Kaum ein anderer Hersteller dürfte über so viel Know-how auf dem Gebiet der Stoß- und Schwingungsdämpfung verfügen wie ACE: von ihm, 1963 in Detroit, Michigan, gegründet, stammt der erste einstellbare Industriestoßdämpfer. Diese und andere Entwicklungen haben ACE zum weltweit führenden Anbieter von industrieller Dämpfungstechnik und Schwingungsiso-lierung gemacht. Im nordrhein-westfälischen Langenfeld entwickelt und fertigt die ACE Stoß-dämpfer GmbH neben Standardprodukten auch Services und kundenspezifische Lösungen: „Un-sere Produkte kommen überall dort zum Einsatz, wo bewegte Massen kontrolliert gebremst werden müssen“, erklärt Christian Alscher, Leiter der Konstruktionsabteilung bei ACE.
Diese einfache Aufgabe ist ausschlaggebend für den sicheren Betrieb von Maschinen und Anlagen jeder Art– von Transport- und Automationssystemen bis zu Schleusenanlagen oder Steuerungsmechanismen für Großteleskope. Die breite Produktpalette von ACE reicht von Dämpfungslösungen in der Automatisierungstechnik, über Geschwindigkeitskontrolle und Schwingungsisolierung bis hin zu Sicherheitselementen und Dämpfern mit Gewindegrößen von bis zu 130 mm.
Die Protection-Baureihe …
Innovatives gibt es von ACE auch bei kleinen, aber wichtigen Komponenten. Ein Beispiel hierfür sind die wartungsfreien Kleinstoßdämpfer der Protection-Baureihe PMCN mit Außendurchmessern von M14 bis M25. Sie werden häufig in hochvolumigen Produktionsanwendungen eingesetzt. Dort fangen sie die von Werkzeugmaschinen ausgeworfenen Teile auf oder bremsen schnell laufende Stellantriebe bei Erreichen der Endlage. Bei Hüben von 12 bis 25 mm können die PMCN- Stoßdämpfer Energie von bis zu 136 Nm pro Zyklus von Objekten aufnehmen, die sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu sechs Metern pro Sekunde bewegen. Diese kompakten Maschinenelemente sollen über Millionen von Zyklen zuverlässig arbeiten, ohne nachgestellt oder gewartet zu werden.Die spezielle Rollmembran der PMCN-Baureihe sorgt für statische und dynamische Abdichtung zwischen dem Kolben und dem ölbefüllten Zylinder. Diese geniale Konstruktion erfordert weniger Bauteile und deutlich weniger Platz als herkömmliche Stoßdämpfersysteme. Dank der hermetischen Abdichtung sind die PMCN-Stoßdämpfer wartungsfrei. Die Rollmembran erfüllt die Funktion eines statischen O-Ringes, eines dynamischen Nutringes, einer Rückstellfeder und der Speicherfunktion eines Absorbers bei konventionell gefertigten Dämpfern.
Um die Membran ihrerseits gegenüber aggressiven Medien wie Kühl-/Schmierstoffe, Reinigungsmittel, Staub oder Wasserdampf zu schützen, muss der Zylinder zuverlässig gegen die Umgebung abgedichtet werden. Dringen Kühl- oder Schmiermittel, wie sie beispielsweise in Werkzeugwechslern eingesetzt werden, ein und kommen mit der Rollmembran in Kontakt, quillt diese auf, wird zerstört und der Dämpfer fällt aus. Ähnlich zerstörerisch wirken Staub oder Wasserdampf.
Abdichten lässt sich das System mit einem Faltenbalg, doch in der klassischen Ausführung mit einer integrierten Drahtspirale zur Rückstellung war damit gleich eine weitere Schwachstelle gegeben: „So ein Balg pumpt sich auf und kann platzen, die Feder kann brechen“, erklärt ACE-Entwicklungsleiter Jörg Küchmann, „eine Million Lastwechsel und mehr sind mit einem konventionellen Faltenbalg kaum möglich.“
Für raues industrielles Umfeld
Für das reibungslose Funktionieren dieser innovativen Stoßdämpfer in einem rauen industriellen Umfeld wurde ein mehrschichtiges Konzept nötig. Zunächst benutzte ACE eine aus PTFE gegossene Balgkonstruktion mit einer integrierten Drahtspirale, um den Kolben nach Betätigung zurückzustellen. Die Kombination von Metall und Kunststoff erwies sich jedoch als unzuverlässig, denn die Drahtspirale verursachte in dem empfindlichen PTFE Risse und konnte zu vorzeitigen Ausfällen führen. „Einige Kunden klagten, dass das Produkt die von uns versprochene Betriebsdauer nicht erreiche“, erinnert sich Konstruktionsleiter Alscher. „Als uns der Grund klar wurde, suchten wir unverzüglich nach einer besseren Lösung.“Das Team von ACE stellte fest, dass die hybride Konstruktion des ursprünglichen Faltenbalgs die Schwachstelle war. Da der PTFE-Werkstoff keine eigene Vorspannung hatte, brauchte man eine innenliegende Drahtspirale zur Rückstellung des Stoßdämpfers nach Betätigung. Die Konstruktionsentwickler suchten nach einem alternativen Material, das sowohl die Abdicht- als auch die Rückstellungsfunktion gewährleistete. „Der zuvor von uns eingesetzte Teflon-Werkstoff war sehr steif, verfügte über keine eigene Vorspannung und war stoßempfindlich“, erinnert sich Alscher, „ diese Lösung hatte einfach nicht die Standzeiten, die wir uns versprochen hatten“.
Technische Daten
Energieaufnahme: 20 Nm/Hub bis 136 NM/Hub
Auffahrgeschwindigkeit: 0,06 m/s bis 6 m/s. Abweichende
Geschwindigkeiten auf Anfrage.
Zulässiger Temperaturbereich: 0 °C bis 66 °C
Einbaulage: Beliebig
Festanschlag: IntegriertMaterial:
- Außenkörper: Stahl korrisionsbeständig beschichte;
- Führungslager: Kunststoff
- Kolbenstange: Stahl (1.425, AISI 440C) rostfrei, gehärte;
- Faltenbalg: TPU, Stahleinsatz V4A (1.4404/1.4571, AISI 316L/316Ti)
- Rollmembran: Ethyen-Propylen
Dämpfungsmedium:
Öl, temperaturstabil Anwendungsbereiche:
- Fertigungs- und Bearbeitungszentren
- Reinraumbereich
- Pharmatechnik
- Medizintechnik
- Lebensmittelindustrie
- Linearschlitten
- Pneumatikzylinder
- Maschinen und Anlagen
Partnered Engineering
Nach Auswertung diverser Werkstoffe von unterschiedlichen Anbietern wandten sich die Konstruktionsentwickler von ACE bei ihren Sondierungen an SKF. „Zuvor hatten wir verschiedene Materialien und mögliche Lieferanten geprüft“, berichtet Konstruktionsleiter Alscher, „doch erst bei SKF Economos wurden wir fündig“. Die Ingenieure beider Unternehmen setzten sich zusammen, um die Balgkonstruktion zu verbessern. Die Lösung fanden sie in der SKF-Bibliothek über spezielle TPU-Werkstoffe: H-ECOPUR®, ein Material, aus dem sehr oft Dichtungen für anspruchsvolle Anwendungen gefertigt werden.„Erste Kontakte zwischen beiden Unternehmen wurden 2013 geknüpft“, weiß Markus Kneppe, der ACE von einer nahegelegenen Vertriebsniederlassung von SKF Economos betreut. Es folgte eine intensive gemeinsame Zusammenarbeit mit wechselseitigen Rückmeldungen, SKF Economos bietet diese Kooperation unter der Bezeichnung Partnered Engineering seinen Kunden an. „Bei der Entwicklung dieser Lösung konnten wir nicht einfach anhand einer Zeichnung loslegen – wir haben uns immer wieder zusammengesetzt, bevor wir unserem Kunden dann erste Muster des neuen Faltenbalgs lieferten“.
Der von SKF Economos vorgeschlagene TPU-Werkstoff H-ECOPUR ist mechanisch sehr belastbar und verfügt über eine besondere Beständigkeit gegenüber Kühl-/Schmier- und Reinigungsmitteln sowie gegenüber Wasserdampf. „Das TPU-Material sorgt auch dafür, dass sich der Faltenbalg immer wieder zuverlässig zurückstellt“, erklärt Alscher.
Konstruktionsoptimierung
Nachdem die Werkstofffrage entschieden und die optimale Wandstärke des Faltenbalgs gefunden worden war, widmete sich das gemeinsame Entwicklungsteam von ACE und SKF Economos Fragen der optimalen Konstruktion. Gemeinsam arbeiteten ACE und SKF das Grundkonzept weiter aus. Sie optimierten die Wandstärke und die Geometrie des Faltenbalgs, um ihm ideale Leistungsmerkmale zu geben. Die Konstruktion stützte sich weitgehend auf die besondere Produktionskapazität von SKF, die sowohl die Prototyp- als auch Endfertigung der Faltenbälge umfasst. Dabei kommt die moderne CNC-Bearbeitungstechnik des Unternehmens zum Einsatz.Dank der Festigkeit und Belastbarkeit des ECOPUR-Materials konnten SKF und ACE auch weitere Verbesserungen vornehmen, die den Montageprozess vereinfachen. Statt wie bei der früheren PTFE-Konstruktion den Faltenbalg mit einem innen liegenden Gewinde am Zylinder zu befestigen und die Verbindung zusätzlich durch eine Verklebung zu verstärken, übernahmen eine Schnappwulst im Balg und eine korrespondierende Nut im Außenkörper des Zylinders diese Funktion.
Einfacher, schneller und langlebiger
„Diese Lösung war ein zusätzlicher Vorteil für uns“, urteilt Entwicklungsleiter Küchmann. „Die Faltenbälge nicht mehr verkleben zu müssen, hat eine weitere Fehlerquelle beseitigt und die Montage vereinfacht und beschleunigt.“ Die neuen Faltenbälge haben die Zuverlässigkeit der PMCN-Baureihe von ACE grundlegend verändert. „Unter besonders anspruchsvollen Einsatzbedingungen kommt es bei Kunden, die noch mit den alten Faltenbälgen arbeiten, nach weniger als 100.000 Zyklen zu Ausfällen“, verdeutlicht Küchmann, „heute funktionieren diese Maschinenelemente in der Regel auch noch nach einer oder zwei Millionen Zyklen oder sogar mehr einwandfrei.“Seine geringe Größe, gepaart mit hoher Leistungsfähigkeit und ausgezeichneter Zuverlässigkeit hat dieses Produkt zu einem Verkaufserfolg gemacht. „Zusammen mit den hervorragenden Eigenschaften des TPU-Werkstoffs konnten wir einen Quantensprung bei der Lebensdauer erzielen, womit wir sehr zufrieden waren. Wir hatten erheblich weniger Ausfälle und Reklamationen und die Verkaufszahlen gingen nach oben“ so Konstruktionsleiter Alscher.
Eine Edelstahl-Ausführung für besondere Kundenwünsche und eine Lösung für lebensmittelkritische Einsatzfelder gibt es darüber hinaus: Hier kann eine TPU-Variante in Blau angeboten werden, die alle aktuellen EU- und FDA-Konformitäten erfüllt. Der aus Edelstahl gefertigte Dämpfer ist dann mit unschädlichem Lebensmittelöl gefüllt.
Fazit, Ausblick
Ihre fast zehnjährige erfolgreiche Zusammenarbeit wollen SKF und ACE mit weiteren Entwicklungen und neuen Konstruktionen fortsetzen. Falls die entsprechende Nachfrage besteht, werden die innovativen ECOPUR-Bälge an größere Varianten der PMCN-Stoßdämpfer angepasst.
SKF als Dichtungspartner bietet:
- Bauteile aus der Kunststofftechnik (Advanced Engineering Plastics Products – AEPP) und elastomeren Werkstoffen in gefräster, gedrehter oder Wasserstrahl geschnittener Ausführung
- Service und Neubau von pneumatischen und hydraulischen Zylindern
- Abdeckung des kompletten Produktlebenszyklus. Mit dem Konzept Partnered engineering, von den Entwicklungsmustern bis zur Pilot- oder Kleinserie in gedrehter Ausführung. Mengenteile in gespritzter Ausführung
- Musterteile ohne Formwerkzeugkosten mittels SKF SEAL JET Technologie
- Dichtungslösungen bis hin zu 4000 mm Durchmesser aus einem Stück, über 4000 mm auf Anfrage
- Fertigung von Dichtungen und Formteile aus unterschiedlichsten elastischen und thermoplastischen Werkstoffen mit den Zulassungen und Konformitäten für die fokusierten Märkte
- Kompetenz beim Einsatz bzw. der Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen
