Wälzlager Längere Lebensdauer von Miniaturkugellagern in der Dentaltechnik

Ein neuer Werkstoff für den Käfig von Miniaturkugellagern erhöht die Lebensdauer dieser Lager um den Faktor fünf und macht damit die Geräte wirtschaftlicher.

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GRW - Gebr. Reinfurt GmbH & Co. KG

In der Dentaltechnik kommen Miniaturkugellager zum Einsatz, die extrem hohen Anforderungen genügen müssen: Hohe Drehzahlen, außerordentliche Belastungen und extreme lagerinterne Spitzentemperaturen sind hier die Regel. Speziell in pneumatisch angetriebenen Dentalinstrumenten mit Drehzahlen von bis zu 500.000 min-1 bestimmt der Kugellagerkäfig innerhalb des Kugellagers die Lebensdauer.

Die extreme Beanspruchung des Kugellagerkäfigs ist ursächlich zurückzuführen auf die Belastungen im Betrieb und auch auf die in der Dentaltechnik vorgeschriebenen Hygienebehandlungen. Andererseits erfährt der Käfig allerhöchste Belastungen bedingt durch eine Mangelschmierungssituation, die bereits nach kurzer Zeit eintritt. Denn die Abluft der Turbine strömt nicht nur durch den Abluftkanal, sondern auch durch die beiden Lagerstellen.

Die Kombination der Materialen senkt den abrasiven Verschleiß

Dabei wird das Schmiermittel relativ rasch aus dem Lagerinnenraum ausgetragen. Als Hersteller von hochpräzisen Miniaturkugellagern arbeitet GRW ständig an der Weiterentwicklung seiner Produkte. Etwa durch den Einsatz eines neuartigen Käfigwerkstoffs, mit dem das Unternehmen seinen Turbinenkugellagern in Extremanwendungen gute Eigenschaften verleiht.

Bei diesem Käfigwerkstoff wird elektronenbestrahltes Polytetrafluorethylen (PTFE) über reaktive Extrusion an das Hochleistungspolymer Polyamidimid (PAI) angekoppelt. Aufgrund der homogenen und dichten Verteilung des PTFE im Grundpolymer wird ein konstant niedriger Reibverlauf erreicht. Damit verbessert sich mit den so entstandenen chemischen Bindungsruppen im Gegensatz zu physikalisch gemischten Materialsystemen das Elastizitätsverhalten des Materials und der abrasive Verschleiß geht drastisch zurück.

PAI-PTFE-cg im Test: Die Lebensdauer steigt um den Faktor fünf

Die verbesserten Eigenschaften der neuen Kugellagerkäfige aus PAI-PTFE-cg hat das Entwicklungsteam von GRW in Tests nachgewiesen. Dazu wurden an einem automatisierten GRW-Turbinenprüfstand die Kräfte mit einem Belastungszylinder simuliert, die der Zahnarzt auf das Bohrwerkzeug des Dentalinstruments aufbringt. Das Ergebnis: Kugellagerkäfige aus PAI-PTFE-cg weisen eine fünfmal höhere Lebensdauer auf als Standardkäfige.

In Kugellagern für Dentalinstrumente hat sich der Hochleistungskunststoff Polyamidimid (PAI) seit vielen Jahren als Standard-Käfigwerkstoff etabliert. In den Anwendungen kommt größtenteils die gleitmodifizierte PAI-Type „Torlon 4301“ mit den physikalisch eingemischten Festschmierstoff-Additiven Grafit (12%) und PTFE (3 %) zum Einsatz.

Vergleichende Lebensdauertests mit gefetteten Turbinenkugellagern, die sich lediglich im Käfigwerkstoff unterscheiden, zeigen gravierende Unterschiede in der Lebensdauer. Kugellagerkäfige aus PAI-PTFE-cg weisen bei gleicher Belastung eine fünfmal höhere Lebensdauer auf als die verglichenen Käfige aus Torlon 4301.

Die deutliche Überlegenheit von PAI mit chemisch gekoppeltem PTFE zeigt sich gerade im Trockenlauf: Während Testturbinen mit Standardlagern bereits einige Minuten nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl ausfallen, erzielen die Versuchslager mit dem neuen Käfigwerkstoff im Trockenlauf eine Lebensdauer von 10 bis 15 Stunden.

Dentalhandstücke mit den neuen Kugellagern halten länger

Gerätehersteller, die Kugellager mit dem neuen Käfigwerkstoff in ihre Produkte integrieren, können ihren Kunden eine höhere Verfügbarkeit ihrer Dentalhandstücke garantieren – ein echtes Differenzierungsmerkmal gegenüber dem Wettbewerb. Denn selbst bei unsachgemäßer Behand-lung des Gerätes, etwa durch mangelnde Ölpflege beim Dentisten, ist das Gerät durch die verbesserten Trockenlaufeigenschaften des Kugellagers geschützt.

Um den Anforderungen in der Dentaltechnik im Hinblick auf einen wirksamen Infektionsschutz nachzukommen, werden neue Werkstoffe häufig nach einer Blocksterilisation im Dampfdruckautoklaven diversen Tests unterzogen. Auch hier konnte GRW für den neuen Werkstoff PAI-PTFE-cg positive Ergebnisse dokumentieren. Denn aufgrund seines homogenen Gefüges und der dichten Verteilung der PTFE-Kopplungsgruppen bietet er eine stark verbesserte Resistenz gegenüber dem Einwirken von Heißdampf.

REM-Aufnahmen von Käfigoberflächen nach jeweils 1000 Zyklen Heißdampfsterilisation zeigen den Unterschied zwischen dem herkömmlichen und dem neuen Material: So sind im Übergang zwischen Planfläche und Bohrung des Käfigs bei dem Standardkäfig teilweise stark zerklüftete Bereiche zu erkennen. Der Versuchskäfig aus PAI-PTFE-cg dagegen ist aus der Dampfdrucksterilisation ohne jegliche Oberflächenschädigung hervorgegangen.

Sterilisieren, ohne die Käfigoberfläche zu beschädigen

Mit dem neuen Werkstoff für Kugellagerkäfige PAI-PTFE-cg hat die GRW die Grundlage für die Entwicklung von Dentalinstrumenten mit extrem er-höhter Verfügbarkeit gelegt. Die Technologie kann aber auch in anderen Hochleistungsapplikationen eingesetzt werden, denn von den Vorteilen, die sich insbesondere hinsichtlich der längeren Lebensdauer auch beim Einsatz unter schwierigsten Umgebungsbedingungen ergeben, werden auch Hersteller aus anderen Anwendungsbereichen profitieren. Die ausschließliche Lizenz für die Nutzung des Werkstoffs PAI-PTFE-cg als Käfigwerkstoff in Miniaturkugellagern und -gleitlagern liegt bei der GRW. Damit kann das Unternehmen seine Technologie exklusiv seinen Kunden in Europa, USA, Japan und Südkorea zur Verfügung stellen. (ud)

GRW Tel. +49(0)9365 8190

* Dipl.-Ing. (FH) Herbert Niedermeier leitet die Forschung und Entwicklung bei der GRW Gebr. Reinfurt GmbH & Co. KG, Rimpar.

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