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3D-Druck Wie der 3D-Druck Leichtbaulager verbessern kann

Redakteur: Katharina Juschkat

Franke setzt bei der Weiterentwicklung seiner Leichtbaulager auf Gehäuseringe aus dem 3D-Drucker. Durch das additive Herstellungsverfahren macht das Unternehmen seine Lager noch leichter, die Stabilität soll dennoch bleiben.

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Das Lasersintern schafft im Inneren der Gehäuseringe eine Art Wabenstruktur, die den Ring leichter macht und dennoch die nötige Stabilität verleiht.
Das Lasersintern schafft im Inneren der Gehäuseringe eine Art Wabenstruktur, die den Ring leichter macht und dennoch die nötige Stabilität verleiht.
(Bild: Bild: Franke)

Gekonnter Leichtbau ist die Fähigkeit, überall dort Material wegzulassen, wo es nicht gebraucht wird. Traditionelle Leichtbaulager von Franke setzen genau hier an. Durch aufwändige Untersuchungen und Analysen werden dort Speziallager entwickelt, deren umschliessenden Teile bezüglich Materialeinsatz und Wandstärken genau an die auftretenden Belastungen der Anwendungen angepasst sind. Bei der Festlegung der Teilegeometrie sind herkömmlichen Herstellungsverfahren allerdings oftmals Grenzen gesetzt. Nicht alles, was auf dem CAD-Bildschirm gut aussieht, kann auch realisiert werden. Hier kommen sowohl fertigungstechnische Beschränkungen als auch ökonomische Restriktionen ins Spiel.

Lasergesinterte Aluminiumringe machen es möglich, im Inneren der Ringe eine Art Wabenstruktur zu erstellen, die Gewicht einspart und gleichzeitig die nötige Steifigkeit gewährleistet. Integrierte Drahtwälzlager nehmen die Belastungen auf und sorgen für die gewünschte Präzision.

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3D-Druck schafft neue Möglichkeiten

Der 3D-Druck mischt die Karten neu. Prinzipiell sind damit Herstellungsverfahren gemeint, bei denen Objekte schichtweise aus Partikeln aufgebaut werden. Man spricht hierbei von additiven Verfahren. Dies bedeutet eine Umkehr herkömmlicher Methoden, die in der Regel mit der Abtragung von Material, zum Beispiel in Form von Spänen, einhergehen. Durch den schichtweisen Aufbau der Teile ergeben sich völlig neue Möglichkeiten der Gestaltung. Innere Wabenstrukturen, veränderliche Wandstärken und sogar ein Mix in der Beschaffenheit des Materials sind möglich und helfen dabei, noch filigraner und leichter zu werden.

Das Verfahren der Wahl ist hier das sogenannte Lasersintern. Dabei entstehen Werkstücke aus Metall oder Kunststoff. Lasersintern ist eines der vielversprechendsten Varianten im Bereich additiver Verfahren. Wie der Name schon sagt kommt beim Lasersintern ein hochenergetischer Laserstrahl zum Einsatz. Er erhitzt das Metallpulver an definierten Punkten und lässt es verschmelzen.

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Was 3D-Druck mit Katzen zu tun hat

Jeder weiß heutzutage, wie 3D-Druck funktioniert. Doch was haben Katzen mit 3D-Druckern zu tun? Katzen sind reinliche Tiere. Sie putzen sich penibel und sie gehen aufs Klo. Und dort leistet das Katzenstreu Erstaunliches: Die abgegebene Körperflüssigkeit trifft auf feinkörniges Streumaterial und schweißt es zu filigranen Gebilden zusammen. Das ist praktisch für das menschliche Räumkommando und zugleich High-Tech: genau so funktioniert nämlich 3D-Druck.

Beim 3D-Druck wird die Katzenstreu durch hochfeines Aluminiumpulver ersetzt und die relativ breit streuende Katze durch einen sehr präzisen Laserstrahl. Der Laser verschweißt das Pulver punktgenau und schichtweise zu festem Aluminium. Angesteuert durch 3D-CAD-Daten aus dem Computer entstehen auf diese Weise komplexe Strukturen aus Metall.

Das Besondere des 3D-Drucks besteht darin, nicht nur die äußere Form frei zu definieren sondern auch die innere. Hohlräume und variable Wandstärken halten das Gewicht niedrig, ohne die Stabilität zu beeinflussen. Vom Laser nicht getroffenes Pulver kann für den nächsten Druckvorgang verwendet werden – ganz genau wie die Streu bei der Katze.

Drahtwälzlager als 3D-Komponenten

Sobald eine dünne Pulverschicht bearbeitet ist, senkt sich die Arbeitsplatte ein Stück weit ab, neues Pulver wird darauf verteilt und erneut punktuell verschmolzen. So geht das Schicht für Schicht bis zum fertigen Werkstück. Am Ende kann die erkaltete Form entnommen und das überschüssige Material für weitere Werkstücke verwendet werden. Beim Lasersintern werden etwa 99 % der Materialdichte des Ausgangsmaterials erreicht.

Um aus 3D-gedruckten Bauteilen belastbare Präzisionslager zu machen, integrieren die Konstrukteure von Franke ein Drahtwälzlager in die Lagerschalen. Die umschliessende Konstruktion beeinflusst beim Drahtwälzlagerprinzip die Leistung des Lagers nur zu einem geringen Teil. Die Laufringe der Drahtwälzlager nehmen sämtliche Belastungen auf. Beschaffenheit und Material der umschliessenden Konstruktion sind daher frei wählbar. Drahtwälzlager sind somit ideal für 3D-Komponenten geeignet.

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Drei Fragen an Franz Öhlert

Weshalb haben Sie sich für Aluminium entschieden?

Aluminium ist der klassische Werkstoff von Franke-Leichtbau-Drehverbindungen. Mit dem Werkstoff können wir klassisch durch Drehen, Fräsen und Bohren Drehverbindung herstellen. Unser Ziel war es, die an sich leichte Drehverbindung mit einem Gewicht von 1300 g leichter zu machen, was uns mit einer Gewichtsreduktion um 400 g gelungen ist.

Wie konstruieren Sie die Drahtwälzlager, damit sie stabil genug sind?

Die Laufringe des Lagers werden mittels Berechnung zur statischen Sicherheit DIN76 bzw. Lebensdauer DIN281 ausgelegt. Was die Gehäuseteile der Drehverbindung betrifft, gilt es zunächst, sich den Kraftfluss im Lager vorzustellen und eine Grobauslegung zu machen. Die kann dann nach Bedarf mittels Simulation unter Betracht der wirkenden Kräfte variiert werden.

Wie weit sind Sie mit der Entwicklung des Wälzlagers?

Den Prototypen haben wir inzwischen fertiggestellt und zeigen ihn bereits auf internationalen Fachmessen. Für Anwender steht die Technik ab sofort zur Verfügung. Gegenwärtig suchen wir nach Kunden, denen wir als Entwicklungspartner kundenspezifischer Lösungen zur Seite stehen können.

Robotik braucht leichte, stabile Lager

Anwendungen für 3D-Drucklager gibt es überall dort, wo Gewicht eine Rolle spielt, Antriebsenergie eingespart werden soll oder die Art des Werkstoffs entscheidend ist. Zielbranchen sind die Luft- und Raumfahrt, der Fahrzeugbau oder die Medizintechnik. Auch MRK-Roboter können von 3D-gedruckten Leichtbaulagern profitieren. Schlanke Bauweise, ein geringes Gewicht und eine hohe Beweglichkeit sind Voraussetzungen für Leichtbauroboter. Für die Gelenke der Roboter wünschen sich Konstrukteure daher Lagerungen, die zum einen geringes Gewicht und kleinen Einbauraum aufweisen, zum anderen jedoch eine hohe Steifigkeit besitzen, um die auftretenden Momente sicher aufzunehmen.

Die 3D-gedruckten Drahtwälzlager von Franke sind für diese Anforderungen gut geeignet. Die Lagerelemente, die aus gehärteten Laufringen mit profilierter Laufbahn bestehen, kann der Anwender direkt in die weiterführende Konstruktion einlegen. Das soll Einbauraum sparen und den Konstrukteuren grösstmöglichen Freiraum bei der Gestaltung der umschliessenden Teile geben. (kj)

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