Drastische Steigerung der Wirtschaftlichkeit durch Erhoehung der Lebensdauer von Miniaturkugellagern 

In der Dentaltechnik kommen Miniaturkugellager zum Einsatz, die extrem hohen Anforderungen genügen müssen: Hohe Drehzahlen, ausserordentliche Belastungen und extreme lagerinterne Spitzentemperaturen sind hier die Regel. Speziell in pneumatisch angetriebenen Dentalinstrumenten mit Drehzahlen von bis zu 500.000 min^-1 ist der Kugellagerkaefig innerhalb des Kugellagers Lebensdauer-bestimmend. Jetzt hat das Würzburger Unternehmen GRW Gebr. Reinfurt mit Hilfe eines innovativen Werkstoffes den Kaefig von Minitaturkugellagern revolutioniert und seine Lebensdauer um den Faktor fünf erhoeht.fue den Hersteller von Dentalgeraeten ergeben sich daraus Moeglichkeiten, durch den Einsatz dieser Produkte mit laengerer Lebensdauer, sich vom Wettbewerb nachhaltig zu differenzieren und damit seine Marktanteile auszubauen.

Bild 1: Darstellung eines Dentalturbinenkopfes mit Rotor, Rotorwelle, Kugellagern und Bohrwerkzeug

Die Problemstellung 
Die extreme Beanspruchung des Kugellagerkaefigs ist ursaechlich zurückzuführen auf die Belastungen im Betrieb und auch auf die in der Dentaltechnik vorgeschriebenen Hygienebehandlungen. Andererseits erfaehrt der Kaefig bedingt durch eine Mangelschmierungssituation, die bereits nach kurzer Zeit eintritt, allerhoechste Belastungen. Denn die Abluft der Turbine stroemt nicht nur durch den Abluftkanal, sondern auch durch die beiden Lagerstellen, wodurch das Schmiermittel relativ rasch aus dem Lagerinnenraum ausgetragen wird.

Als Europas groesster Hersteller von hochpraezisen Miniaturkugellagern arbeitet die Firma GRW standig an der Optimierung ihrer Produkte. Etwa durch den Einsatz innovativer Materialien, wie einem neuartigen Kaefigwerkstoff, mit dem das Unternehmen ihren Turbinenkugellagern gerade in Extremanwendungen hervorragende Eigenschaften verleiht.

Innovative Kombination von Materialien

Die Innovation besteht darin, elektronenbestrahltes Polytetrafluorethylen (PTFE) über reaktive Extrusion an das Hochleistungspolymer Polyamidimid (PAI) anzukoppeln. Durch die homogene und dichte Verteilung des PTFE im Grundpolymer wird ein konstant niedriger Reibverlauf erreicht. Damit verbessert sich mit den so entstandenen chemischen Bindungsruppen im Gegensatz zu physikalisch gemischten Materialsystemen das Elastizitatsverhalten des Materials und der abrasive Verschleiss geht drastisch zurück.

PAI-PTFE-cg im Test: Fünfmal hoehere Lebensdauer
Die verbesserten Eigenschaften der neuen Kugellagerkaefige aus PAI-PTFE-cg hat das Entwicklungsteam von GRW in Tests nachgewiesen. Dazu wurden an einem automatisierten GRW-Turbinenprüfstand die durch den Zahnarzt auf das Bohrwerkzeug des Dentalinstruments aufgebrachten Kraefte mit einem Belastungszylinder simuliert. Das Ergebnis: Kugellagerkaefige aus PAI-PTFE-cg weisen eine fünfmal hoehere Lebensdauer auf als Standardkaefige. In Kugellagern für Dentalinstrumente hat sich der Hochleistungskunststoff Polyamidimid (PAI) seit vielen Jahren als Standard-Kaefigwerkstoff etabliert. In den Anwendungen kommt groesstenteils die gleitmodifizierte PAI-Type "Torlon 4301" mit den physikalisch eingemischten Festschmierstoff-Additiven Grafit(12%)und PTFE(3%)zum Einsatz.

Bild 2: Automatisierter GRW-Dentalprüfstand zur Lebensdauerprüfung von Turbinenhandstücken

Vergleichende Lebensdauertests mit gefetteten Turbinenkugellagern, die sich lediglich im Kaefigwerkstoff unterscheiden, zeigen gravierende Unterschiede in der Lebensdauer. Kugellagerkaefige aus PAI-PTFE-cg weisen bei gleicher Belastung eine fünfmal hoehere Lebensdauer auf als Kaefige aus Torlon 4301. Die deutliche überlegenheit von PAI mit chemisch gekoppeltem PTFE zeigt sich gerade im Trockenlauf: Waehrend Testturbinen mit Standardlagern bereits einige Minuten nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl ausfallen, erzielen die Versuchslager mit dem neuen Kaefigwerkstoff im Trockenlauf eine Lebensdauer von 10 bis 15 Stunden.

Bild 3: Lebensdauer mit Turbinenkugellagern, Type SS3175A Z und unterschiedlichen Käfigwerkstoffen, initialbefettet, Startdrehzahl 350.000 min^-1, Ausfalldrehzahl 260.000 min^-1

Hoehere Verfügbarkeit von Dentalhandstücken mit GRW-Kugellagern
Geraetehersteller, die Kugellager mit dem neuen Kaefigwerkstoff in ihren Produkten integrieren, koennen ihren Kunden eine hoehere Verfügbarkeit ihrer Dentalhandstücke garantieren – ein echtes Differenzierungsmerkmal gegenüber dem Wettbewerb. Denn selbst bei unsachgemaesser Behandlung des Geraetes, etwa durch mangelnde Oelpflege beim Dentisten, ist das Geraet durch die verbesserten Trockenlaufeigenschaften des Kugellagers geschützt.

Sterilisation ohne Schaedigung der Kaefigoberflaeche
Um den Anforderungen in der Dentaltechnik im Hinblick auf einen wirksamen Infektionsschutz nachzukommen, werden neue Werkstoffe haeufig nach einer Blocksterilisation im Dampfdruckautoklaven diversen Tests unterzogen. Auch hier konnte GRW für den neuen Werkstoff PAI-PTFE-cg positive Ergebnisse dokumentieren. Denn dank seines homogenen Gefüges und die dichte Verteilung der PTFE- Kopplungsgruppen bietet er eine stark verbesserte Resistenz gegenüber dem Einwirken von Heissdampf. REM-Aufnahmen von Kaefigoberflaechen nach jeweils 1000 Zyklen Heissdampfsterilisation zeigen den Unterschied zwischen dem herkoemmlichen und dem neuen Material: So sind im übergang zwischen Planflaeche und Bohrung des Kaefigs bei dem Standardkaefig (Bild 4 - links) teilweise stark zerklüftete Bereiche zu erkennen. Der Versuchskaefig aus PAI-PTFE-cg dagegen ist aus der Dampfdrucksterilisation ohne Oberflaechenschaedigung hervorgegangen (Bild 4 - rechts).

Bild 4: Im direkten Vergleich: Käfigoberfläche aus Torlon 4301(links) und aus PAI-PTFE-cg

GRW mit exklusiver internationaler Lizenz
Mit dem innovativen Werkstoff für Kugellagerkaefige PAI-PTFE-cg hat die GRW die Grundlage für die Entwicklung von Dentalinstrumenten mit extrem erhoehter Verfügbarkeit gelegt. Die Technologie kann aber auch in anderen Hochleistungsapplikationen eingesetzt werden, denn von den Vorteilen, die sich insbesondere hinsichtlich der laengeren Lebensdauer auch beim Einsatz unter schwierigsten Umgebungsbedingungen ergeben, werden auch Hersteller aus anderen Anwendungsbereichen profitieren.

Die ausschliessliche Lizenz für die Nutzung des Werkstoffs PAI-PTFE-cg als Kaefigwerkstoff in Miniaturkugellagern und-gleitlagern liegt bei der GRW. Damit kann das Unternehmen seine innovative Technologie exklusiv seinen Kunden in Europa, USA, Japan und Südkorea zur Verfügung stellen.

über GRW Gebrüder Reinfurt
GRW Gebrüder Reinfurt GmbH & Co. KG in Rimpar bei Würzburg ist Europas groesster Hersteller von hochpraezisen  Miniaturkugellagern und hat sich auf die Herstellung von Miniatur-Rillenkugellagern aus durchgehaertetem Chrom- und Nirostahl spezialisiert. Im Lieferprogramm des Unternehmens finden sich unter anderem Kugellager von 1 bis 25 mm Bohrung und 3 bis 40 mm Aussendurchmesser in metrischen und Zollabmessungen, aber vor allem in den verschiedensten technischen Ausführungen und Werkstoffkombinationen für die vielfaeltigsten Anwendungsgebiete.

Die Hochpraezisionskugellager von GRW werden unter anderem eingesetzt in Elektromotoren und Büromaschinen, der Mess-und Regeltechnik, der Medizin- und Dentaltechnik, in Vakuumanwendungen, der Luft- und Raumfahrt – kurz: überall dort, wo hoechste Praezision, Zuverlassigkeit und Langlebigkeit, teilweise unter extremsten Bedingungen, nicht nur einen Mehrwert, sondern ein “Muss”darstellen.

Weitere Informationen zu GRW unter www.grw.de