Ketten­elemente. Die Funktion des neuen Fördersystems war an einem Demonstrator nachzu­weisen.

Das KuZ übernahm dabei folgende Aufgaben:

  • Vorauswahl von verfahrens- und anwendungstechnisch geeigneten Werkstoffen auf Grundlage von Materialkennwerten und Standardprüfungen.
  • Entwicklung geometrisch aussagefähiger Prüfkörper (siehe zum Beispiel Gelenkprüfkörper in Abb. 2) zur Entwicklung der Verfahrensgrundlagen.
  • Durchführung von experimentellen Grundlagenuntersuchungen an Prüfkörpern, die aus relevanten Materialkombinationen zu fertigen sind unter Nutzung der gemessenen Kavitätstemperaturen und Werkzeuginnendrücke.
  • Ermittlung der grundlegenden statischen Festigkeits- und Elastizitätseigenschaften der Prüfkörper und Simulation von Alterungs- und Schädigungsprozessen infolge von anwendungs­relevanten äußeren Einflüssen (Abb. 3).
  • Bewertung der Gestaltungsvarianten für die geräuscharme Förderkette, insbesondere für die Gelenkverbindung, unter den Gesichtspunkten der kunststoff- und spritzgießgerechten Gestaltung.
  • Begleitung der Prozesseinführung des Werkzeuges zur Herstellung der Elemente für den Demonstrator und Optimierung von Werkstoffen und Verfahrensparametern in der Spritzgießfertigung nach Analyse der Ergebnisse.
Gelenkprüfkörper sowie FEM Darstellung des Gelenkes
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Gelenkprüfkörper (links) sowie FEM Darstellung des Gelenkes (rechts)

Medienbeständigkeitsuntersuchung und Kondenswasserkonstanttest

Medienbeständigkeitsuntersuchung und Kondenswasserkonstanttest

Projektergebnisse

  • Das Verbundprojekt wurde im Juli 2013 abgeschlossen. Die erarbeiteten Ergebnisse zur Entwicklung eines geräuschreduzierten Kettenfördersystems mit spielfreien Elastomergelenken lassen sich wie folgt zusammenfassen:
  • Auf Grund der gesetzten mechanischen, tribologischen und verarbeitungstechnischen Anforderungen an Förderketten ist die Zahl der für den Mehrkomponentenspritzguss einzusetzenden Hart-Weich-Kombinationen stark eingeschränkt. Aus der Favorisierung auf POM und PBT resultiert eine begrenzte Auswahl an Weichkomponenten. Die grundlegenden Untersuchungen der mit zwei vorhandenen und drei neu entwickelten 2K-Werkzeugen hergestellten Prüfkörper erbrachten, dass die erzielten Verbunde zwischen Hart- und Weichkomponenten nur z. T. gegeben waren. Zudem sind die Haftungen im Vergleich zu anderen Kunststoffpaarungen im Mehrkomponenten-Spritzguss nicht hoch genug, um die im Pflichtenheft fixierten Belastungen für das Kettenfördersystem aufzunehmen. Für die Entwicklung des geräuschreduzierten Kettenfördersystems ist daher anzustreben, bei der Funktion nicht nur auf den Stoffschluss zwischen Hart- und Weichkomponente, sondern auch auf den Formschluss beider Komponenten zu orientieren.
  • Die durchgeführten Umweltsimulationen erbrachten insbesondere für die Weichkomponenten eine sehr gute Medienbeständigkeit und zeigten keine Einschränkungen in den mechanischen Eigenschaften der 2K-Verbunde nach thermischer Belastung und Lagerungen bei extrem hohen Luftfeuchtigkeiten.
  • Werkzeugtechnisch wurden bei drei Prüfkörperwerkzeugen die klassischen Werkzeugtechniken für Mehrkomponentenspritzguss Umsetztechnik, Dreh- bzw. Verschiebetechnik und Kernzugtechnik nach Absicherung durch die Spritzgießsimulation realisiert. Die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf das Werkzeug für die Förderkette ist – unabhängig davon, ob eine 2K- oder eine 3K-Lösung avisiert wird – möglich.
  • Die finale Kettengeometrie wurde werkzeugtechnisch umgesetzt und die durch Spritzgießen hergestellten Kettengelenke (Abb. 4) montiert. Die umfangreichen dynamischen Dauertests im Demonstrator­förderer (Abb. 5) der zur Kette montierten Elastomergelenke verliefen erfolgreich. Die erzielte Geräuschminderung gegenüber herkömmlichen Ketten beträgt bis zu 5 dB [A].
Flüsterkette mit Komponenten

Flüsterkette mit Komponenten

Ergebnisse der Schalldruckmessung
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Ergebnisse der Schalldruckmessung im Vergleich Referenzkette und Flüsterkette (*geometrisch bedingte Anpassung der Kettenlänge)

Mit der Entwicklung des als „Flüsterkette“ bezeichneten geräuscharmen Fördersystems mit spielfreien, leisen Elastomergelenken entsteht in den drei, am Verbundprojekt beteiligten sächsischen KMU ein hohes Wertschöpfungspotential. Die Einrichtungen können die Resultate in der Entwicklung und Fertigung neuartiger Fördersysteme auf der Grundlage des Demonstrators umsetzen. Die Rechte an der konkret gefundenen Lösung liegen bei den Industriepartnern und sind patentrechtlich geschützt.

Das KuZ kann durch seine Arbeit als gemeinnützigen FuE-Einrichtung die im Projekt gewonnenen allgemeingültigen Erkenntnisse weitergeben und dazu beitragen, dass das 2K-Spritzgießen unter Verwendung hochwertiger, für den dynamischen Belastungsfall geeigneter Materialkombinationen als qualitativ neuartiges Verfahren weiter in die industrielle Anwendung überführt werden kann.

Mit dem entwickelten geräuscharmen Fördersystem sind zudem Verbesserungen der Umwelt- und Arbeitsbedingungen bzgl. Reduzierung der Lärmbelastung, Verminderung von Emissionen aus dem Material, Minderung des Energieverbrauchs im Spritzgießprozess, Senkung des Energieverbrauchs der Förderanlage und Verlängerung der Produktlebensdauer verbunden.

  • Reduzierung der Lärmbelastung,
  • Verminderung von Emissionen aus dem Material,
  • Minderung des Energieverbrauchs im Spritzgießprozess,
  • Senkung des Energieverbrauchs der Förderanlage und Verlängerung der Produktlebensdauer verbunden.
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Demonstratorförderer

Unser Angebot

Wir können aus den Erfahrungen der Projektbearbeitung für interessierte Partner anbieten:

  • Beratungen zur Formteilgestaltung im Mehrkomponentenspritzguss,
  • Abmusterung von Werkzeugen,
  • Unterstützung bei Technologieeinführung.

Kontakt

Kathrin Klamt
klamt(at)kuz-leipzig.de
+49 (0)341 4941 606

Finanziert aus Mitteln der Europäischen Union und des Freistaates Sachsen.

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