Ein Millionstel Gramm genau 02.10.2013, 15:15 Uhr

Neues Kontrollsystem für Mikroschmierung

Bei der Mikroschmierung von Präzisionskugellagern erweist sich die Dosierung immer wieder als Achilles-Verse. Denn schon kleinste Ungenauigkeiten führen zum Trockenlaufen. Ein neues Kontrollsystem soll dies zukünftig verhindern

Herzstück des neuen Dosiersystems ist eine Mikromembranpumpe aus Silizium. Diese saugt mit einer vibrierenden Membran kleinste Menge Schmieröl an und stößt diese wieder aus. Im Dosierkanal selbst sind Sensoren angebracht. Diese kontrollieren die Schmierstoff-Menge anhand injizierter Luftblasen. 

Herzstück des neuen Dosiersystems ist eine Mikromembranpumpe aus Silizium. Diese saugt mit einer vibrierenden Membran kleinste Menge Schmieröl an und stößt diese wieder aus. Im Dosierkanal selbst sind Sensoren angebracht. Diese kontrollieren die Schmierstoff-Menge anhand injizierter Luftblasen. 

Foto: Fraunhofer EMFT

Industrieunternehmen, die mit Hochleistungsfräsern arbeiten, sind stets darum bemüht, ihren Schmierstoffverbrauch zu reduzieren. Denn dann sparen sie Produktionskosten, schonen die Maschinen und senken die Ölbelastung in der Luft, die für Mitarbeiter zur gesundheitlichen Bedrohung werden kann. Der Trend geht daher zu Mikroschmiersystemen. Das Problem: Die Zuverlässigkeit dieser Dosiersysteme galt bislang als limitierender Faktor und Gefahrenquelle. Denn schon kleinste Unregelmäßigkeiten bei der Ölzufuhr führen dazu, dass Maschinenlager trocken laufen. Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für modulare Festkörper-Technologie in München haben deshalb ein neues Mikroschmiersystem mit einem Sensor-Kontrollsystem entwickelt. 

Winzige Mikromembranpumpe

Herzstück des neuen Mikroschmiersystems mit integriertem Ölreservoir ist eine winzige Mikromembranpumpe, die kleiner als ein Cent-Stück ist. Auf der Membran sitzt eine kleine Scheibe aus Piezokeramik, die vom elektrischen Takt eines Ansteuermoduls von der Größe einer Streichholzschachtel in Schwingung versetzt wird. Bis zu einhundertmal pro Sekunde saugt die vibrierende Membran eine kleine Menge Flüssigkeit an und stößt diese wieder aus. Somit ist es möglich, Dosierungen von unter 25 Mikrogramm Schmieröl ins Präzisionskugellager von Hochleistungsspindeln zu pumpen – das entspricht einem Millionstel Gramm. Um die optimale Ölmenge für die Lagerschmierung zu finden, führte das Industrieunternehmen Paul Müller parallel zur Entwicklung Tests an Werkzeugmaschinenspindeln durch.

Das neue Mikroschmiersystem bietet mehrere Vorteile: Zum einen lassen sich durch die geringen Dosiereinheiten 95 Prozent Schmierstoff einsparen. Ein ökonomischer und ökologischer Pluspunkt. Zum anderen reduzieren sich die Reibbeiwerte im Lager, so dass die Hochgeschwindigkeitsspindeln noch effizienter arbeiten. Auch die Arbeitsumgebung wird sicherer, da die Ölbelastung in der Luft sinkt. Die Pumpe selbst besteht aus Silizium, da das Material ausgezeichnete elastomechanische Eigenschaften aufweist. Die Folge: Ohne nennenswerte Verschleiß- und Ermüdungserscheinungen arbeitet sie bis zu 20 000 Stunden. Alle Komponenten sind zudem so klein gebaut, dass sie Platz in der Spindel selbst finden. Ein externes Schmieraggregat ist somit überflüssig.

Neues Kontrollsystem verhindert, dass Lager heiß laufen

Bei dieser Mikrodosierung muss das System zuverlässig arbeiten, damit das Maschinenlager nicht trocken läuft. Wichtig ist ein geschlossener Schmierfilm auf den Lageroberflächen. Sichergestellt wird dies durch eine neue Kontrollmethode: Dabei injiziert das System zum Abschluss eines Dosierintervalls eine Gasblase in den Dosierkanal. Im Kanal selbst sind mehrere Sensoren angebracht, welche die Geschwindigkeit der Blase erfassen und daraus die dosierte Ölmenge ableiten. Ein Mikrochip kann die Pumpfrequenz je nach gewünschter Fördermenge neu einstellen. Derzeit arbeitet das Fraunhofer Team an einem Dosieralgorithmus, der sogar Dosiermengen von fünf Mikrogramm ermöglichen soll. 

Ein Beitrag von:

  • Patrick Schroeder

    Patrick Schroeder arbeitet als freiberuflicher Journalist für Zeitschriften und Onlinemagazine wie die VDI Nachrichten und Ingenieur.de.

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