Kugellager aus Metall, Kunststoff, Keramik: wann nehme ich welches?

Die Auswahl des richtigen Werkstoffs für Kugellager ist nicht immer leicht. In diesem Beitrag erfahren Sie in einer kurzen Zusammenfassung, ob und wann Kugellager aus Metall, Kunststoff oder Keramik in Frage kommen.

Grenzen der Kugellager aus Metall

Kugellager aus Metall werden hauptsächlich in den meisten Anwendungen des klassischen Maschinenbaus verwendet. Sie liegen hinsichtlich der weltweiten Absatzmengen auf Platz 1 und eignen sich für eine Vielzahl an unterschiedlichen Maschinenbauanwendungen. Jedoch stößt man immer dann an die Einsatzgrenze, wenn neben Lastaufnahme und Drehzahl weitere Anforderungen an das Lager gestellt sind. Dies bezieht sich beispielsweise auf verschiedene Branchen wie die Lebensmittelindustrie oder Medizintechnik. Hier sind Eigenschaften wie die Eignung zum Kontakt mit Lebensmitteln oder die Eignung zur Verwendung im Reinraum entscheidend. Dazu wird von Anlagenherstellern oftmals eine Lebensmittelzertifizierung nach EU-Norm 10/2011 oder nach FDA (Amerikanische Behörde: Food and Drug Administration) gefordert.

Kunststoff und seine Vorteile

Der Vorteil von Kunststoffen liegt in der Materialvielfalt. Somit lassen sich für die unterschiedlichsten Anwendungen verschiedene Basispolymere wählen, welche hinsichtlich ihrer Eigenschaften genau für die Anwendung geeignet sind. So haben sich in den letzten Jahren die Basispolymere wie POM, PP, PEEK sowie weitere Kunststoffe etabliert. Kugellager aus Kunststoff können für folgende Branchen und Anwendungen geeignet sein:

Lebensmittelindustrie (Vorteil Lebensmittelkontakt)
Medizintechnik (Vorteil FDA-Konformität)
Chemieindustrie (Vorteil Chemikalienbeständigkeit)
Textilindustrie (Keine Staub- und Schmutzanhaftung)
Vakuum / hohe Temperaturen (Keine Zerstörung des Schmiermittels)
Sonderanwendungen wie MRT oder Metalldetektoren (Vorteil Metallfreiheit)

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Neben der Tatsache, dass xiros Kunststoff-Kugellager korrosionsfrei und hitzebeständig sind, sind diese auch in chemischen Umgebungen einsetzbar. Die Wartungskosten der Anlagen und Maschinen können eingespart und die Ausfallsicherheit erhöht werden. Die Kugellager aus Kunststoff zeichnen sich nämlich durch einen reibungsarmen Trockenlauf aus, wodurch xiros Kugellager auch ohne Schmierung auskommen. Dadurch lässt sich der Rollwiderstand auf ein Minimum reduzieren. Der Grund: die Kugeln müssen nicht den Widerstand des Schmiermittels überwinden, sodass sie mit geringem Losbrechmoment anlaufen können.
Marcus Semsroth, Produktmanager für xiros Kugellager, über Kugellager aus Metall und Kunststoff:

„Um annähernd vergleichbare Laufeigenschaften zu garantieren, benötigen Kugellager aus Metall hingegen mehr Zuwendung vom Anwender. Ohne eine zeitaufwendige Schmierung, die zudem Materialkosten verursacht, rosten die Lager, verformen sich in der Folgezeit wegen der hohen Reibkräfte, verursachen schlimmstenfalls einen Anlagenausfall. Diese Probleme verhindern Ingenieure, wenn sie Kugellager aus Kunststoff nutzen.“

Aber auch Kunststoff-Kugellager können an ihre Grenzen kommen. Beispielsweise sind Drehzahlen jenseits der 5.000 Umdrehungen pro Minute nur kurzweilig zu realisieren, da Kunststoffe sich bei den höheren Drehzahlen und der resultierenden Hitzeentwicklung schneller verformen als Metalle. Lager aus Metall haben in puncto höherer Geschwindigkeiten und dem Aufnehmen höherer Lasten hingegen die Nase vorn. Hier punktet die metallische Variante aufgrund einer Kombination aus Härte und Elastizität.

135 Billionen Testbewegungen im hauseigenen Testlabor

Ja, Kugellager aus Metall liegen in diesen Disziplinen vorne, jedoch erlaubt die Evolution der Kugellagertechnik ein neues Mischen der Karten. Was ist damit genau gemeint? igus betreibt seit jeher Grundlagenforschung und ein Testlabor, welches jährlich rund 135 Billionen Testzyklen aufweist. Hierbei stehen neben Untersuchungen von Reibwerten und Verschleißraten beispielsweise auch das Korrosionsverhalten auf der Agenda.

Keramiklager für extrem hohe Temperaturen

Für Kunststoffe und Keramiken wirken wässrige Medien wie Schmierstoffe. Bei passender konstruktiver Auslegung lassen sich die Reibwerte auf einem niedrigen Niveau um 0,1 oder sogar noch niedriger stabilisieren. Der Verschleiß ist sehr gering, sodass im Allgemeinen eine sehr lange Einsatzdauer erreicht wird. Hinsichtlich der Lastaufnahme und der erreichbaren Drehzahl, besitzen sowohl Kunststoffe als auch Keramiken Nachteile gegenüber Metallen. Unabhängig von der Vielzahl an Metall-Werkstoffe, besitzen Metalle eine gute Kombination aus Härte und Elastizität. Kunststoffe hingegen sind deutlich weicher und können sich (gerade unter hohen Temperaturen) schneller verformen. Keramiken sind zwar sehr hart, besitzen aber auch die niedrigste Elastizität und können unter Stoßbelastungen schnell brechen. Zudem ist die Wärmeableitung von Keramik und Kunststoff geringer als von Metall. Deshalb sind sie auch bezüglich der maximal realisierbaren Drehzahl eingeschränkt.