Lineartechnik Worauf es bei Kugelgewindetrieben im Miniaturbereich ankommt

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Im Miniaturbereich fasziniert Antriebstechnik ganz besonders: Denn wenn Kugelgewindetriebe mit Spindeldurchmessern von wenigen Millimetern kleinste Applikationen bewegen, werden ganz spezielle Anforderungen an die kleinen Komponenten gestellt.

Miniatur-Kugelgewindetriebe der August Steinmeyer GmbH & Co. KG haben gerade einmal einen Spindeldurchmesser von 3 mm bis 16 mm und kommen in Anwendungen mit kleinsten Bauräumen zum Einsatz. Zudem finden sie auch in den Positioniersystemen des Schwesterunternehmens Steinmeyer Mechatronik Verwendung. „Die Anatomie eines Kugelgewindetriebes ist einfach erklärt,“ so Ralf Thomas, Produktmanager für Miniatur-Kugelgewindetriebe. „Sie setzt sich aus Spindel, Mutter, Umlenkung und Kugeln zusammen.“

In dem Spindel-Mutter-System dienen die Kugeln als Wälzelemente. Die Kraftübertragung erfolgt über die Kugeln, die in einem Rückführungssystem zwischen dem Gewinde der Mutter und dem der Spindel zirkulieren. Kugelgewindetriebe wandeln eine rotatorische in eine translatorische Bewegung um. Sie sind das zentrale Element in Linearantrieben für den Maschinen- und Apparatebau und dort für die Positioniergenauigkeit und Zuverlässigkeit der Antriebe verantwortlich.

Miniatur-Kugelgewindetriebe für Medizin- und Messtechnik

In der Medizintechnik kommen Miniatur-Kugelgewindetriebe etwa in Beatmungsgeräten und Dosiereinheiten sowie den Blendenstellern von Computertomographen zum Einsatz. Dabei ist die einwandfreie Funktionsfähigkeit wichtigstes Qualitätskriterium. Außerdem werden besondere Anforderungen an die Sauberkeit während der Montage und Verpackung gestellt. Beim Einsatz in der Messtechnik – zum Beispiel für die Positionierung von Sensoren in Vorschubachsen – wird der Fokus hingegen kompromisslos auf eine hohe Präzision sowie die Integration der Technik in kleine Bauräume gesetzt.

„Wir sind in der Lage, beinahe jede denkbare Variante eines Kugelgewindetriebes herzustellen“, erklärt Ralf Thomas. „Gemeinsam mit unseren Kunden entwickeln wir maßgeschneiderte Lösungen für ihre individuellen Anforderungen. Wir legen den geeigneten Aufbau, die Materialien und Fertigungsverfahren fest und realisieren den passenden Kugelgewindetrieb dann aus unserem Baukastensystem.“

Je nach Anwendung, Bauraum und Anforderungen können unterschiedliche Umlenksysteme für die Kugelrückführung eingesetzt werden. Als Material für die Umlenkungen kommt standardmäßig PEEK zum Einsatz. Im Vergleich zu Metall bietet es Vorteile bei der Geräuschentwicklung und bessere Laufeigenschaften. Metallumlenkungen werden dann verwendet, wenn z. B. eine höhere Temperaturbeständigkeit gefragt ist.

Kugelgewindetriebe positionieren Antennen im Weltraum

Um spezielle Kundenanforderungen umzusetzen, bietet August Steinmeyer anstelle von Standardlösungen auch Sonderausführungen mit alternativen Materialien, Abstreifern, Schmiermitteln oder Konservierungsmitteln. Maßgeschneiderte Lösungen ermöglichen es, die Kugelgewindetriebe selbst auf engem Bauraum, bei niedrigen Temperaturen oder in Vakuumumgebungen einzusetzen wie z. B. in Satelliten zur Positionierung von Antennen im Weltraum. Aber auch Anwendungen im Reinraum, unter hoher Strahlenbelastung oder besonders hohen Temperaturen sind möglich.

Für jede Anwendung die passende Spindelmutter

Je nach Einbausituation und Anschlusskonstruktion werden die Spindeln mit unterschiedlichen Muttern kombiniert. August Steinmeyer bietet sie in sechs Varianten, die auf drei Grundbauformen basieren:

• Flanschmutter,

• Zylindermutter und

• Anschlussgewindemutter.

Die gängigste Mutternform ist die Flanschmutter mit 4-Punkt-Kontakt und Abstreifern. Sie entspricht der DIN/ISO und zeichnet sich durch ihre Austauschbarkeit aus. August Steinmeyer bietet sie in drei Varianten an: mit Einzelgangumlenkung sowie mit Stirndeckelumlenkung wahlweise ein- oder zweigängig. Zylindermuttern mit 4-Punkt-Kontakt und Einzelgangumlenkung ohne Abstreifer benötigen den geringsten Bauraum.

Sämtliche Muttern können vorgespannt oder mit Axialspiel montiert und wahlweise mit den beiden Spindeltypen aus dem Steinmeyer-Programm oder mit kundenspezifischen Spindelformen kombiniert werden.

Unterschiedliche Fertigungstechnologien für Miniatur-Kugelgewindetriebe

Die Spindelgewinde der Kugelgewindetriebe werden in der Herstellung wahlweise gerollt oder geschliffen. Die gerollten Ausführungen entsprechen in der Regel den Genauigkeitsklassen T5 bis T10 und eignen sich damit für Standardansprüche. Bei besonders hohen Präzisionsanforderungen wie sie in der Optik, Halbleiter-, Medizin- oder Messtechnik verlangt werden, finden geschliffene Varianten der Genauigkeitsklassen P0 bis P5 gemäß ISO 3408 Verwendung.

Im Bereich der Miniatur-Kugelgewindetriebe bietet Steinmeyer zusätzlich eine Fertigungstechnologie an, die die Laufeigenschaften deutlich verbessert. Mikroskopisch kleine Unregelmäßigkeiten auf der Laufbahnoberfläche des Spindelgewindes werden beseitigt, was die Oberflächenrauheit der Spindellaufbahn reduziert.

Spezielle Montagestationen und spezialisierte Fachkräfte kommen zum Einsatz

August Steinmeyer produziert vollständig inhouse, was die Transportwege reduziert und die Qualitätskontrolle verbessert. Bei der Fertigung der Miniatur-Kugelgewindetriebe kommen speziell entwickelte Montagestationen zum Einsatz. Die kleinsten Kugeln haben gerade einmal einen Durchmesser von 0,6 mm und stellen somit spezielle Anforderungen an die spezialisierten Fachkräfte in der Montage. „Bei uns werden die kleinsten Kugelgewindetriebe per Hand mit Kugeln befüllt, was speziell ausgebildetes Fachpersonal mit besonders feinen motorischen Fähigkeiten und besonderem Fingerspitzengefühl erfordert“, berichtet Produktmanager Ralf Thomas. Um die Expertise und jahrelangen Erfahrungen am Markt an nachfolgende Generation weiterzugeben, bildet das Unternehmen seine Fachkräfte selbst aus.

Die hochgenaue Fertigbearbeitung der Kugelgewindemutter durch das Innengewindeschleifen und das Innengewinde-Hartdrehen wird durch spezielle Roboter unterstützt, die vollautomatisch Kugelmuttern in einer vorgegebenen Ausrichtung in die Maschine einlegen und entnehmen. Das garantiert eine hohe Qualität und schnelle Durchlaufzeiten.

Lineartechnik

Spezialaufträge für Kugelgewindetriebe

Additive Fertigung für Umlenkungen und Abstreifer

Bei der Fertigung von Umlenkungen und Abstreifern kommt additive Fertigung in Form von Selektivem Lasersintern (SLS) mit Kunststoffpulver als Material zum Einsatz. Auf diese Weise werden nicht nur in kurzer Zeit Serienteile hergestellt. Das Verfahren eignet sich auch ideal für die Fertigung von Mustern und Prototypen, was wiederum Entwicklungszeiten verkürzt und damit Kosten spart.

Moderne Fertigungsverfahren kommen auch bei der Herstellung der Lagerzapfen zum Einsatz. „Wir arbeiten mit einem Langdrehautomaten, der speziell dafür ausgelegt ist, Rohmaterialien mit kleinen Außendurchmessern, direkt vom Halbzeug weg, exakt und produktiv zu bearbeiten“, erklärt Ralf Thomas. Damit entfallen vorbereitende Arbeitsgänge, zugleich steigt die Qualität der Werkstücke und Durchlaufzeiten und Kosten werden reduziert.

Spezielle Prüfstände für Miniatur-Kugelgewindetriebe

Laufruhe, Geräuschentwicklung, Vibrationen, Einlaufverhalten und Energieeffizienz sind die entscheidenden Parameter zur Beurteilung der Qualität von Kugelgewindetrieben. Die Beurteilung von Miniatur-Kugelgewindetrieben stellt dabei besondere Anforderungen, denn diese liegen hinsichtlich ihrer Präzision oft im Submikrometerbereich. August Steinmeyer hat deshalb spezielle Prüfstände für die hochpräzise Messung der Positioniergenauigkeit von Miniatur-Kugelgewindetrieben entwickelt.

Weitere Messungen, Prüfungen, Protokolle und Zertifikate runden die detaillierte Qualitätskontrolle ab, die für viele Anwendungen einen großen Mehrwert darstellt. Besonders erwähnenswert sind in diesem Zusammenhang:

• das Steigungsprotokoll, welches Steigungsabweichungen über den gesamten Nutzweg (inkl. Min/Max Drehmoment) dokumentiert,

• das Drehmomentprotokoll (ergänzt durch FFT), welches den Drehmomentverlauf (Ncm) graphisch darstellt und den kompletten Verfahrweg aufzeichnet (inkl. Vor-/Rücklauf),

• das Steifigkeitsprotokoll, welches die gemessene Steifigkeit [N/µm] bzw. Verformung [µm] in Abhängigkeit von der axialen Prüfkraft erfasst sowie

• der Erstmusterprüfbericht in Anlehnung an DIN EN 9102 zur einmaligen Verifizierung der Merkmale.

Definition

Was ist eigentlich ein Gewindetrieb?

* Wolfgang Klöblen ist Entwicklungsleiter bei der August Steinmeyer GmbH & Co. KG

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