Wie der Prototyp zum Endprodukt wurde - einbaufertige Kugellager aus dem 3D-Drucker

• Was wurde benötigt: Gleitlager für die Lenkung im 3D-gedruckten Fahrzeug
• Herstellungsverfahren: Filamentextrusion (FDM)
• Anforderungen: wenig Spiel, hohe Festigkeit, hohe Abriebfestigkeit
• Material: iglidur i150
• Branche: Automobilbranche
• Erfolg durch die Zusammenarbeit: gute Oberflächenqualität, schnellere Fertigung durch werkzeuglosen 3D-Druck, mehr Zeit für die Entwicklung, wenig bis kein Spiel der Lager

Die Anwendung auf einen Blick:
Das Unternehmen Scaled 3D aus Großbritannien hat in seinem Projekt „Chameleon“ ein vierrädriges Fahrzeug entwickelt, das ausschließlich aus 3D-gedruckten Bauteilen besteht. Beim Testen des Fahrzeugs fiel das Design der Lenkung negativ auf. Die Lenklager hatten zu viel Spiel und einen hohen Verschleiß. Damit die Anwendung weiterhin vollständig 3D-gedruckt bleiben konnte, machte sich das Unternehmen auf die Suche nach verschleißfestem und zähem Material, das besser geeignet für die Lagerstellen ist. Nach verschiedenen Tests im Klein- und Großformat mit dem tribofilament iglidur i150 entwarf das Entwicklungsteam schließlich ein fünfteiliges Gleitlager, das sehr wenig Spiel hatte und durch die tribologischen Eigenschaften des Materials deutlich abriebfester war als die Lager aus herkömmlichem Kunststoff. Damit konnte die Bedingung, dass das Lager weiterhin aus dem 3D-Drucker kommen sollte, erfüllt werden.

Das Lenksystem des 3D-gedruckten Fahrzeugs wies ein zu hohes Spiel auf und wurde schnell unpräzise. Außerdem lief es Gefahr schnell zu verschleißen. Es mussten also Lenklager her, die zwar deutlich geringeres Spiel hatten, aber in die bereits existierende Form des restlichen Fahrzeugs passen würden. Dazu sollte die Tiefe der Gleitlager 20 mm nicht übersteigen. Das untere der beiden Lager musste auch einen geteilten Innenring haben, um die Montage mit der Lenksäule zu ermöglichen, die an jedem Ende zwei Sätze Radialbolzen hat. Die Bauteile sollten zudem eine deutlich höhere Festigkeit aufweisen als die zuvor eingebauten Lager aus Standard PLA.

Mit dem tribologisch optimierten tribofilament iglidur i150-PF fand Scaled 3D das perfekte Material für das Projekt „Chameleon“. Das Filament ist im Großraumdrucker sehr einfach zu verarbeiten und bietet in der Gleitanwendung gute mechanische Eigenschaften was die Festigkeit, Zähigkeit und Schichthaftung betrifft. Letztendlich wurde das Lager in ein fünfteiliges Kugellager umgebaut, das zunächst als Prototyp getestet wurde. Während der Tests war das Spiel im Lager bei außermittiger Belastung während der Rotation sehr gering. Die Tests waren bereits in der Entwicklungsphase sehr aussagekräftig, da die endgültigen Bauteile mit demselben Verfahren hergestellt werden würden.

Das Hauptziel des Projekts „Chameleon“ aus Großbritannien war es, ein Fahrzeug zu entwickeln, das komplett aus dem 3D-Drucker kommt. Der Gedanke dahinter war der Wechsel von Massenfertigung zu schneller, kundenindividueller Fertigung. Gleichzeitig sollte mit der werkzeuglosen, additiven Fertigung die Verwendung von recyceltem Material ermöglicht werden. Laut Scaled 3D soll es in Zukunft möglich sein, bei 3D-gedruckten Fahrzeugen und Strukturen zu 100% recyceltes Material zu benutzen. Bislang ist es dem Chameleon-Team im ersten Prototyp von 2020 gelungen, mit 30% recyceltes Material zu arbeiten. Insbesondere der Aspekt der Geschwindigkeit von 3D-gedruckten Bauteilen kommt diesem Projekt zu Gute: Mit maximal 83 Minuten Druckzeit bei einem großen Bauteil von 1,375 kg konnten diese Teile am selben Tag gezeichnet, gedruckt und getestet werden. Die enorme Geschwindigkeit im Vergleich zu Verfahren mit Werkzeugen wie Fräsen oder Spritzguss hatte einen sehr positiven Einfluss auf die Entwicklungsfreiheit des Fahrzeugs, die durch die Konstruktionsfreiheit in der Geometrie der Teile unterstützt wurde.

Um einen Überblick über die tribologischen Eigenschaften des tribofilaments iglidur i150 zu bekommen, testete das Unternehmen die Bauteile erst im kleinen Format. Gedruckt wurden zunächst verschachtelte Zylinder, deren unbehandelte Oberfläche bereits eine sehr gute Qualität im Vergleich zu anderen Materialien aufwies. Anschließend wurden Teile im Großformat gedruckt, die letztlich auch mit ihrer guten Oberflächenqualität überzeugen konnten. Das auszutauschende Kugellager wurde dann mit iglidur i150 nachgedruckt. Dabei erwiesen sich die I150-Laufringe und der Kugellagerkäfig als sehr geeignete Laufpartner für einen reibungsarmen Betrieb. Am Ende entstand ein fünfteiliges Kugellager.

Während der Tests der Kugellager aus iglidur i150 war das Spiel im Lager bei außermittiger Belastung während der Rotation sehr gering. Daraufhin wurde ein Doppellager-System entwickelt, das in das Chameleon Lenksystem passen würde. Laut Scaled 3D ist die Druckqualität der Lager aus iglidur i150 vergleichbar mit der von ASA und deutlich besser als herkömmliches PLA. Trotz einer Schichthöhe von 1 mm war die Oberflächenbeschaffenheit sehr gut. Neben der guten Qualität der Bauteile ist das Unternehmen auch von der einfachen Montage der Teile überzeugt. Das tribofilament ist sowohl für kleine Anwendungen als auch für Projekte mit dem Großraumdrucker geeignet. Es hat gute mechanische Eigenschaften und ist somit für die meisten Anwendungen und 3D-Drucker geeignet. Außerdem ist iglidur i150 lebensmittelkonform nach der EU-Verordnung 10/2011 und eignet sich zusätzlich für Anwendungen in der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie.