MASCHINENELEMENTE
MASCHINENELEMENTE TITELSTORY Bild: Franke Leichtbaulager mit Gehäuseteilen aus dem 3D-Drucker und integriertem Drahtwälzlager 3D-Druck mischt die Karten neu Beim 3D-Druck werden Objekte schichtweise aus Metallpartikeln aufgebaut. Man spricht hierbei von additiven Verfahren. Dies be - deutet eine Umkehr herkömmlicher Herstellungsmethoden, die in der Regel mit der Abtragung von Material, z. B. in Form von Spänen einhergehen. Durch den schichtweisen Aufbau der Teile ergeben sich völlig neue Möglichkeiten der Gestaltung. Innere Wabenstrukturen, veränder - liche Wandstärken und sogar ein Mix in der Beschaffenheit des Materials sind möglich und tragen dazu bei, noch filigraner und leichter zu konstruieren. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist die schnelle Verfügbarkeit. Eine entsprechend konfigurierte CAD-Datei reicht aus, um den Drucker in Aktion zu setzen. Schon kurz darauf sind die benötigten Teile zur weiteren Verarbeitung verfügbar. Schon ab Losgröße 1 wird 3D-Druck in diesem Produktsegment somit zur idealen Fertigungsform, da keinerlei Werkzeuge oder Formen benötigt werden. So ergeben sich für Anwender von 3D-gedruckten Leichtbaulagern von Franke eine Reihe von Vorteilen: • äußerst geringes Gewicht • kompakte Bauform • kundenspezifisches Design • Lagerdurchmesser gegenwärtig von 80 bis 300 mm erhältlich (größere Durchmesser auf Anfrage) • Losgröße 1 möglich • schnelle Verfügbarkeit • hohe Belastbarkeit durch integriertes Drahtwälzlager Die Gewichtsersparnis von 3D-gedruckten Drehverbindungen gegenüber Wälzlagern herkömmlicher Bauart ist eklatant. Ergibt die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die umschließende Konstruktion bei vergleichbarem Lagerdurchmessern bereits signi - fikante Einsparungen, so wird das Ergebnis durch den Einsatz von 3D-gedruckten Gehäuseringen nochmals verbessert. Bei gleichem Lagerdurchmesser und dem Einbau eines vergleichbaren Drahtwälzlagers in die Gehäuseringe liegt die Gewichtseinsparung gegenüber einem herkömmlichen Stahllager bei fast 90 %. Flexibel und leistungsfähig, nicht nur auf dem Papier Was in der Theorie vielversprechend klingt, muss in der Praxis erst einmal verifiziert werden. Hierzu werden Protoypen angefertigt, die dann umfangreichen Tests unterzogen werden. Bereits hierbei zeigen sich weitere Vorzüge der 3D-Drucktechnik. Fallen bei Proto - typen aus Kunststoff oder Karbon (CFK) sofort Kosten für Formen und Werkzeuge an, so kann bei 3D-Druck-Verfahren unmittelbar mit der Herstellung der Teile begonnen werden. Für Auslegung und Testläufe der Prototypen stehen umfangreiche Analyse-Tools in Theorie und Praxis zur Verfügung. Moderne Auslegungsprogramme und FEM-Analysen ergänzen das in vielen Jahren gewachsene Fachwissen über Lagersysteme. Dadurch können bereits in der Entwicklungsphase die richtigen Parameter gesetzt werden. „Durch den 3D-Druck ergeben sich völlig neue Möglichkeiten bei der Konstruktion.“ Verifizierung der Ergebnisse im Testlabor Erstmuster und Prototypen durchlaufen dann später die Einrichtungen des Testlabors, wie beispielsweise Shaker, Klimakammern und Einlaufstände, um den Einsatz in der realen Anwendung zu simulieren. Es wurden Shakertests zur Ermittlung der Resonanzfrequenzen und somit zum Vergleich der Steifigkeiten von konventionell gefertigten Aluminium-Drehverbindungen durchgeführt, hierbei konnte festgestellt werden, dass die Steifigkeiten der additiv gefertigten Drehverbindungen identisch waren. Einsatz eines Leichtbaulagers in Rettungshelikopter Konstrukteure von Komponenten für die Luftfahrt nutzen jede Gelegenheit zur Gewichtseinsparung. Nirgendwo sonst hat jedes Gramm Gewicht derart unmittelbare Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Fluggerätes sowie auf die Treibstoffkosten. Ein erster Einsatzfall für ein Drahtwälzlager mit umschließenden Teilen aus dem 3D-Drucker ist die Lagerung einer Patientenliege in einem Rettungshelikopter. Die Liege sollte schwenkbar gelagert werden, um das Ein- und Ausladen des Patienten zu erleichtern. Hier punktet 28 K|E|M Konstruktion 12 2017
TITELSTORY MASCHINENELEMENTE Bild: Franke 3D-Schnittbild Leichtbaulager: Wabenstrukturen im Inneren der Gehäuseteile machen diese extrem leicht – ohne dabei Kompromisse bei der Belastbarkeit eingehen zu müssen Bild: Franke Bild: Franke Gewichtsvergleich einer vergleichbaren Drehverbindung aus unterschiedlichen Werkstoffen und Produktionsverfahren Auf dem Shaker lassen sich Belastungsverhältnisse simulieren, wie sie beispielsweise in der Luftfahrt auftreten das Speziallager durch extrem geringes Gewicht und durch seine Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen und Vibrationen. Die technischen Anforderungen an das Lager sind hoch: • Die Liege wird von Hand geschwenkt, sie muss sich daher leicht und gleichmäßig drehen lassen • Gewicht der gesamten Einheit: 46 kg, Gewicht der Dreh - verbindung sollte bei maximal 800 g liegen • Das Lager muss belastbar sein, d. h. es muss Stöße, Vibrationen und die großen Schwankungen der Umgebungstemperatur im Verlauf eines Fluges verkraften Eine Drehverbindung aus Aluminium kam nicht infrage. Sie liegt in der benötigten Größe bei rund 1250 g Gewicht und war damit für diesen Einsatzfall zu schwer. Daraufhin wurde dem Anwender ein Musterlager aus dem 3D-Drucker vorgestellt. Berechnungen hatten ergeben, dass ein 3D-gedrucktes Lager lediglich 700 g auf die Waage bringen würde. Der Kunde willigte ein, einen Prototypen zu testen und die Franke-Entwicklungsabteilung machte sich an die Arbeit. Zusammen mit einem auf 3D-Druck spezialisierten Unternehmen wurde die Geometrie des Lagers entworfen und der Druck realisiert. Nach Fertigstellung der Konstruktion und Übermittlung der Daten waren die Teile schon drei Tage später im Haus und konnten mit einem passenden Drahtwälzlager ausgestattet werden. Umfang - reiche Tests im Franke-Labor bestätigten die Erwartungen. Trotz des geringen Gewichts weist die Drehverbindung aus 3D-Druck die gleiche Belastbarkeit auf wie eine herkömmliche Drehverbindung aus Aluminium. Weitere Anwendungen finden sich überall, wo es auf geringes Gewicht ankommt oder die Antriebsenergie reduziert werden soll. Zielbranchen sind daher Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugbau oder die Medizintechnik. Auch MRK-Roboter, die klein und leicht den Menschen Aufgaben abnehmen, können von 3D-gedruckten Leichtbaulagern profitieren. bec www.franke-gmbh.de Detaillierte Informationen zu den Leichtbaulagern: http://hier.pro/RVVYF K|E|M Konstruktion 12 2017 29
