Tech Up, Cost Down - Mit 3D-Druck und print2mold zu günstigeren Stückkosten und höherer Lebensdauer von Gleitlagern

• Was wurde benötigt: Gleitlager mit besonderer Geometrie
• Herstellungsverfahren: selektives Lasersintern & print2mold
• Anforderungen: gute Gleiteigenschaften mit dem Gegenlaufpartner Aluminium, hohe Abriebfestigkeit bei hohen Geschwindigkeiten, komplexe Geometrie
• Material: iglidur i3 (SLS) & iglidur J2 (p2m)
• Branche: Mülltrennungsanlagen
• Erfolg durch die Zusammenarbeit: hohe Lebensdauer bei starker Belastung, deutlich reduzierte Stückkosten, hohe Konstruktionsfreiheit

Die Anwendung auf einen Blick:
Die finnische Firma ZenRobotics stellt industrielle, KI-gesteuerte Mülltrennungsanlagen her, die weltweit für eine automatische, qualitativ hochwertige, schnelle und sichere Mülltrennung sorgen. Je nach Umgebung sind die Bedingungen für die Anlagen sehr rau – Staub und weitere interessante Überraschungen im Müll stehen an der Tagesordnung. Trotz dieser Umstände müssen die Anlagen schnell und zuverlässig Müll trennen können. Für die neue Anlage „FastPicker“ wurden Gleitlager gesucht, die den hohen Verdrehkräften standhalten, die bei der axialen Beschleunigung entstehen. Dabei sind die Entwickler:innen auf 3D-gedruckte Gleitlager gekommen, die auf Aluminiumachsen mit gerilltem Profil gesetzt werden, um so eine Rotation zu vermeiden. Dabei halten die Gleitlager lineare Geschwindigkeiten von 3m/s mit radialen und axialen Beschleunigungen stand. Dank der großen Konstruktionsfreiheit im 3D-Druck war es möglich, die Geometrie der Gleitlager an die gerillte Aluminiumachse anzupassen. Im nächsten Schritt wurde im sogenannten Rapid Tooling Spritzgusswerkzeug additiv gefertigt, um die Materialvielfalt des Spritzgusses nutzen zu können.

In der Testphase einer neuen Anlage für Mülltrennung „FastPicker“ der Firma ZenRobotics aus Finnland wurde schnell klar, dass klassische Gleitlager den Verdrehkräften bei axialer Beschleunigung nicht standhalten, wenn sich der Massenmittelpunkt nicht im Zentrum der sich bewegenden Achse befindet. Die Rotation sollte anfangs von Stopper-Elementen aufgehalten werden. Diese fielen aber durch die starke Belastung schnell aus. Neben den Stopper-Elementen waren zuerst Standard-Gleitlager aus dem igus Sortiment im Einsatz, die der radialen und axialen Beschleunigung standhalten sollten.

Zum Einsatz kamen letztendlich igus Gleitlager mit einer speziellen Geometrie. Diese wurden zunächst aus dem Hochleistungskunststoff iglidur i3 im SLS-Verfahren hergestellt, um auf die gerillte Aluminiumachse zu passen und so die Rotation aufzuhalten. Anschließend stieg das Unternehmen auf Rapid Tooling um, um die Materialvielfalt des Spritzgussverfahrens nutzen zu können. Beim Rapid Tooling oder print2mold Verfahren kann außerdem eine Kostenreduktion von bis zu 80% erreicht werden. Das Werkzeug für den Spritzguss kann innerhalb von wenigen Tagen hergestellt werden und ist sofort einsatzbereit. Außerdem bot sich dieses Verfahren durch die Konstruktionsfreiheit im 3D-Druck für die spezielle Geometrie der Gleitlager an.

Eins haben 3D-Druck und print2mold gemeinsam: Sie rentieren sich ab einer geringen Stückzahl. Die Herstellung von Bauteilen mit maschinell hergestelltem Spritzgusswerkzeug lohnt sich preislich erst ab einer Stückzahl von mehr als 10.000 Bauteilen. Gerade der 3D-Druck kann in der Testphase von Anwendungen mit der hohen Herstellungsgeschwindigkeit und sofortigen Einsatzbereitschaft überzeugen. Je nach Bauteil ist dieses in 1 bis 3 Tagen versandfertig und kann einfach im online 3D-Druck-Service bestellt werden. Auch ZenRobotics nutzte für einen ersten Prototypen 3D-gedruckte Gleitlager für die Aluminiumachse mit gerilltem Profil. Anschließend wählte das Unternehmen das print2mold Verfahren, bei dem das Spritzgusswerkzeug per 3D-Druck hergestellt wird. Ausschlaggebend war die Materialvielfalt und die geringen Stückkosten, die mit dem Spritzguss einhergehen. Die endgültigen Gleitlager wurden aus iglidur J2 gefertigt. In diesem Fall kostete das print2mold Bauteil mit ca. 5€/Stück nur noch ein Zehntel des SLS-Bauteils (ca. 49€/Stück) und ab 100 Stück hatte sich auch das Werkzeug rentiert. Der robuste Kunststoff hat gute mechanische Eigenschaften, ist kostengünstig und hat eine gute Medienbeständigkeit. Darüber hinaus machen die integrierten Festschmierstoffe eine externe Schmierung der Gleitlager überflüssig.

Wenn es auf Geschwindigkeit ankommt, ist die Herstellung von Spritzgusswerkzeug im 3D-Druck die richtige Lösung. Der Druck dauert je nach Geometrie ca. 12-24h und das Werkzeug ist danach direkt einsatzbereit. Das print2mold oder auch Rapid Tooling genannte Verfahren ermöglicht so eine kostengünstige Fertigung von seriennahen Prototypen und Kleinserien. Gerade in Stückzahlbereichen von 1 bis 10.000 rentiert sich dieses Verfahren im Vergleich zu maschinell hergestelltem Spritzgusswerkzeug. Verschleißteile können dadurch mit einem Kostenvorteil von bis zu 80% gefertigt werden. Dabei ist die Qualität der print2mold Spritzgussteile dieselbe wie beim herkömmlichen Spritzgussverfahren. Entwicklungsprozesse können dank des print2mold Verfahrens deutlich beschleunigt werden und auch die Materialvielfalt, die es beim regulären Spritzguss gibt, bleibt erhalten.