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Anwendungen im Rampenlicht: 3D Druck für Kugellager

[Bildnachweis: Bowman Additive Production]
 
Dies ist der zweite Teil unserer Spotlight-Reihe für 3D-Druckanwendungen, in der wir wichtige Anwendungen des 3D-Drucks hervorheben. Die letzte Ausgabe, den 3D-Druck für Wärmeaustauscher, können Sie hier lesen.
 
Diese Woche setzen wir unsere Application Spotlight-Serie fort, indem wir uns mit Kugellagern befassen, kritischen Bauteilen, mit denen die Reibung zwischen beweglichen Metallteilen verringert wird.
 
In diesem Artikel gehen wir auf die Vorteile ein, die der 3D-Druck für die Konstruktion und Herstellung von Kugellagern bietet, und untersuchen, wie die Hersteller diese Vorteile nutzen, um radikal neue Kugellagerkomponenten herzustellen.
 

Was ist ein Kugellager?

Bei Bewegungsanwendungen spielen Kugellager eine entscheidende Rolle.

Die Struktur eines einfachen Kugellagers [Bildnachweis: Bones Bearings]
Die Struktur eines einfachen Kugellagers [Bildnachweis: Bones Bearings]

 
Die runden, radartigen Vorrichtungen dienen zum Tragen von Lasten und zur Verringerung der Reibung zwischen zwei beweglichen Teilen. Um dies zu erreichen, wird ein Lager zwischen zwei Teile gelegt, die sich relativ zueinander bewegen. Anstatt gegeneinander zu gleiten, rollen die Teile gegen das Lager und halten die Reibung so auf einem Minimum.
 
Kugellager sind eine der häufigsten Arten von Lagern. Sie bestehen normalerweise aus drei Schlüsselelementen: glatten Innen- und Außenflächen, die als Laufringe bezeichnet werden, Wälzkörpern wie Kugeln oder Zylindern und einem Käfig, der als Trennelement für die Wälzkörper dient. Die Zylinder oder Kugeln dienen als Lastträger für das Gerät und ermöglichen ein freies Drehen.
 
Kugellager werden in nahezu jeder Branche eingesetzt. Beispielsweise werden dieses in allen Kraftfahrzeugen für wesentliche Teile wie Motoren und Lenkung verwendet. In diesem Fall unterstützen Lager rotierende Komponenten wie eine Kurbelwelle, die die Bewegung eines Kolbens innerhalb eines Motors in eine Drehbewegung umwandelt. Flugzeugturbinen, Montagelinien und medizinische Geräte verwenden ebenfalls Lager.
 
Hersteller von Lagern sind immer auf der Suche nach Wegen, um ihren Kunden maßgeschneiderte Lösungen anzubieten und bessere Lagerkonstruktionen zu entwickeln. Eine Technologie, mit der diese Ziele erreicht werden können, ist der 3D-Druck.
 

Die Vorteile des 3D-Drucks für Lager

 

Erhöhte Designkomplexität

Mithilfe des 3D-Drucks können Ingenieure eine komplexere Lagerkonstruktion erstellen und so die Leistung verbessern. Beispielsweise hat Bowman International, ein britischer Lagerhersteller, einen Käfig neu konstruiert, um dem Lager mehr Wälzkörper hinzuzufügen, wodurch die Lebensdauer des Lagers verlängert wurde (mehr dazu im Abschnitt “Beispiele”).

Dieses Bild zeigt einen Nadelrollenlagerkäfig, der aus einem flexiblen Material in 3D gedruckt und flach gefaltet werden kann, um den Montagevorgang zu vereinfachen. [Bildnachweis: Bowman Additive Production]
Dieses Bild zeigt einen Nadelrollenlagerkäfig, der aus einem flexiblen Material in 3D gedruckt und flach gefaltet werden kann, um den Montagevorgang zu vereinfachen. [Bildnachweis: Bowman Additive Production]

 
Mit dem 3D-Druck können Hersteller auch Lagerkäfige aus flexiblen Materialien herstellen, mit denen sie problemlos einen Käfig um eine Welle wickeln können.
 

Geringeres Gewicht

Beim 3D-Druck ist es auch möglich, ein Teil mit wabenartigen Strukturen leichter zu gestalten. Dies wäre bei der CNC-Bearbeitung sehr schwierig und zeitaufwendig.
 
Darüber hinaus kann ein Käfig anstelle von Stahl oder einem anderem Metall in 3D in Nylon oder einem Verbundmaterial gedruckt werden. Die Verwendung von Polymeren anstelle von Metallen trägt auf diese Weise zur Gewichtsreduzierung eines Lagers bei. Darüber hinaus dürfte ein 3D-gedruckter Polymerkäfig den Verschleiß der Wälzkörper im Vergleich zu herkömmlichen Stahlkäfigen erheblich reduzieren.
 

Beseitigte Werkzeugkosten

Bei der Herstellung von Lagern durch traditionelle Technologien können die Werkzeugkosten für einen Satz zwischen 40.000 und 60.000 GBP liegen. Für Hersteller, die kleine oder mittlere Losgrößen von Lagern herstellen möchten, erweisen sich herkömmliche Methoden häufig als unerschwinglich.
 
Der 3D-Druck dagegen eröffnet die Möglichkeit, Lagerelemente wie Käfige direkt ohne Werkzeug herzustellen. Die direkte Herstellung von Käfigen mit 3D-Druck bietet eine äußerst wettbewerbsfähige Option für kleine bis mittlere Auflagen von maßgeschneiderten Lagern.
 

Beispiele für 3D-gedruckte Lager

 

Bowmans Rollertrain™: Lagerkäfig für geteilte Rollenlager

[Bildnachweis: Bowman Additive Production]
[Bildnachweis: Bowman Additive Production]

 
Bowman Additive Production ist der Additive Fertigungsbereich von Bowman International, einem der führenden Hersteller von Lagern und Sinterteilen. Das Unternehmen nutzt seit vielen Jahren den 3D-Druck, um die Konstruktion von Lagerkäfigen weiterzuentwickeln.
 
Das Ergebnis seiner Bemühungen ist ein leistungsstärkerer geteilter Lagerkäfig, der als Rollertrain ™ patentiert ist. Geteilte Lager bestehen aus zwei Hälften, wodurch sie leicht zu installieren, zu inspizieren und zu ersetzen sind. Diese Art von Lager wird häufig in komplexen Industrieanlagen wie Förderbändern und Ventilatoren eingesetzt.
 
Bowman verwendet die HP Multi Jet Fusion-Technologie und das Nylonmaterial (PA11) um den maßgeschneiderten Rollertrain ™ Käfig herzustellen. Der Käfig verfügt über eine ineinandergreifende Struktur, bei der die Wälzkörper verwendet werden, um jeden Abschnitt des Käfigs zusammenzuheften. Dank dieser Konstruktion kann der Käfig bis zu 45% mehr Rollen aufnehmen als vorhandene Produkte.
 
Durch die erhöhte Anzahl von Rollen kann die Last auf eine höhere Anzahl von Wälzkörpern verteilt werden. Dies führt zu einer 30-40% höheren Tragfähigkeit und verlängert die Lebensdauer des Käfigs dreifach.
 
Die Kosten für den 3D-Druck von Rollertrain ™ -Käfigen sind mit herkömmlichen Teilen vergleichbar. Die deutlich gesteigerte Leistung und Langlebigkeit bieten jedoch einen Mehrwert und machen 3D-gedruckte Lager im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen überlegen.
 
Der Rollertrain ™ Lagerkäfig wird jetzt mit dem neuen JHB-Spaltlager verwendet, das vom Lagerspezialisten John Handley Bearings hergestellt wird.
 
Aufgrund der Konstruktion und des Materials des Rollertrain ™ -Käfigs verfügt das JHB-Spaltlager über eine um bis zu 70% bzw. 1000% höhere radiale und axiale Tragfähigkeit als alle anderen Spaltlager der Welt.
 
Bowman räumt ein, dass der 3D-Druck die herkömmlichen Verfahren nicht für alle Arten von Lagern ersetzen wird. Innerhalb des Marktes für geteilte Lager wird die Technologie jedoch bereits zur Standardfertigungswahl.
 

Leichtere Lagerkäfige für einen Luxuskatamaran

[Bildnachweis: Scheurer Swiss]
[Bildnachweis: Scheurer Swiss]

 
Das Ingenieurbüro Scheurer Swiss kombinierte 3D-Druck und Kohlefaserverbundwerkstoffe, um leichtere und effizientere Lagerkäfige für einen Katamaran zu entwickeln, einen Bootstyp, der aus zwei durch einen Rahmen verbundenen Rümpfen besteht.
 
Eine private Luxus-Segelyacht namens Moonwave benötigte in ihrem Steuermechanismus effizientere Lagerkäfige für die Kugellager. Um die Lenkung der Moonwave reibungsloser und einfacher zu gestalten, mussten die Teile leicht, aber dennoch stark und langlebig sein.
 
Um diese Ziele zu erreichen, verwendete Scheurer Swiss kohlefaserverstärktes Polyamid 12 (PA12) und 3D-Druck zur Herstellung dieser Käfige. Aufgrund der Größe jedes Käfigs, der einen Durchmesser von bis zu 630 mm aufwies, wurden sie in Stücken gedruckt und dann mit einem Klebstoff zusammengefügt.
 
Laut Scheurer hätte das Projekt mindestens drei Wochen gedauert, wenn Standardformverfahren angewendet worden wären. Mit dem 3D-Druck dauerte der Entwurf und die Fertigung nur drei Tage.
 
Jetzt wurden die Verbundkäfige in das hochentwickelte Titan-Ruderlagersystem eingebaut, wodurch das Steuern des Luxuskatamarans noch einfacher wird.
 

Leichte 3D-gedruckte Metalllager für die Luft und Raumfahrt

[Bildnachweis: Franke GmbH]
[Bildnachweis: Franke GmbH]

 
Das deutsche Unternehmen Franke GmbH, das auf leichte Bewegungssysteme spezialisiert ist, wurde beauftragt, ein Drahtwälzlager für ein Patientenbett in einem Rettungshubschrauber zu entwickeln.
 
Die Hauptanforderungen an das Lager waren ein maximales Gewicht von 800 g und die Fähigkeit, Stöße, Vibrationen und größere Turbulenzen während des Fluges standzuhalten. Das Unternehmen stellte schnell fest, dass es unmöglich wäre, ein derart leichtes Teil in konventioneller Fertigung herzustellen.
 
Deshalb hat Franke fortschrittliche Designtechniken angewendet, um das Lager so leicht wie möglich zu machen. Eine solche Technik ist die Topologie Optimierung, die es dem Franke-Team ermöglichte, die Materialverteilung bei der Konstruktion des Teils zu optimieren indem verschiedene Parameter wie Last, Gewicht und Größe des Bauteils analysiert wurden.
 
Das topologisch optimierte Design, das auch eine komplexe Gitterstruktur aufwies, konnte nur mit Hilfe des 3D-Drucks hergestellt werden.
 
Das 3D-gedruckte Endlager aus Aluminium erfüllte sowohl die Gewichts- als auch die Leistungsanforderungen und wurde erfolgreich in den Hubschrauber eingebaut.
 
In der Luft- und Raumfahrtindustrie nutzen Ingenieure jede Gelegenheit, um das Gewicht der im Flugzeug verwendeten Komponenten zu reduzieren. Wie Franke gezeigt hat, sind metallische 3D-gedruckte Lager eine der Lösungen, die Flugzeugherstellern helfen können, spürbare Gewichtseinsparungen bei ihren Flugzeugen zu erzielen.
 

Ein Blick in die Zukunft

Der 3D-Druck gibt Lagerherstellern die Flexibilität, Lager mit verbesserter Leistung herzustellen. Die Technologie erfordert keine teuren Werkzeuge und ermöglicht daher ein kostengünstiges Experimentieren mit Formen und Merkmalen, die mit herkömmlichen Methoden nicht wirtschaftlich sind.
 
Darüber hinaus können Lagerhersteller mit der Technologie eine Vielzahl von Materialien verwenden, von verstärkten Polymeren bis hin zu Metallen. In einigen Fällen bieten 3D-bedruckbare Materialien zusätzliche Eigenschaften wie Flexibilität oder erhöhte Steifheit, die mit Materialien, die in herkömmlichen Produktionsprozessen verwendet werden, nur schwer zu erreichen sind.
 
Mit Blick auf die Zukunft wird der 3D-Druck, dank des Mehrwerts, den die Technologie für die Lagerproduktion bringt ein Standardverfahren für die Herstellung kleiner und mittlerer Losgrößen von Lagern sein.
 
In unserem nächsten Artikel beschäftigen wir uns mit dem 3D-Druck für Fahrräder. Bleiben Sie dran!