Gleitschienen aus Kunststoff finden als zentrales Element der Intralogistik bzw. Fördertechnik bei beispielsweise Riemen- oder Kettenförderern Anwendung [1]. Ein reibungsbedingter Verschleiß lässt sich bei diesen Schienen allerdings auch trotz der in der Regel eingesetzten ultrahochmolekularen Polyethylene (PE-UHMW), welche besonders hohe Verschleißbeständigkeiten und ein gutes Reibungsverhalten aufweisen, nicht vermeiden, sodass die Schienen im Laufe der Zeit ausgetauscht werden müssen [2]. Aufgrund dessen, dass sich der Verschleiß dieser Schienen nicht genau voraussagen und mit herkömmlichen Messverfahren wie beispielsweise Laserscansystemen oder induktiver Sensorik nur punktuell, nicht im Betrieb oder nur durch zumindest partielle Demontage erfassen lässt, werden die Schienen bislang in regelmäßigen Wartungsintervallen oder erst nach eingetretenen Defekten getauscht [3]. Damit einher gehen unteranderem hohe Kosten und häufige sowie unplanmäßige Anlagenstopps.
Fokus Forschung: Untersuchungen zu extrinsisch leitfähigem PE-UHMW für den Einsatz als Sensormaterial zur Verschleißdetektion von Kunststoffgleitschienen
Fokus Forschung: Untersuchungen zu extrinsisch leitfähigem PE-UHMW für den Einsatz als Sensormaterial zur Verschleißdetektion von Kunststoffgleitschienen
Forscher Nachwuchs | NWK 2024 | Pascal Winkler beschäftigt sich in seiner Forschungsarbeit mit einem Überwachungssystem für Gleitschienen
In der Forschungsarbeit soll ein Structure Health Monitoring System für solche Gleitschienen entwickelt werden, welches auf einem elektrisch leitfähigen Kunststoff basiert, der mittels eines Formpressprozesses in die Struktur bestehender Gleitschienen integriert wird und als Verschleißsensor fungiert (siehe Abbildung 1).
Der elektrische Widerstand des leitfähigen Kunststoffes verhält sich dabei indirekt proportional zum Verschleiß, sodass durch eine intermittierende Messung des Widerstandes im Betrieb bei gleichzeitiger Temperaturkompensation der Ergebnisse, Rückschlüsse auf die jeweils aktuelle Resthöhe der Gleitschiene gezogen und somit der genaue Verschleißzustand dieser bestimmt und eine Restlaufzeit vorhergesagt werden können.
Da die integrierte Sensorbahn einen Teil des PE-UHWM ersetzt, muss dieses vergleichbare Reibungs- und Verschleißeigenschaften aufweisen, zusätzlich dazu aber eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen. Zur Eruierung eines dafür geeigneten Compounds wurden aus verschiedenen Bereichen zylindrischer Versuchsplatten entnommene Proben unterschiedlicher Mischungen aus PE-UHMW (Celanese GUR®4120) und Carbon Blacks (CB) verschiedener Qualitäten mit Gewichtsanteilen zwischen 0 Gew.-% CB und 15 Gew.-% CB hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften am Tribometer bei verschiedenen Flächenpressungen und Gleitgeschwindigkeiten sowie hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und bei weiteren Temperaturen im Einsatzbereich mithilfe des Vierleitermessverfahrens untersucht. Die bisherigen Ergebnisse zeigen einen erwartungsgemäßen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit mit steigendem Füllanteil, wobei entsprechend der klassischen Perkolationstheorie ab etwa 0,9 Gew.-% ein durchgehend leitfähiges Netzwerk entsteht und sich Füllanteile zwischen 3 Gew.-% und 7 Gew.-% für die geplante Sensoranwendung eignen.
Sowohl der Gleitreibungskoeffizient, welcher bei Füllanteilen von weniger als 3 Gew.-% zudem sogar geringere Werte als das Ausgangsmaterial aufweist, als auch der Verschleiß sinken hingegen mit geringer werdendem Füllanteil.
Die hier auszugsweise dargestellten Untersuchungen ermöglichen die Auswahl einer für die Anwendung optimal geeigneten Materialkombination. Um den Verschleiß möglichst genau detektieren zu können, wird simultan eine Mess- und Auswerteeinheit entwickelt, die anschließend zusammen mit ersten Prototypen der Gleitschiene in Dauerversuchen untersucht werden soll.
Zur Person
Pascal Winkler studierte Mechatronik mit Vertiefung Automobil (Bachelor) und Elektrotechnik/Automation mit Vertiefungsrichtung Mechatronik (Master) an der Hochschule Mittweida. Seit April 2023 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an dieser in der Fakultät Ingenieurwissenschaften in der Fachgruppe Konstruktion bei Professor Jörg Hübler im FuE-Projekt iSlide.
Literatur
[1] Terbrack GmbH (o. D.): „Unternehmen: Terbrack Kunststoff GmbH & Co. KG“, [online] terbrack.de/index.php [20.02.2024].
[2] Celanese Corporation (o. D.): “Ultra-High Molecular Weight Polyethylene”, [online] www.celanese.com/products/gur-uhmw-pe-ultra-high-molecular-weight-polyethylene [20.02.2024].
[3] Kaden, H. (2008): „Beitrag zum Reibungs- und Verschleißverhalten von Zahnriemenförderern“ (Dissertation, Maschinenbau), Chemnitz: TU Chemnitz.
Text und Abbildungen: Pascal Winkler
Foto: Johanna Wicht und Jacob Golde