3D-Drucker ermöglichen es Unternehmen, neue Produkte schneller, effizienter und kostengünstiger zu entwickeln. (Bild: Kühling&Kühling)
3D-Drucker sind die Technik um recht schnell dreidimensionale Werkstücke zu produzieren und sind seit Jahren ein etabliertes Verfahren zum Entwickeln von Prototypen und zu Produktion von Kleinserien für industrielle Großunternehmen. Immer mehr wird das Herstellverfahren nun aber zum zentralen Bestandteil der industriellen Prozesskette. Sie eröffnet Architekten eine inspirierende Spielwiese für den Modellbau, sorgt beispielsweise in der Medizintechnik dafür, dass sich komplizierte Strukturen effektiv herstellen lassen und ermöglicht Unternehmen wirtschaftliche Mittelserien von mehreren 100 Komponenten pro Jahr. Und so verschieben die Druckerhersteller die Grenzen für Anwendungsbereiche, Materialien, Kosten und Produktivität zunehmend in nutzerfreundliche Dimensionen.
Anlagenentwickler treiben den 3D-Druck voran
Zu ihnen gehört seit 2012 auch das Unternehmen Kühling & Kühling mit Sitz in Kiel. Die beiden Gründer, die Mechatroniker Jonas und Simon Kühling, konzentrieren sich auf Open Source-Hardware-Entwicklung und -Produktion im Bereich der 3D-Drucker. Nach eineinhalbjähriger Entwicklungszeit läuft seit Ende 2013 das erste Produkt, der Reprap Industrial, in Serie. Er ist eine kostengünstige Lösung für zuverlässiges sowie qualitatives Rapid Prototyping, speziell im beanspruchten Dauergebrauch, betonen die beiden Firmengründer. Die Anlage wird konstant weiterentwickelt und hat gerade mit der Version V1.1.0 ein Update sowie diverse Verbesserungen erhalten. Es lassen sich Materialien verarbeiten, die spezifische Grundspezifikationen erfüllen, wobei sich dies von hochfesten Thermoplasten, über fasergefüllte Kunststoffe bis hin zu gummi-elastischen Materialien erstreckt.
Drucker, die für den heimischen Einsatz oder Modellbau zur Verfügung stehen, ermöglichen nur den Einsatz einer eingeschränkten Palette an Druckmaterialien. Überwiegend wird hier ein sogenannter Bio-Kunststoff verwendet, der auf Mais basiert und den technischen Anforderungen im industriellen Einsatz in der Regel nicht standhält. Denn dieser Kunststoff versagt bereits bei Temperaturen über 45 °C seinen Dienst, wobei die Temperaturgrenzen in der Industrie deutlich höher liegen.
Während der Vertrieb für die 3D-Drucker weltweit ausgerichtet ist, erfolgen Fertigung und Einkauf, soweit es geht, lokal in Deutschland – zumal die eingesetzten Komponenten die Qualität des fertigen Endprodukts direkt beeinflussen. Im Bereich der Linearführungs-Komponenten war Igus, Köln, von Beginn an dabei. Simon Kühling erinnert sich an die Suche des passenden Lieferanten: „Zu Beginn der Anlagenentwicklung dachten wir zuerst an klassische Kugellager. Diese haben aber mehrere Nachteile. Zum einen sind sie mit einem Stückpreis von etwa 12 EUR zu teuer, zum anderen ist hier bei einer Betriebstemperatur von 65 °C Schluss. Dann fangen die Dichtungen an zu versagen, und die Schmierung trägt sich aus.“ So führte der Weg zu Lineargleitlagern mit Gleitflächen aus Kunststoff. „Aus Kostengründen haben wir zuerst asiatische Produkte geprüft“, so Simon Kühling. „Diese erfüllen aber in keiner Weise unsere Anforderungen, ganz zu schweigen von einer schnellen und langfristig gesicherten Lieferfähigkeit.“ Die Linear- und Antriebstechnik Drylin von Igus bietet den Konstrukteuren von 3D-Druckern diverse Komponenten die komplett schmierfrei sind und in 24 Stunden und ab Stückzahl 1 lieferbar. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von Lineargleitlagern aus Hochleistungskunststoffen liegt im geräuscharmen Lauf, es entsteht kein mechanisches Abrollgeräusch wie bei Metall- oder Keramikkugeln.
Bei der Auswahl der passenden Linearführungskomponeten bestand ein ständiger Dialog mit dem Anwender um Grenzen und Möglichkeiten einzelner Produkte und eventuelle Neuentwicklungen zu identifizieren.
Im 3D-Drucker Reprap Industrial kommen insgesamt zwölf Lagerprodukte zum Einsatz: Stahlwellen und Linearführungsadapter mit Gleitfolien aus Iglidur Hochleistungskunststoffen zur Führung der jeweiligen Achsen sowie Steilgewindetriebe und Kunststoff-Gewindemuttern als Achsenantrieb. Die Lineargleitlager sind baugleich mit Kugel-Umlaufbuchsen, wirtschaftlich und einfach zu montieren. Darüber hinaus dämpfen sie Schwingungen. Dies ist umso wichtiger, da beim 3D-Druck zwar keine großen Kräfte wirken wohl aber schnelle Beschleunigungen entstehen. Dafür muss die Achse leicht sein.
Auch werden im 3D-Drucker Komponenten aus dem zweiten großen Geschäftsbereich von Igus, den Kunststoffenergieketten, verbaut. Die eingesetzten Ketten der E2 Micro-Familie haben eine platzsparende Bauweise, ein geringes Gewicht und besonders ruhige Abrollbewegungen. Die glatten Konturen der Kunststoff-Energiekette schonen außerdem die eingelegten Leitungen.
Wirtschaftlich und einfach zu montieren
Bei der Auswahl der passenden Komponenten arbeitete das Kieler Unternehmen mit dem Kölner Antriebsspezialisten zusammen. Für Jonas Kühling war die Beratungsleistung ein wichtiges Kriterium bei der Lieferantenauswahl: „Über den Online-Katalog haben wir bereits einen guten Überblick über das Sortiment und die für uns passenden Produkte erhalten. Um aber aus der Masse der Möglichkeiten das richtige auszusuchen, hat uns die persönliche Beratung sehr weitergeholfen.“ Darüber hinaus bestand ein ständiger Austausch über Grenzen und Möglichkeiten einzelner Komponenten und eventuelle Neuentwicklungen. Letzteres galt zum Beispiel im Bereich der Gleitfolien. Die Gleitfolie Iglidur E7 wurde speziell für Linearbewegungen entwickelt. Deren Stärke ist insbesondere die hohe Lebensdauer und die geringe Verschleißrate, auf Wellen aus Stahl, verchromtem Stahl und allen Sorten Edelstahl. Die Einsatztemperatur liegt bei -30 bis + 80°C. Angeboten wird die Gleitfolie für die Durchmesser 10 bis 50 mm.
Über die Anwendung im 3D-Drucker hinaus lassen sich bei Drylin-Lineargleitlagern durch die großflächige Lastverteilung im Vergleich zur Kugelbuchse auch weiche Wellenwerkstoffe einsetzen. So bieten hartbeschichtete Aluminiumwellen die besten Reib- und Verschleißwerte, Kohlefaserwellen das geringste Gewicht und VA-Edelstahlwellen eine hohe Chemikalienbeständigkeit. Auch ein Aneinanderreihen von Linearführungen ist jederzeit möglich. Dazu ist es lediglich notwendig, die Führungsschienen leicht anzufasen, auszurichten und einfach hintereinander zu setzen. Das Gleitelement überfährt die beim Stoßen entstandene Nut problemlos. So lassen sich Hublängen von mehr als 20 Metern realisieren. Werksseitig eindeutige markierte Stoßstellen erleichtern die Montage.
Die Gleitfolie wurde speziell für Linearbewegungen entwickelt, weist eine geringe Verschleißrate auf und kann unkompliziert eingebaut werden.
Die entfallenden rollenden Körper und Kugeln machen Lineargleitlager unabhängig von der Massenträgheit dieser Körper und ermöglichen hohe Geschwindigkeiten bis 10 m/s und Beschleunigungen bis zu 100g. Die Konstruktionselemente eignen sich somit für Anwendungen mit geringen Lasten, deren Taktzahlen erhöht werden sollen. Hartbeschichtetes Aluminium als Reibpartner senkt durch dessen gute Wärmeleitfähigkeit die Betriebstemperatur in der Lagerstelle. Damit kann man auch bei kurzen Hubwegen mit einer hohen Frequenz arbeiten. Die zulässige mittlere Gleitgeschwindigkeit ergibt sich aus der Belastung der Lager.
