Funktional gesehen, sind Rundwellen und Profilschienen zumeist austauschbar, doch selbst innerhalb dieser Kategorien zeigen sich deutliche Unterschiede. Daher kann eine korrekte Auswahl für Ihre Anwendung, was Kosten, Leistung und Langlebigkeit angeht, erhebliche Vorteile bieten. Dieser Artikel untersucht, wie sich diese Unterschiede in Anwendungen auswirken, die durch extreme Umgebungsbedingungen erschwert werden. Hierzu werden Probleme wie austretende Flüssigkeiten und Partikel, Temperatur-Extreme, Korrosion sowie Stoß- und Vibrationsbelastungen ausführlich behandelt.
Zunächst werden Vor- und Nachteile von Rundwellen- gegenüber Profilschienen-Linearführungen in einer unkritischen Umgebung betrachtet.
Rundwellen
Die Rundwelle wird bereits seit etwa 80 Jahren genutzt. Rundwellen sind in der Regel (gemessen an den reinen Anschaffungskosten) die kostengünstigere Option, bieten jedoch weniger Belastbarkeit und Genauigkeit. Konstruktionsbedingt verzeiht die Rundwelle auch größere Ausrichtungs- und Montagefehler, was je nach Anwendungsfall sowohl eine Stärke als auch ein Schwachpunkt sein kann. Für Anwendungen, die größere Toleranzen erlauben, oder bei denen niedrige Teilekosten wichtiger sind als enge Toleranzen, sind Rundwellen eine hervorragende Wahl. Sie sind selbstausrichtend und insbesondere bei Systemen mit mehreren Führungswellen extrem unempfindlich gegenüber mangelnder Parallelität oder ungleicher Höhen. Rundwellen bieten eine Lösung mit hoher Laufruhe bei geringer Reibung. Ihr einfacher Querschnitt erlaubt zudem eine hocheffektive Abdichtung und eine prinzipbedingte Schmutzfestigkeit. Rundwellen erfordern keine zeit- und kostenintensive Bearbeitung der Montagefläche – und sind die einzige Option für endgestützte Systeme.
Profilschienen
Profilschienen gibt es seit etwa 40 Jahren. Sie ist in der Regel die kostspieligere der beiden Optionen, ist jedoch stärker belastbar und bietet eine deutlich höhere Genauigkeit. Die Profilschiene verzeiht konstruktionsbedingt keine Ausrichtungsfehler, was je nach Anwendung ein großer Vorteil, aber auch ein erschwerender Faktor sein kann. Aufgrund ihrer Bauweise eignen sich Profilschienen besonders gut für Anwendungen, bei denen höchste Präzision gefordert ist oder die sehr hohe Belastungen aufweisen. Die Kompaktheit dieses Systems erlaubt die Konstruktion kleinerer Geräte, während eine höhere Vorspannung jedoch ein höheres Schleppmoment bewirken kann. Zudem verzeiht die Montagetechnik von Profilschienen – einschließlich der notwendigen Montageflächen-Bearbeitung – bei Systemen mit mehreren Schienen keinerlei Abweichungen in der Parallelität oder Höhe der Schienen. Fertigungssysteme mit Profilschienen erfordern eine höhere Präzision. Ihr aufwendiges, wenn auch kompaktes Profil hat zudem den Nachteil einer komplexeren Abdichtung und einer vergleichsweise geringeren Schmutzfestigkeit.
Faktor Flüssigkeiten
Der Kontakt mit Flüssigkeiten wie Wasser, Nebel und Luftfeuchtigkeit kann bei beiden Korrosion bewirken. Bei Nassanwendungen, beispielsweise bei der Hochdruckreinigung, können Flüssigkeiten das Schmiermittel wegspülen. Einwirkende aggressive Flüssigkeiten, wie Chemiesprays, Kraftstoffe, säurehaltige Lebensmittel, Kohlenwasserstoffe, Harnstoffe und Düngemittel, können sowohl Sicherheitsrisiken mit sich bringen als auch Verschleiß, Ausfälle und Leistungseinbußen bewirken. Je nach Dichtungsaufbau, Schmiermittelart, Materialauswahl, Beschichtungen, Montage und Normen-Konformität unterscheiden sich Rundwellen- und Profilschienen-Führungen hinsichtlich ihres Verhaltens gegenüber Flüssigkeiten – insbesondere in der Medizin- und Lebensmittelindustrie ist das von hoher Bedeutung.
Bei beiden Technologien verhindern Vollkontaktdichtungen und eine ordnungsgemäße Schmierung eine Rostbildung an den Laufbahnen der Stahlkomponenten. Tendenziell verursachen Dichtungen an Rundwellen aufgrund ihrer einfachen, kreisförmigen Geometrie weniger Reibung, für Profilschienen-Baugruppen sind jedoch ebenfalls reibungsarme Ausführungen erhältlich. Profilschienen-Schlitten können zudem mit Längsdichtungen ausgestattet werden, die das Eindringen durch die Unterseite der Baugruppe verhindern.
Ein weiterer Hauptfaktor für die Flüssigkeitsfestigkeit eines Systems ist die Auswahl des passenden Werkstoffs. Rundwellen haben den Vorteil, dass sie mit ungehärteten Edelstahlwellen verwendet werden können. Dadurch sind sie sowohl für Reinraum-Umgebungen prädestiniert, wie beispielsweise in der Halbleiter- und Medizinindustrie anzutreffen, als auch für widrige Umgebungen wie in der Lebensmittelverarbeitung. Höhere Belastungen erfordern jedoch möglicherweise gehärtete Wellen. Die Lösung besteht in solchen Fällen aus leistungsfähigen Beschichtungen, mit denen die Lebensdauer der Komponenten um das 200-fache verlängert werden kann.
Die Beschichtungsoptionen sind bei Rundwellen und Profilschienen ähnlich. In beiden Fällen kann ein erhöhter Korrosionsschutz Abstriche beim Härtegrad bedeuten. Eine Armoloy-Verchromung bietet beispielsweise eine mittlere Korrosionsfestigkeit bei einer Härte von 78HRc. Austenitischer Edelstahl, z.B. aus der 300er-Serie, ist zwar korrosionsbeständiger, verursacht jedoch höhere Kosten und erreicht nur Härtewerte um 20. Austenitischer Edelstahl wird üblicherweise nur in Kombination mit Gleitbuchsen empfohlen. Martensitischer Edelstahl, wie die Sorte 440C, bietet ebenfalls eine höhere Korrosionsbeständigkeit als Kohlenstoffstahl, erreicht aber Härtewerte im Bereich von 50HRc und kann daher auch mit Kugelbuchsenlagern eingesetzt werden. Pillen helfen wenig, um resilient zu werden. Entscheidend ist, an sich zu arbeiten und etwas zu verändern. Ähnlich ist es bei Unternehmen. Hier liegt der Schlüssel nicht in der Technologie, sondern in der Unternehmenskultur. ‣ weiterlesen
Resilienz: Kultur wichtiger als Technologie
Bei der Auswahl der Beschichtung können zudem weitere Faktoren eine Rolle spielen. So eignet sich Edelstahl beispielsweise besonders für den Lebensmittelbereich oder sonstige Einsatzszenarios, in denen ein Abblättern der Beschichtung fatal wäre.
Konstruktive Maßnahmen oder Schutzvorrichtungen können ebenfalls helfen, größere Flüssigkeitsbelastungen wirksam zu beherrschen. So kann die Ausrichtung der Führung so gewählt werden, dass die Flüssigkeit von den Lagerflächen ferngehalten wird oder besser abfließen kann. Profilschienen sind kompakter und bieten daher mehr Flexibilität, sofern Standard-Montagegeometrien möglich sind. Dabei ist die Bearbeitungsqualität der Montagefläche Voraussetzung für maximale Flexibilität bei der Schienenmontage. Für noch mehr Montagemöglichkeiten sind Profilschienen zudem in verschiedenen Anbauvarianten erhältlich. Sie können beispielsweise von oben oder unten verschraubt werden, wobei die Montagebohrungen in den Schienen mittels Abdeckleisten sowie Kunststoff- oder Metallstopfen geschützt werden können.
Wird jedoch mehr Flexibilität gefordert, sind Rundwellen im Vorteil. Ihre Enden können auf vielfältige Weise abgestützt werden, und sie können in einer größeren Baugruppe sogar selbst als konstruktive Abstützung dienen. Weitere Flexibilität bei der Montage bieten Optionen wie Abflachungen oder reduzierte Wellendurchmesser sowie Längs- und Querbohrungen in der Welle. Das selbstausrichtende Prinzip der Rundwelle toleriert zudem wie beschrieben mangelnde Parallelität sowie abweichende Schienenhöhen.
Schutz vor Fremdkörpern
Partikel wie Metall- und Holzspäne, extrem feines Glas, Keramikstaub oder Mehl gelangen in bewegliche Teile, wo sie sich negativ auf Verschleiß und Leistungsfähigkeit auswirken. Solche Partikel können auf Rundwellen oder Profilschienen fallen oder sich in der Luft befinden. Hersteller von Linearführungen lösen das Problem der Staub- und Partikelentwicklung durch spezielle Dichtungs- und Abstreiferkonzepte, die das Eindringen von Fremdkörpern auf die Lagerflächen verhindern sollen.
Eine zuverlässige Abdichtung an einer Profilschiene ist nicht einfach herzustellen, da sich die Abstreifer an die in die Schienen eingefrästen Kugellaufbahnen anpassen müssen, was den Reibungswiderstand erhöhen könnte – im ungünstigsten Fall sogar um das Doppelte im Vergleich zu Rundwellen. Besonders reibungsarme Abstreifer für Profilschienenschlitten minimieren zwar dieses Problem, können es jedoch nicht vollständig beseitigen.
Bei Profilschienen können außerdem Metall-Abstreifer zum Entfernen gröberer Partikel oder Faltenbälge zum Schutz der Laufbahnen vor Staub- und Partikelablagerungen zum Einsatz kommen. Rundwellen halten Schmutz aufgrund ihres kreisförmigen Querschnitts prinzipbedingt fern. Und obwohl Profilschienen-Laufbahnen geschlossen erscheinen, halten sie Verschmutzungen nicht zuverlässig ab.
Beherrschung extremer Temperaturen
Extreme Temperaturen wirken sich zumeist am stärksten auf Kunststoffteile wie Dichtungen und Kugelumlaufkanäle aus. Bei Temperaturen ober- oder unterhalb des Schmiermittel-Nennbereichs können sich außerdem Bestandteile wie Grundöl, Verdickungsmittel und Additive zum Nachteil ihrer Wirksamkeit zersetzen. Temperaturschwankungen begünstigen Kondensatbildung, was bei Stahl und Aluminium sowohl Korrosion als auch thermische Ausdehnung und Schrumpfung zur Folge hat.
Rundwellen können mit Lagern aus Vollstahl oder Edelstahl ohne Kunststoffteile genutzt werden. Stahl und Edelstahl verfügen über einen größeren Betriebstemperaturbereich, allerdings weisen Lager aus Edelstahl eine geringere Belastbarkeit auf als Lager aus Stahl. Profilschienen können aufgrund ihrer Endkappen und Umlaufkanäle aus Kunststoff nur bedingt bei extremen Temperaturen eingesetzt werden.
Vibrations- und Stoßfestigkeit
Konstant wirkenden Dreh- und Bewegungskräfte können eine Komponente langfristig schwächen und schließlich zum Versagen führen. Stoßbelastungen wirken sich, ähnlich wie eine plötzlich aufgebrachte Nutzlast, auf alle Lager aus. Je schwerer die Last, desto größer das Problem, und da Profilschienen schwerere Lasten vertragen, wirken sich Stöße eher als Aufprallkraft aus. In jedem Fall ist die Schiene jedoch auf die normale Belastung und nicht auf Stoßbelastung ausgelegt. Am stärksten sind davon schwere Maschinen betroffen, bei denen jeder Stoß schon aufgrund des enormen Gewichts besonders schädlich ist.
Profilschienen sind zudem unempfindlicher gegenüber starken Stößen, da sie verschiedene Möglichkeiten der Vorspannung bieten. Dadurch sind sie widerstandsfähiger gegenüber sonstigen Stößen, die nicht direkt die Wälzkörper betreffen.
Rundwellen sind aufgrund ihrer konstruktionsbedingten Spielpassung weniger stoßfest. Sie schneiden jedoch besser ab als Profilführungen, wenn eine fluide Kraft auf die Schiene wirkt, da sie an den Laufbahnbereichen weniger zum Abheben neigen als Profilschienen.
Abschließendes Urteil
Die Entscheidung zwischen Rundwelle oder Profilschiene hängt naturgemäß von der jeweiligen Anwendung ab. Ermitteln Sie daher wie gewöhnlich das gewünschte Bewegungsprofil und die zentralen Leistungsmerkmale. Bewerten Sie anschließend Ihre Optionen anhand der Vor- und Nachteile, was die Betriebsumgebung angeht.
Sowohl Profilschienen als auch Rundwellen können in feuchten, korrosiven, staubigen und stoß- bzw. vibrationsbelasteten Umgebungen eingesetzt werden – solange die konstruktiven Unterschiede, die benötigte Zusatzausstattung sowie die Gesamtanforderungen an Präzision und Belastbarkeit berücksichtigt werden.
Wird in rauen Umgebungen eine Präzision gefordert, die über die Leistungsfähigkeit von Rundwellen hinausgeht, können Sonderbeschichtungen spezifiziert werden, oder die Betriebsgrenzen sowie die Mehrkosten von Profilschienen sind zu berücksichtigen.
Bei Nassanwendungen bieten Profilschienen gewisse Vorteile, da ihre kompakte Bauweise bei der Montage mehr Flexibilität ermöglicht, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu vermeiden. Kommt es jedoch auf großzügige Toleranzen, außergewöhnliche Geometrien oder rein endgestützte Konfigurationen an, sind Rundwellen klar im Vorteil. Zum Glück gibt es zahlreiche nützliche Online-Tools, die den Anwendern dabei helfen, die jeweiligen Vor- und Nachteile bei widrigen Umgebungsbedingungen gegeneinander abzuwägen.
Die Autoren: Charles Isaac ist Global Product Line Manager für Linearlager und -führungen bei Thomson. Er ist für die kurz- und langfristige strategische Ausrichtung des Geschäftsbereichs Linearlager und -führungen verantwortlich, was auch die Planung neuer Produkte einschließt.
Ian Miller ist Division Manager bei Motion Repair & Services. Er verfügt über mehr als ein Jahrzehnt Praxiserfahrung in den Bereichen Hydraulik und Elektrik, einschließlich Systemdesign, Fehlerbehebung, Vor-Ort-Installationen und technische Schulung/Support.
