Ausgewählte abgeschlossene Projekte
Rollende Fördertechnik
Motivation
In fördertechnischen Anlagen tritt an vielen Stellen eine unerwünscht hohe Reibung auf. Von besonderer Bedeutung sind dabei die tribologischen Kontakte zwischen der Kette und den Stützschienen, die zur Aufnahme der Gewichtskraft der Fördergüter oder der Radialkräfte in Kurven dienen. Nach dem Stand der Technik werden dafür meist Gleitelemente aus Kunststoff eingesetzt, die in direktem Kontakt zu den Zug- und Tragmitteln, z. B. Kunststoffketten, Gurten oder Zahnriemen, stehen. Die Gleitreibwerte liegen bei Paarungen Kette-Gleitschiene bei etwa µ = 0,20…0,30, bei Gurten und Zahnriemen sogar bei µ = 0,30…>0,50.
Ziel
Das Ziel des aktuellen Forschungsprojektes "Rollende Fördertechnik" (RFT) in Zusammenarbeit mit der Denipro AG, Weinfelden (Schweiz) ist die Entwicklung eines innovativen Bauelementes mit sehr geringem Bewegungswiderstand und dessen Integration in die Fördertechnik. Das entsprechende Grundelement basiert auf einem ovalen Mittelstück, bei dem umlaufende, achsfreie zylindrische Körper die Last rollend abtragen können.
Ergebnisse
In experimentellen Untersuchungen wurde mit µ ≈ 0,02…0,05 ein gegenüber ungeschmierten Gleitpaarungen 10- bis 15-mal geringerer Bewegungswiderstand gemessen. Besonders wichtig für den praktischen Einsatz ist, dass dieser Wert weitestgehend unabhängig von Normalkraft und Geschwindigkeit ist und auch bei langzeitiger Belastung sehr konstant bleibt. Aufgrund der geringen Reibungsverluste ist auch der Verschleiß der Bauteile extrem gering, sodass dem Anwender ein nahezu wartungsfreies System zur Verfügung steht.
Als erste praxistaugliche Ausführungen wurden RFT-Elemente für die Abstützung von kurvengängigen Mattenketten in horizontalen Kurven (deniroll®) sowie für die Aufnahme von Gutlasten z. B. in Mattenkettenförderern (denirug®) entwickelt. In beiden Fällen führt der geringe Bewegungswiderstand zu einer deutlichen Entlastung der Zugmittel und einer signifikanten Einsparung von Antriebsenergie. Damit können längere Förderstrecken und/oder höhere Förderleistungen realisiert, leichtere und kostengünstigere Transportketten eingesetzt sowie Wartungs- und Austauschintervalle der Ketten verlängert werden.
Die technischen Vorteile der RFT werden bereits von zahlreichen namhaften Anwendern in vielen Industriebereichen zur Senkung der Betriebskosten sowie zur Lösung von (vorher oft als unlösbar eingeschätzten) Problemen genutzt.
Deniroll®-Kurvenabstützungen kommen z. B. in der Lebensmittel-, Haushaltgeräte- und Verpackungsindustrie zum Einsatz, da dort häufig kurvengängige Mattenketten-Fördersysteme vorzufinden sind. Aufgrund der hohen Nachfrage wurde hier auch mit einem verwundenen Element eine interessante Weiterentwicklung durchgeführt: Mit dem Mattenketten-Spiralwendelförderer deniconda® können derzeit bis zu 5 komplette Windungen realisiert werden - bisher galten bereits 2 Windungen als nicht ausführbar.
Denirug®-Elemente haben sich vor allem in Schwerlastanwendungen etabliert, da dort ihre Vorteile am besten zur Geltung kommen. In einigen Anwendungen mit hohen Transportlasten kann die Kettenzugkraft und damit die Antriebsenergie im Vergleich zu Gleitschienen um bis zu 80% reduziert werden. Dies hat weitreichende Folgen nicht nur für die Betriebskosten, denn auch die Investitionskosten einer Förderanlage können oft z. B. durch die Verwendung kleinerer Motoren und kleinerer Ketten verringert werden. Mehrere Anwendungen wurden im Bereich der Automobilindustrie umgesetzt, z. B. in Dank denirug® bis zu 130 m langen Montagebändern mit Mattenketten, auf denen bis zu 25 PKW (etwa 40 t) gefördert werden. Auch in der Druckindustrie, wo tonnenschwere Papierrollen transportiert werden, ist die RFT im Einsatz.
Eine weitere Neuentwicklung ist das Personen-Transportband denimove®, in dem eine Mattenkette mit denirug® abgestützt wird. Derartige Bänder werden z. B. zum Personentransport in Flughäfen und Bahnhöfen, aber auch in der Automobilindustrie eingesetzt, wo Werker parallel zu den mittels Hängeförderer transportierten PKW-Karosserien bewegt werden und Montageprozesse durchführen.
Eine ebenfalls aus dem denirug®-Basiselement hervorgegangene, sehr erfolgreiche Anwendung sind einsatzfertige denirug®-Module, die vom Anwender problemlos zu leichtgängigen Förderabschnitten mit nahezu beliebiger Länge und Breite zusammengesetzt werden können. Einsatzgebiete sind zum einen alle Bereiche, in denen schwere Lasten manuell bewegt werden müssen. Zum anderen können die Module durch leichte Schrägstellung aufgrund ihres geringen Anfahr- und Bewegungswiderstandes auch sehr gut zum Schwerkrafttransport eingesetzt werden.
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Prozessfusion von Metalldruckguss und Kunststoffspritzguss für Leichtbau-Förderketten
Einleitung
Im Rahmen des Bundesexzellenzclusters MERGE (Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen) arbeitet die Forschungsgruppe Zugmittel und Tribologie an der Herstellung von hybriden Förderketten. Das Kettenglied soll dabei als Demonstratorelement für eine massenproduktionstaugliche Fertigungstechnologie für Metall-Kunststoff-Verbundbauteile dienen.
Motivation und Zielstellung
für den innerbetrieblichen Transport von Stückgütern sind raumbewegliche Kettenfördersysteme Stand der Technik. Neben den oft genutzten Stahlketten, haben sich ebenfalls schmierungsfrei zu betreibende Kunststoffketten etabliert. Diese zeichnen sich durch ein geringes Gewicht, sehr gute tribologische Eigenschaften und gute Korrosions- und Medienbeständigkeit aus.
Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffketten (vor allem Steifigkeit und Dauerfestigkeit) liegen deutlich hinter denen der Stahlketten zurück. Folglich ist mit Einschränkungen in der Transportleistung, der Gestaltungsflexibilität sowie des Ausfalls der Anlagen durch vorzeitigen Kettenbruch zu rechnen. Durch die Integration einer metallischen Verstärkungsstruktur sollen diese Nachteile gezielt verbessert und der Zugang zu Anwendungsgebieten ermöglicht werden, bei denen derzeit noch geschmierte Stahlketten zum Einsatz kommen. Gleichermaßen müssen jedoch hervorragende Reibungs- und Verschleißeigenschaften der tribologisch relevanten Kontaktbereiche der Kette zu führungsschienen und Antriebsrädern sowie in den Kettengelenken gewährleistet werden. Zusätzlich sollen bereits während des Fertigungsprozesses mikroelektronische Bauteile und Sensorik implementiert werden, um Mess- und Überwachungsaufgaben zu integrieren und Logistikprozesse während des Transportvorganges steuern zu können (intelligente fördersysteme).
Umsetzung
Die großserienmäßige Herstellung der Verstärkungsstruktur ist ein essenzieller Bestandteil, um die neu entwickelte Kette konkurrenzfähig am Markt zu platzieren. Aus diesem Grund wird der Verstärkungseinleger aus der Zinklegierung Zamak5 im Druckgussverfahren hergestellt, bevor er mit einem kettenüblichen Kunststoff (z. B. POM, PBT) im Spritzgussverfahren ummantelt wird. Die Haftung des Kunststoffes am metallischen Einleger folgt dabei form- und kraftschlüssigen Prinzipien.
Verifizierung
Nach umfangreichen Voruntersuchungen konnte der Einfluss der Verstärkungsstruktur auf das Festigkeits- und Steifigkeitsverhalten der Kettenglieder auch experimentell nachgewiesen werden. In Zugversuchen wurden dabei eine deutliche Erhöhung der maximalen Zugkraft und eine ebenso deutliche Reduzierung der maximalen Dehnung erreicht.
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Gleitoptimierte Verbundfolie für Trainingsanlagen im Rennrodelsport
Beschreibung
Die Erfolge von Athleten bei Olympiaden, in Weltcups oder nationalen Wettkämpfen beruhen auf ausgeklügelten, erfolgsoptimierten und wissenschaftlich analysierten Trainingsprogrammen. Deutsche Athleten belegen im Rennrodeln, Bobfahren sowie Skeleton seit Jahren Top-Resultate, da der Bob- und Schlittenverband (BSD), die einzelnen Landesverbände sowie Leistungszentren aufgrund ihres hohen Know-hows im Bereich der Trainingsgestaltung ihren Sportlern effiziente Trainingsmöglichkeiten bereitstellen können.
Um diese Kompetenzen weiter auszubauen, entwickelt das IFK in Zusammenarbeit mit der PerLaTech GmbH und dem sächsischen Rennrodelverband (RBSV) eine neuartige Kunststoffgleitfolie. Diese Folie soll es den Athleten ermöglichen, den Startprozess unter realistischen Bedingungen zu trainieren, ohne dabei auf kostenintensive Kühlsysteme oder Schlittenmodifikationen angewiesen zu sein.
Hergestellt werden die Folien durch das Schälen von Ram-Extrudierten Kunststoffronden, welche im Vergleich zu marktüblichen synthetischen Eisflächen signifikante Vorteile im Bereich der Stärke sowie der realisierbaren Breite und Länge der Gleitflächen bieten.
Die so hergestellten Gleitfolien ermöglichen, im Gegensatz zu bekannten Plattenmaterialien, eine falten- sowie stoßfreie Montage und erlauben zudem eine unkomplizierte Verlegung der Folie entlang gekrümmter Streckenprofile. Diese Eigenschaften, gepaart mit dem geringen Gewicht, eröffnen neue Möglichkeiten sowohl bei der Auskleidung von Trainingsstrecken als auch bei technischen förderstrecken.
Zur Ermittlung der optimalen Materialzusammensetzung werden die Folien im Labormaßstab hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften analysiert. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei in der Bestimmung des Reibwertes zur Schlittenkufe, da dieser das Fahrverhalten maßgeblich beeinflusst. Die hierbei durchgeführten Versuche erfolgen an modifizierten Tribometern des Instituts und ermöglichen Aussagen über das Reibungs- sowie Verschleißverhalten der Folien bei unterschiedlichsten Belastungsszenarien.
Da das Fahrgefühl nur bedingt durch Labortests nachgestellt werden kann, wird die Entwicklung direkt durch die Athleten und Trainer des RBSV unterstützt. Die Gleitfolien werden hierzu auf den Trainingsrampen montiert und bei Testfahrten hinsichtlich ihrer Fahreigenschaften unter realen Einsatzbedingungen bewertet. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden direkt für die Weiterentwicklung der Folie eingesetzt.
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Vorspannung von Zahnriemen mit ringförmigen Spann- und Dämpfungselementen
Beschreibung
Zur Gewährleistung der Funktionalität sind antriebstechnische Zahnriemen vorzuspannen. Durch die genaue Einstellung und Einhaltung dieser Vorspannkraft während des Betriebes lassen sich beispielsweise das Risiko des Überspringens der Zähne an den Zahnscheiben, die Entstehung von Trumschwingungen sowie der Verschleiß erheblich reduzieren und somit die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der Zahnriemengetriebe positiv beeinflussen.
Gemeinsam mit der Ebert Kettenspanntechnik GmbH Schkeuditz wurde in den letzten Jahren eine neue Spannmethode für Zahnriemengetriebe entwickelt. Es handelt sich dabei um einen elastischen Ring, der platzsparend zwischen den Riementrumen angeordnet wird. Die durch Ringgeometrie und Kunststoffmaterial beeinflussbare Spannkraft wird dabei sicher und zielgerichtet auf beide Trume übertragen. Das von der Fa. Ebert unter dem Markennamen ROLL-RING® angebotene Spann- und Dämpfungselement funktioniert drehrichtungsunabhängig, ist einfach und schnell zu montieren und problemlos austausch- oder nachrüstbar.
Der ROLL-RING® wird im Ruhezustand zwischen die Trume des Getriebes eingelegt. Im Lastzustand verringert sich der Abstand zwischen den Trumen, sodass die Spannkraft des Rings bei steigendem Drehmoment erhöht wird. Dieser Effekt lässt sich positiv ausnutzen, indem das Getriebe so dimensioniert wird, dass der Ring im Einbauzustand eine nahezu kreisrunde Form behält und somit (fast) keine Kräfte in das ruhende Getriebe einbringt. Erst bei Momentübertragung wird der Ring gestaucht und überträgt die erforderliche Spannkraft auf die Trume. Bei geschickter Dimensionierung kann somit eine äußerst getriebeschonende Vorspannung mit einer automatisch auf das gerade anliegende Drehmoment abgestimmten Spannkraft erfolgen. Der ROLL-RING® trägt somit zur Erhöhung des Getriebewirkungsgrades, der Funktionssicherheit und der Lebensdauer bei, dämpft effektiv konstruktive oder belastungsbedingte Schwingungen und Stöße und gleicht Achsabstands- und Rundheitstoleranzen wirkungsvoll aus.
Die neuen Maschinenelemente haben sich mittlerweile in vielen industriellen Anwendungen bewährt. Dort werden ROLL-RINGE® z. B. im Maschinenbau, in der Förder- und Handhabungstechnik, in Sägen oder anderen Antrieben verwendet, bei denen enger Bauraum, Reversierbetrieb und/oder Stoß- und Schwingungsdämpfung als Anforderungen stehen.
In einem von der DFG unterstützten Forschungsprojekt werden aktuell die mathematischen Grundlagen für die Dimensionierung des neuen Maschinenelementes erweitert. Neben der analytischen Beschreibung des Verformungsverhaltens des Spannrings unter statischer und dynamischer Last beinhaltet das Modell das komplette Zahnriemengetriebe incl. wesentlicher Einflussparameter wie Zahnriemen- und Getriebesteifigkeit. Neben den klassischen Dimensionierungskriterien der zulässigen Zahnfußfestigkeit und Trumkraft wird auch das sehr häufig funktionsrelevante Überspringen des Zahnriemens über die Scheibenverzahnung detailliert betrachtet.
An diesem theoretischen Modell, welches mithilfe eines statischen sowie eines dynamischen Getriebeprüfstandes validiert wird, können umfangreiche Untersuchungen zur optimierten Auslegung ringgespannter Zahnriemengetriebe sowie zur gezielten Beeinflussung von Trum- und Drehschwingungen durchgeführt werden.
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Textile Skipiste
Zielstellung
Das Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung einer neuen Generation textiler Gleitflächen für die ganzjährige Nutzung im Sport- und Freizeitbereich, die sich hinsichtlich Funktionalität und Kosten vom aktuellen Stand der Technik abhebet. Durch schneeähnliche Gleit- und Kanteigenschaften sollte der Belag bei geringstmöglichem Verletzungsrisiko im Alpin- und Langlaufbereich Anwendung finden. Großer Wert wurde dabei auch auf den einfachen, ökologischen und kostengünstigen Betrieb bei geringen Anschaffungskosten gelegt.
Stand der Technik
Beim Stand der Technik handelt es sich um ein Borstenmaterial, welches permanent bewässert wird. Die harten Borsten bergen ein hohes Verletzungsrisiko in sich. Die Gleit- und Führungseigenschaften der Borsten sind ungenügend. Aufgrund der aufwendigen Bauweise mit integriertem Bewässerungssystem sind die Investitionskosten immens. Auch die laufenden Kosten sind durch die permanente Bewässerung nicht zu unterschätzen.
Entwicklung
Die Entwicklungsbasis für das neue System bildet ein luftdurchlässiges, mehrschichtiges textiles System. Eine gleitmodifizierte Deckschicht ermöglicht durch spezielle Strukturen das realitätsnahe Fahrerlebnis. Die Mittelschicht dient der Stoßabsorption und die Grundschicht der Befestigung des Systems am Boden.
Im Projektverlauf wurden folgende Meilenstein bearbeitet:
- Test des Standes der Technik per Ski und Snowboard sowie im Labor per Reibungs- und Verschleißprüftechnik
- Entwicklung und Herstellung verschiedener gut gleitender und wasserspeichernder Textilien
- Auswahl verschiedener stoßdämpfender und wasserspeichernder Vliesstoffe sowie Entwicklung der Verbindungstechnik der Funktionsschichten
- Prüfung der Dämpfungseigenschaften, Analyse der Reibungs- und Verschleißeigenschaften durch die Professur Fördertechnik der TU-Chemnitz, Bestimmung der seitlichen Haltekräfte der Gleitschicht (notwendig für Kurvenfahrten)
- Auswahl von Vorzugslösungen
- Herstellung von Prototypen
- Test der textilen Skipiste durch die Ski- und Snowboardlehrer der Vereinigten Skischule Oberwiesenthal
Besonders wichtig bei der Entwicklung der textilen Skipiste waren die textile Konstruktion und die Materialauswahl der oberen Schicht, welche die notwendigen Gleit- und Kantenführungseigenschaften abbilden muss. Diesbezüglich wurden verschiedenste Textilien und textile Konstruktionen auf den Tribologieprüfständen der Professur Fördertechnik gegen einen Skibelag getestet.
Textile Skipiste
Auf der Basis der im Labor ermittelten Ergebnisse wurden Vorzugslösungen ausgewählt und als Prototypen hergestellt. Der textile Mehrschichtverbund besteht aus einer besonders gleitfähigen und kantenführenden Oberschicht, einer dämpfenden Mittelschicht und einem darunter positionierten Befestigungssystem.
Die Prototypen der textilen Skipiste wurden im Anschluss durch die Ski- und Snowboardlehrer der Vereinigten Skischule Oberwiesenthal und auch durch Freizeitsportler getestet. Die textile Skipiste kann als Gleitunterlage für die alpinen Abfahrtssportarten und auch für den Langlauf genutzt werden. Das Testurteil der Profiskilehrer und der Freizeitsportler war durchweg positiv. Die Vorteile der Neuentwicklung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- schneeähnliche Gleit- und Fahreigenschaften
- geschlossene Oberfläche und weiche Haptik; dadurch minimales Verletzungsrisiko
- Nutzung als Alpine Piste sowie als Langlaufpiste möglich
- einfache und schnelle Installation und Deinstallation der textilen Piste
- durch Wasserspeicherfunktion keine permanente Bewässerung notwendig
- geringe Investitionskosten
Präsentation
Die Vorstellung der Textilen Skipiste nach den ersten erfolgreichen Tests wurde von den Medien und dem Publikum mit großem Interesse verfolgt. Seitdem wurde der neue Belag auf mehreren Events gezeigt und sowohl von erfahrenen Athleten als auch von Hobbysportlern und Rodlern stets positiv beurteilt.
Projektpartner
Förderung