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Klebetechnik in der Kritik

Verklebung: ungenügend

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing. Werner Erlenmaier & Dipl.-Ing. Walter Thiel – Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG / M.A. Bernhard Richter

Ende September 2016 wurde der Beitrag „E-Motoren klebt man heute“ veröffentlicht. Der Maschinenhersteller Trumpf ist der Meinung, dass Kleben in einigen Fällen eben nicht ausreicht: Eine Reaktion.

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Ein Rotorpaket hat sich gelöst und konnte von der Welle genommen werden. Der aufgeraute Bereich zeigt zwei Einfärbungen, der innere ist fast metallfarben geblieben, der äußere ist eher dunkel eingefärbt, hier zeigen sich Klebstoffreste. Der Ringmagnet klebt auf dem losen Rotorpaket, nicht mehr auf dem, das auf der Welle sitzt.
Ein Rotorpaket hat sich gelöst und konnte von der Welle genommen werden. Der aufgeraute Bereich zeigt zwei Einfärbungen, der innere ist fast metallfarben geblieben, der äußere ist eher dunkel eingefärbt, hier zeigen sich Klebstoffreste. Der Ringmagnet klebt auf dem losen Rotorpaket, nicht mehr auf dem, das auf der Welle sitzt.
(Bild: Thiel/Trumpf)

Im Inneren eines Schrittmotors, der in einer Werkzeugmaschine von Trumpf verbaut ist, dreht sich eine Welle mit Rotorpaketen. Der Wellendurchmesser beträgt 8 mm, zwei Rotorpakete mit einem Aussendurchmesser von 34 mm und einer Gesamtklebelänge von 16 mm schließen mittig einen Ringmagneten ein. Gelagert wird diese Welle in speziellen Wälzlagern, die wiederum mit dem Gehäuse verbunden sind. Dieser Schrittmotor ist komplett aufgebaut, hermetisch gekapselt und für den Anwender (in diesem Fall Trumpf) als eine Einheit zu verwenden. Der Schrittmotor treibt ein hochdynamisches Steuerventil an, so dass maximal bis zu 5000 Schaltspiele pro Minute erfolgen können. Der Anteil der hohen Schaltspiele beträgt im Normalfall etwa nur 2 % der normalen Prozesszeit. 5000 Betriebsstunden im Jahr sind leicht erreichbar.

Im oberen Bildbereich ist eine Rotorwelle komplett dargestellt. Die losen Rotorpakete stehen in Bildmitte und unten eine Welle. Deutlich ist der aufgeraute Bereich von der glatten Oberfläche zu unterscheiden.
Im oberen Bildbereich ist eine Rotorwelle komplett dargestellt. Die losen Rotorpakete stehen in Bildmitte und unten eine Welle. Deutlich ist der aufgeraute Bereich von der glatten Oberfläche zu unterscheiden.
(Bild: Thiel/Trumpf)

Gehäufte Ausfälle an Steuerventilen

Trumpf hatte mit diesen Schrittmotoren wiederholt Ausfälle hinnehmen müssen. Weder die Maschine, Software, Elektrik noch die Verkabelung waren die Ursache für den Ausfall – die Rotorpakete des Schrittmotors rutschten auf der Welle durch. Die Klebung hatte nicht gehalten. Außerhalb der Maschine ist das nicht zu erkennen, zumal intern die Rotorpakete drehen können, aber keine Reaktion mit dem hochdynamischen Steuerventil erfolgt, weil die Welle stillsteht. Da­raufhin wurde vermutet, dass die Auslegungen der Verklebung vom Hersteller nicht mit der Realität korrelieren. Eventuell können Einflussfaktoren, die auf die Klebkraft reduzierend wirken, nicht hinreichend beachtet werden, weil nicht alle möglichen Faktoren in den Datenblättern der Klebstoffe hinterlegt sind.

Die hauseigene Kleberichtlinie des Unternehmens, die die Redaktion einsehen durfte, listet 17 verschiedene Einflussfaktoren auf, die eine mindernde Wirkung auf die Klebekraft haben. Je nach Anwendung sind diese Faktoren auszuwählen. Konstrukteure und Entwickler können sich damit schnell einen Überblick über die Klebstoffanwendung verschaffen, die erforderlichen Parameter auswählen und im Folgeschritt errechnen, wie zuverlässig eine Verklebung unter Dauerbelastung wirklich halten wird.

Schrittmotoren sind – vor allem in der Werkzeugmaschinenbranche – diversen Umwelteinflüssen ausgesetzt, besonders der Einfluss von Dynamik, Temperatur und Luftfeuchte ist relevant. Zerlegte Schrittmotoren zeigten, dass es bei der Verklebung von Rotor und Welle zudem einseitige und oder zu enge Spalte geben konnte. Geklebt wurde die Wellen-Rotoreinheit mit einem Klebstoff, der laut Datenblatt für VA-Teile einen Druck-Scherfestigkeitswert von 30 N/mm² ausweist. Die Rotorpakete sind aus einfachem Blechstahl, die Wellen aus Edelstahl gefertigt.

Umwelteinflüsse berechnen

Vier Einflussfaktoren aus der unternehmenseigenen Richtlinie wurden auf die rechnerische Qualität der Verklebung angewandt:

Die aufgeraute Wellenoberfläche mit einigen bräunlichen Rasträndern, die ganz wenig Klebstoff zeigen und dunklere Spuren, die „verbrannte“ Klebstoffreste darstellen können.
Die aufgeraute Wellenoberfläche mit einigen bräunlichen Rasträndern, die ganz wenig Klebstoff zeigen und dunklere Spuren, die „verbrannte“ Klebstoffreste darstellen können.
(Bild: Thiel/Trumpf)

  • Die Klebestellen erfahren dauernde Erschütterungen durch die dynamischen Belastungen. Der Faktor beträgt hierfür 0,1.
  • Es sind bei der Rotorfertigung einseitige Spaltmaße möglich. Dieser Faktor wird mit 0,3 angenommen.
  • Bei Not-Aus können Temperaturen > 105 °C im Schrittmotor entstehen, der Motor muss die Last halten, damit die Lageposition des Ventils nicht verlassen wird. Zu dieser Temperatur wird der Faktor 0,7 aus dem Klebstoffdatenblatt entnommen.
  • Für die relativ hohe Luftfeuchtigkeit in der Arbeitsumgebung wurde der Faktor 0,5 gewählt.

Wird der Klebstoffwert laut Datenblatt mit diesen Faktoren multipliziert, ergibt sich der Wert Fred = 30 N/mm² x 0,1 x 0,3 x 0,7 x 0,5 = 0,315 N/mm² als Dauerklebekraft. Dieser Wert liegt etwa bei einem Hundertstel des Ausgangswertes (Ohne den Sicherheitsbeiwert). Mit der Klebefläche (8 x π x l) der Welle werden 127 N möglich. Mit dem radialen Abstand der Klebefläche zur Wellenmitte ergibt sich ein ertragbares Moment von 0,50 Nm. Dieser Wert zeigt eine deutliche Tendenz: Selbst bei einer Verdopplung wird das Ergebnis nicht mehr Vertrauen in die Klebestelle erzeugen.

Aus dem Datenblatt des Schrittmotors konnte man 1,4 Nm als reguläres und als Spitzenmoment 2,0 Nm entnehmen. Als Sicherheitsbeiwert würde der Motorenhersteller sicherlich den Wert s = 2,5 eingerechnet haben, so jedenfalls könnte der Schrittmotor die 5 Nm theoretisch aushalten – die Ausfälle der Schrittmotoren sprechen dagegen.

Trumpf suchte nach dem praktischen Drehmoment, ab dem sich die Rotoren von der Welle lösen und welche Werte die Rotorwellen aus der eingesetzen Serie erreichten. Dafür wurde eine Vorrichtung gebaut, an der die Rotorpakete nur im äußeren Bereich eingespannt wurden und das Drehmoment an der Welle mit einem gebräuchlichen Drehmomentmessgerät abgenommen werden konnte:

  • Die Rotoren aus defekten Schrittmotoren waren mit 2 bis 3 Nm praktisch lose.
  • Die Messungen an neuen Motoren ergaben 18 bis 20 Nm als Losbrechmoment.
  • Einige Rotoren rutschten im Schrittmotor durch – die Welle konnte mit den Fingern gedreht werden.

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