Kunststof tandwielen winnen terrein

Kunststof tandwielen
winnen terrein
[tekst] Franc Coenen
Is kunststof een ondergewaardeerd materiaal als het om tandwielen voor
aandrijvingen gaat? Die stelling is misschien net iets te bout. Dat bij een
behoorlijke groep engineers de mogelijkheden ervan onvoldoende bekend
zijn, staat voor Ronnie Boesten, business development manager technische
kunststoffen bij Vink Kunststoffen, echter buiten kijf. Onlangs is er een
kunststof kettingtandwiel getest op een crossmotor. Met succes. De voordelen reikten verder dan het kettingtandwiel alleen.
A
ls er één sector is die met veel interesse naar kunststoffen kijkt als alternatief materiaal voor tandwielen voor aandrijvingen, is het de voedingsmiddelenindustrie. En daarin zijn nogal wat
machinebouwers actief: van fabrikanten
van kippenslachtlijnen tot en met bou-
wers van verpakkingsmachines. Van de
machinebouwers voor de zuivelindustrie
tot en met vlees- en visverwerkers. De
reden waarom ze allen interesse hebben
voor kunststof: dit materiaal beschikt over
zelfsmerende eigenschappen. “Smeermiddelfabrikanten zijn weliswaar overge-
gaan naar producten die voedselveilig
zijn. De sector heeft echter het liefst een
smeermiddelvrije oplossing,” aldus Ronnie Boesten. Hij ziet de interesse vanuit de
machinebouw groeien. In andere sectoren speelt de gewichtsbesparing een rol.
Kunststoffen zijn gemiddeld zeven keer
lichter dan staal. En voor weer andere toepassingen is het onderhoudsvrije van het
materiaal de doorslaggevende factor.
Want kunststof tandwielen hoeven in
principe niet gesmeerd te worden, omdat
het materiaal goede droogloopeigenschappen heeft. De eigenschap van enkele kunststoffen om te vervormen en
weer terug te keren in de oorspronkelijke
vorm (terugstellend vermogen) speelt
hier eveneens een rol in.
Unieke eigenschappen
Een stalen tandwiel heeft als belangrijk
pluspunt ten opzichte van een kunststof
variant dat er hogere vermogens overgedragen kunnen worden. Stalen tandwie-
De combinatie van kunststof met metalen tandwielen is de beste, omdat via het stalen tandwiel de warmte kan worden afgevoerd (foto’s: Vink Kunststoffen).
24
24-25-26-27_kunststoftandwielen.indd 24
www.AT-aandrijftechniek.nl
MEI 2017
AT AANDRIJFTECHNIEK
23-05-17 08:12
0,08
0,07
vertanding C20
materialen
tandwiel: PA12G
rondsel: PA12G
smering
droog
temp = 25°C
tandtemperatuur
tandwiel [°C]
40
35
30
25
100°C
20
100°C
15
10
50°C
5
0
1
2
45
40
100°C
35
100°C
25
50°C
20
3
4
5
omloopsnelheid v [m/s]
150°C
vertanding C20
materialen
tandwiel: PA12G
rondsel: staal
smering
droog
temp = 25°C
100°C
15
50°C
5
50°C
150°C
30
10
100°C
50°C
0
lineaire belasting F/b [N/mm]
45
0
50°C
0
2
4
tandtemperatuur
rondsel [°C]
6
8
10
omloopsnelheid v [m/s]
Deze grafieken tonen de warmteontwikkeling versus omloopsnelheid om hiermee het grensbereik voor thermische
uitval te bepalen (grafieken: Ron de Haer/bron: Vink Kunststoffen).
staat op het walsvlak als je net over de
grenzen van het materiaal heen gaat. Dan
ontstaat pitting, kleine putjes, die tot uitval leiden. Kunststof ‘wijkt’ als het te
zwaar belast wordt, de krachten worden
dus verdeeld over een groter vlak, waardoor er geen schade ontstaat. Ook niet
aan het stalen tandwiel.” Zodra de vertandingen niet meer in elkaar grijpen, zal de
kunststof vertanding zich herstellen dankzij het terugstellend vermogen van het
materiaal. Boesten wijst verder nog op
aspecten zoals chemische bestendigheid
en gemakkelijkere verwerkbaarheid die
een rol kunnen spelen in de afweging
staal versus kunststof. “De voedingsmiddelenindustrie gebruikt veel RVS vanwege
de bestendigheid tegen agressieve reinigingsmiddelen. Technische kunststoffen
zijn chemisch bestendig én laten zich gemakkelijker verspanen dan RVS wat een
kostenbesparing kan opleveren.” Onderhoudsvrije aandrijvingen omdat de tandwielen niet meer gesmeerd hoeven te
De invloed van de
0,09
vertanding op het
testomstandigheden
F/b = 20 N/mm, temp = 40°C
smering
materialen
droog
tandwiel: PA12G
rondsel: staal
wrijvingsverlies,
staal versus Lauramid.
0,06
0,05
LL40
0,04
0,03
0,01
LL30
0,02
C20
lastafhankelijk wrijvingsverlies
ZP 40
[-]
len kunnen de warmte beter afvoeren.
Omdat kunststof dit minder goed kan,
zullen twee kunststof tandwielen met een
standaard vertandinggeometrie gaan verkleven zodra er behoorlijke vermogens op
komen te staan. Hogere vermogens en
toerentallen leiden tot warmteontwikkeling. De beste oplossing is daarom de
combinatie van een kunststof en een stalen tandwiel. Daarmee benut je de voordelen van beide materialen. De warmte
wordt afgevoerd via het stalen tandwiel,
terwijl het slijtvaste kunststof tandwielsmering overbodig maakt. Met zo’n combinatie kunnen ook hogere vermogens
worden overgebracht zonder dat er smering nodig is. “Weliswaar is het vermogensverlies van een kunststof/staal paar
met 6 procent hoger dan de 2 procent van
een goed gesmeerd staal/staal paar; maar
als smering niet gewenst is, dan is de
combinatie de beste oplossing,” zegt
Boesten. Een niet minder belangrijk voordeel van zo’n combinatie is dat het risico
op metaalmoeheid tot nul wordt gereduceerd. Dat heeft te maken met het terugstellend vermogen van de kunststof vertanding. Met name bij hoog dynamische
toepassingen, waarbij de vermogenspieken en -dalen elkaar snel afwisselen, biedt
het kunststof tandwiel een belangrijk
voordeel. Boesten: “Metaalmoeheid ont-
lineaire belasting F/b [N/mm]
TECHNIEK Mechanisch
0
Een proefopstelling met een LL40 tandwiel bij het FZG (Forschungs-
vertanding
MEI 2017
AT AANDRIJFTECHNIEK
24-25-26-27_kunststoftandwielen.indd 25
stelle für Zahnräder und Getriebebau), in samenwerking met de
4
Technische Universiteit München.
www.AT-aandrijftechniek.nl
25
23-05-17 08:12
4
3
lineaire belasting F/b [N/mm]
+ 59 %
5
evaluatiebereik
v= 4 -21 ms
F/b<50 N/mm
+ 74 %
6
45
35
100°C
30
25
15
0
LL40
1
LL30
5
150°C
50°C
20
2
100°C
100°C
50°C
50°C
0
2
4
6
0
vertanding
vertanding LL30
materialen
tandwiel: PA12G
rondsel: C45
smering
droog
temp = 25°C
100°C
40
10
C20
gemid. thermisch grensvermogen P [kW]
7
materialen
tandwiel: PA12G
rondsel: staal
smering
droog
8
tandtemperatuur
rondsel [°C]
10 12 14 16 18 20
omloopsnelheid v [m/s]
Bij LL30 vertanding kunnen hogere omloopsnelheden, dus meer vermogen
worden overgedragen. Bijkomend voordeel, de redelijk lage E-Modul van Lau-
De maximale overbrenging in kW van LL30 en LL40 ten opzichte
ramid (2000 N/mm) compenseert de stijfheid van de geometrie gerelateerde
van standaard C20.
vertandingsvorm wat resulteert in een beduidend lager geluidsniveau.
worden, kan ook een belangrijk argument
zijn. Met name omdat onderhoud productiestilstand betekent. Bij een van haar
klanten heeft Vink Kunststoffen bronzen
tandwielen vervangen door een kunststof
variant, gemaakt van Lauramid (Handtmann Elteka). Terwijl de bronzen variant
een levensduur had van drie weken,
draaien de kunststof tandwielen na tien
weken nog steeds.
Engineeren voor kunststof
De valkuil bij het toepassen van kunststof
tandwielen is dat een bestaand ontwerp
voor een stalen tandwiel één op één
wordt overgenomen voor de kunststof
versie. Dan gaat het dikwijls fout. Met
name het loopvlak en de vertanding moeten afgestemd zijn op het materiaal. De
maximale drukbelasting van Lauramid,
een speciale kunststof voor zwaar belaste
toepassingen, bedraagt 50 N/mm 2. De
drukvastheid van staal is vijf tot tien keer
hoger. “Maar met een goed ontwerp ligt
de vermogensoverdracht best hoog,”
aldus Boesten. Een voorbeeld is een toepassing van kunststof tandwielen in een
productielijn voor banden. De hoogdynamische lijn verplaatst een massa van 1000
kg met kunststof tandwielen in de aandrijving. Dikwijls worden kunststof tandwielen om een stalen kern gegoten, omdat
deze combinatie hogere vermogens kan
26
24-25-26-27_kunststoftandwielen.indd 26
www.AT-aandrijftechniek.nl
overbrengen. Met zo’n stalen kern is het
kunststof tandwiel bestand tegen hoge
radiale krachten. Weliswaar vervalt hierdoor het voordeel van de gewichtsbesparing, het feit dat smering niet nodig is,
blijft. Boesten: “De combinatie is weliswaar duurder, maar de lagere onderhoudskosten gedurende de levensduur
van de aandrijving zijn in zo’n geval
meestal doorslaggevend.” Bij geringere
krachten kunnen tandwiel en as volledig
van kunststof zijn.
Welke kunststoffen?
Als er over kunststoffen voor tandwielen
wordt gesproken, bedoelt men technische
kunststoffen. POM, nylon en HMPE zijn de
meest voorkomende materialen voor
tandwielen, kettingtandwielen en kettinggeleiders. Eigenlijk voor veel toepassingen waarbij wrijving optreedt. POM is
breed inzetbaar. Het materiaal is maatvast, heeft een redelijk hoge treksterkte
en is goed verspaanbaar. HMPE heeft een
lagere drukbelasting dan POM, maar onderscheidt zich door de goede glij-eigenschappen en is met name geschikt voor
kettinggeleidingen en dergelijke. Nylon
(PA 6) onderscheidt zich van de andere
kunststoffen door het brede temperatuurbereik waarin nylon inzetbaar is en de
hoge kerfslagvastheid bij lage temperaturen. Hét grote nadeel van Nylon 6 is de
hoge vochtopname. Het materiaal kan 10
procent tot 12 procent van het eigen gewicht aan vocht opnemen. Hierdoor is de
maatvastheid van nylon geringer. Gegoten PA12 (Lauramid) is een variant die
beter geschikt is, omdat deze nylon
slechts 1 procent vocht opneemt, maatvaster is en slijtvaster. “PA12G gaat al richting high performance kunststoffen,”
aldus Boesten. PEEK is een voorbeeld van
een materiaal uit de high performance
kunststoffen. PEEK is heel slijtvast en
maatvast, met een nauwkeurigheid in het
micrometerbereik, vergelijkbaar met
staal. In de ruimtevaart bijvoorbeeld
heeft Polyimide het voordeel dat het een
poly-meer is waar geen ionen op
neerslaan. Het temperatuurbereik is met
pieken van 400°C ook hoog. “In de
racerijwereld zijn er testen gedaan met
tandwielen voor de brandstofpomp,
die hoogtoerig is en daardoor veel
warmte in het tandwiel op-bouwt.”
Omdat elke gram gewichtsbespa-ring
telt, is PI ondanks de hoge kostprijs een
goed alternatief.
Lauramid gietpolyamide
Een relatief nieuw materiaal dat
Vink Kunststoffen in de Benelux
verkoopt, is Lauramid PA12G. Dit is een
materiaal van Handtmann Elteka, een
Duits concern dat een eigen receptuur
voor PA12G heeft ontwikkeld. Het is
een gietmateriaal (vanMEI 2017
AT AANDRIJFTECHNIEK
23-05-17 08:12
TECHNIEK Mechanisch
Extra controle op food grade kwaliteit
daar G), met een krimp van 3 procent
waardoor het zich leent om gebruikt te
worden in combinatie met een stalen
kern die direct wordt meegegoten. Door
de krimp hecht het zich heel goed. Lauramid kan in bijna elke vorm worden gegoten, tot 6 meter lengte en 1000 kilo
gewicht, en in near netshape vormen.
Handtmann Elteka heeft voor tandwielen
een combinatie gemaakt van Lauramid
met een speciale vertandinggeometrie.
Boesten: “Handtmann heeft goed gekeken naar het ontstaan van wrijvingsverlies
en warmte. Doel hierbij was de relatieve
beweging die voor veel wrijving zorgt te
minimaliseren, en juist gebruik te maken
van het afrollen van de tand om warmteontwikkeling en dus thermische uitval te
beperken. Door deze specifieke geometrie komen ze op de helft van het wrijvingsverlies van een goed gesmeerd staal/
staal tandwielpaar uit.” Hierdoor ontstaat
dus minder warmte. Lauramid is er in
twee varianten: LL30 en LL40. Hierbij worden de krachten volledig overgebracht via
het walsvlak. Een Lauramid LL40 tandwiel
kan hierdoor tot 75 procent méér vermogen overbrengen dan een standaard
kunststof tandwiel. Bij het LL30 tandwiel is
dat nog steeds 60 procent méér vermogen. Het LL40 tandwiel heeft een vermogensverlies van minder dan 1 procent
(versus staal 2%), bij het LL30 tandwiel is
het verlies teruggebracht tot 4 procent
(versus 6% standaard voor kunststof tandwielen). “Voor toepassingen waar vermogens worden overgebracht bij hoge toeren is dit dé oplossing.”
Gelijkmatiger belasten
Een vertandingstoepassing waarin kunststof amper wordt gebruikt, is het kettingwiel. Men heeft zelfs een 8 mm dik kettingwiel getest op een crossmotor. Bij
kettingaandrijvingen heeft het kunststof
tandwiel naast geluidsreductie en droogloopmogelijkheden een bijkomend effect,
namelijk dat de ketting minder zwaar belast wordt. Bij een stalen kettingwiel komt
bijna 100 procent van het vermogen op de
eerste schakel waar de tand in grijpt.
Doordat de kunststof tanden iets vervormen - en zich later weer herstellen - wordt
de kracht direct doorgegeven aan de volgende tanden. “Het koppel wordt hierdoor verdeeld over vier tot vijf schakels
van de ketting. Door ditzelfde fenomeen
valt het polygoon effect op de ketting volledig weg. Deze wordt dus minder belast
en zal minder snel slijten,” legt Ronnie
Boesten uit.
www.vinkwebshop.nl
www.lauramid.nl
Een van de sectoren waarin de toepassing van kunststof tandwielen groeit, is de machinebouw voor de voedingsmiddelenindustrie. Sinds enkele jaren gelden hier binnen de Europese
Unie striktere regels voor. Het gaat om de uit 2011 stammende
wetgeving in de raamverordening 1935 / 2004, voor kunststoffen
de 10/2011 EU richtlijn. Waar het om draait in deze wetgeving
is traceerbaarheid van de materialen. Ronnie Boesten: “Alle
materialen migreren. Kunststoffen doen dat in meerdere mate
dan metalen. Deze richtlijn schrijft de eisen voor die aan de
materialen gesteld worden.” Smaak, de geur en de textuur van
voedingsmiddelen mogen niet aangetast worden door de kunststoffen waarmee ze in aanraking komen. De kunststoffen die
voor aandrijfcomponenten en andere onderdelen van de machines worden gebruikt, migreren niet in die mate dat ze smaak en
geur beïnvloeden. Je zult echter wel als machinebouwer moeten
aantonen dat je deze food grade kunststoffen hebt toegepast.
Traceability tot aan de bron van de grondstoffen. En daar wringt
de schoen. Boesten: “Wij wijzen klanten hierop, zeker tegenwoordig wordt gecontroleerd op de aanwezigheid van certificaten. Het batchnummer moet bij de Good Manufacturing Practice
(GMP) bewaard worden. In Europa moet je elk product dat in
aanraking komt met voedingsmiddelen kunnen terug herleiden
tot de bron.” Machinebouwers realiseren zich vaak onvoldoende
dat men zelf ook aan deze GMP moet voldoen. Wie kunststoffen
gaat toepassen, moet ook kijken waar de machine terecht komt.
In de VS is men minder streng, FDA goedkeuring volstaat. In
Europa moet het food grade certificaat overlegd kunnen worden
op het totale eindproduct en moet in de eigen administratie van
elk onderdeel aangetoond kunnen worden uit welke batch materialen het komt.
Kun je vertandingen 3D-printen?
De ontwikkelingen op 3D-printgebied gaan hard. Toch ziet Ronnie Boesten het 3D-printen van tandwielen als vervanging nog
niet snel doorbreken. “De sector is zoekende; veel fabrikanten
zijn ermee bezig in zowel FDM als SLS. Maar bij het printen haal
je op moleculair niveau nooit de materiaaleigenschappen van
het oorspronkelijke homogene product.” Voor prototypes of
kleine series producten die niet zwaar belast worden maar wel
slijtvast moeten zijn, komt men hiermee steeds verder; voor
zwaar belaste toepassingen momenteel nog niet maar men staat
hier niet stil.
Een voorbeeld van een vertanding in de productie van autobanden.
Diverse toepassingen voor de voedsel- en verpakkingsindustrie, allemaal ontworpen op
Smeermiddelen zijn niet toegestaan, de momentkracht bedraagt
unieke materiaaleigenschappen.
1000 kg.
MEI 2017
AT AANDRIJFTECHNIEK
24-25-26-27_kunststoftandwielen.indd 27
www.AT-aandrijftechniek.nl
27
23-05-17 08:12