gesponsertHigh-Speed-Kugelgewindetriebe Tempo machen beim Spritzgießen

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NSK Deutschland GmbH

Speziell für den Dünnwand-Spritzguss gibt es einen neuen High-Speed-Kugelgewindetrieb. Er ermöglicht schnelle und präzise Einspritzprozesse.

Die Entwicklung dynamischer und belastbarer Kugelgewindetriebe ist eine wichtige Voraussetzung für einen seit bald dreißig Jahren anhaltenden Trend im Maschinenbau: Immer mehr Kunststoffmaschinen und auch Servopressen sind mit elektromechanischen Linearachsen ausgestattet. Bei den Kunststoff-Spritzgießmaschinen zeigt sich dieser Trend bei den Schließeinheiten der Werkzeuge und auch den Plastifizier- beziehungsweise Einspritzeinheiten.

Bei den Schließeinheiten sind hohe Lasten und Haltekräfte zentrale Merkmale – bei vollelektrische Maschinen erreichen die Schließkräfte rund 2.000 kN. Die Verfahrgeschwindigkeiten spielen eine ebenso wichtige Rolle, weil sie die Zykluszeiten und damit die Produktivität der Maschine beeinflussen. Um es auf den Punkt zu bringen: Aus Sicht des Spritzgießers ist die Schließ- und Öffnungsbewegung des Werkzeugs unproduktive „Totzeit“, die minimiert werden muss.

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Bei den Einspritzeinheiten, die das verflüssigte Granulat über eine Schneckeneinheit in die Kavität des Werkzeugs fördern, sollen ebenfalls hohe Geschwindigkeiten erreicht werden. Das gilt besonders für das Spritzgießen dünnwandiger Bauteile. Hier stellt die Einspritzeinheit letztlich sicher, dass die sehr „schlanken“ Kavitäten des Werkzeugs vollständig mit dem plastifizierten Granulat befüllt sind – noch bevor der Erstarrungsprozess einsetzt. Das Tempo beeinflusst also nicht nur die Produktivität, sondern auch die Qualität und die Gebrauchseigenschaften des Bauteils.

Die drei entscheidenden Parameter

Somit ergeben sich drei zentrale Parameter für Kugelgewindetriebe in den Antrieben von Spritzgießmaschinen: Belastbarkeit (in Abhängigkeit von der Schließkraft), Verfahrgeschwindigkeit und Lebensdauer. Die Lebensdauer ist immer von Bedeutung. Wie wichtig Belastbarkeit und Verfahrgeschwindigkeit sind, hängt auch vom Leistungs- und Anwendungsbereich der jeweiligen Maschine ab.

Als internationaler Ausrüster von Kunststoffmaschinen mit Linearantrieben hat NSK das Schwerlast-Kugelgewindetriebe-Programm der HTF-Serie in den vergangenen Jahren immer weiter ausgebaut. Die HTF-Kugelgewindetriebe wurden explizit für Hochlast-Anwendungen entwickelt, sie zeichnen sich unter anderem durch besonders große Kugeln aus. Die Laufbahngeometrie von Gewindespindel und Mutter sowie die spezifizierten Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe wurden ebenso an den Anwendungsfall angepasst wie die Oberflächenbeschaffenheit aller im Eingriff befindlichen Bauteile. Inzwischen gibt es acht verschiedene Baureihenvarianten der HTF-Serie. Darunter sind die Hochgeschwindigkeits-Kugelgewindetriebe HTF-SRC für Einspritzachsen. Diese Serie wird von vielen Maschinenherstellern verwendet und erreicht eine Geschwindigkeitseignung von 140.000 dN (dN = Durchmesser x Drehzahl). Die maximale Betriebstemperatur beträgt 70 °C beziehungsweise 80 °C (dauerhaft/kurzzeitig).

40 Prozent mehr Einspritzgeschwindigkeit

Mit der Baureihe HTF-SRM stellt NSK jetzt eine Erweiterung des HTF-Programms vor, die unter anderem mit Blick auf Anwendungen in den Einspritzeinheiten von Spritzgießmaschinen entwickelt wurde. Ziel war es hier, den Geschwindigkeitskennwert nochmals signifikant zu steigern und zugleich das Temperaturfenster der Linearantriebe zu erhöhen. Dieses Ziel hat das Unternehmen erreicht: Die neuen Kugelgewindetriebe haben einen Geschwindigkeitskennwert von 200.000 dN – das entspricht einer Steigerung um 40 Prozent. Die maximale Betriebstemperatur erhöhte der Hersteller auf 90 beziehungsweise 100 Grad Celsius (dauerhaft/kurzzeitig). Das entspricht einem Plus von 20 Prozent. Damit erreiche die neue Baureihe HTF-SRM bei der Geschwindigkeit und der Hitzebeständigkeit die branchenweit höchsten Werte, teilt das Unternehmen mit.

Konstruktionsdetails der Kugelrückführung

Wie verbesserte der Hersteller die Leistung der Kugelgewindetriebe? Ein wesentlicher Aspekt ist die verbesserte Kugelrückführung. Bei den konventionellen HTF-Baureihen werden die Kugeln über ein zweidimensional gebogenes Metallrohr zurückgeführt. Bei der Hochgeschwindigkeits-Baureihe HTF-SRC wird für diesen Zweck ein komplex geformtes Kunststoffspritzgussteil verwendet, das eine gleichförmigere Bewegung der Kugeln im Rückführprozess gewährleistet – insbesondere im Eintrittsbereich der Kugeln in die Rückführung. Diese dreidimensionale Bewegung wird auch in der neuen Baureihe HTF-SRM abgebildet. Allerdings wurde der Bewegungsablauf nochmals verbessert – und die Rückführung besteht hier aus einem komplex geformten, dreidimensionalen gebogenen Metallrohr: Um dessen Form zu optimieren, nutzte die NSK-Entwicklungsabteilung einen digitalen Zwilling. Die optimierte Kugelführung verringert die Reibung und den Verschleiß. Das ermöglicht die deutlich erhöhte Geschwindigkeit. Die Verwendung von Metall statt Kunststoff für die Kugelrückführung ist Ursache für das um 20 Prozent gesteigerte Temperaturniveau. Selbstverständlich kommen auch Dichtungen zum Einsatz, die an das höhere Temperaturniveau angepasst sind.

Ideal: Kombination mit „Super Tough“-Stahl

Nicht nur das Design des Kugelumlaufs beeinflusst die Leistung eines Kugelgewindetriebs, sondern auch die Werkstoffe. In diesen Bereich hat NSK ebenfalls Forschungs- und Entwicklungsarbeit gesteckt. Ein aktuelles Beispiel, entwickelt speziell für die HTF-Serie, ist der Werkstoff „Tough Steel“. Aus diesem Material werden Spindeln und Muttern der Serie S-HTF gefertigt. Weil es Härte und Zähigkeit optimal kombiniert, bilden sich keine Risse, wenn Verschmutzungen im Fett durch Überrollen ins Material zu Eindrücken führen. Stattdessen wird die Oberfläche durch die Belastung des Überrollens wieder geglättet. Das hat zur Folge, dass S-HTF-Spindeln im Vergleich zu den HTF-Baureihen eine um den Faktor 2,2 höhere Lebensdauer durch eine 1,3-fach höhere dynamische Tragfähigkeit haben. Dieser Werkstoff kann auch in den neuen, temperaturfesten Kugelgewindetrieben HTF-SRM eingesetzt werden.

Mit der Baureihe HTF-SRM hat NSK Kugelgewindetriebe für große Verfahrgeschwindigkeiten und ein hohes Temperaturniveau entwickelt, die sich für das Dünnwand-Spritzgießen mit kurzer Zykluszeit in elektrischen Spritzgießmaschinen eignen. Auch für die Metallbearbeitung – bei Servopressen – bieten sich die neuen Kugelgewindetriebe an, zumal sie sich auch zur Nachrüstung eignen: Die Außenabmessungen von Spindel und Mutter entsprechen denen der Baureihe HTF-SRC.

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