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Dünnringlager

3D-gedruckte Leichtbaulager für die Luftfahrt

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

In Rettungshelikoptern zählt jedes Gramm, das die Konstrukteure und Ausstatter einsparen können. Leichtbaulager von Franke können daher bei der Drehlagerung einer Patientenliege punkten.

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Die Patientenliege im Rettungshelikopter wird von Hand geschwenkt und muss sich daher leicht und gleichmäßig drehen lassen. Das Gesamtgewicht liegt bei 46 kg – die Drehverbindung darf maximal 800 g wiegen.
Die Patientenliege im Rettungshelikopter wird von Hand geschwenkt und muss sich daher leicht und gleichmäßig drehen lassen. Das Gesamtgewicht liegt bei 46 kg – die Drehverbindung darf maximal 800 g wiegen.
(Bild: Franke)

Konstrukteure von Komponenten für die Luftfahrt nutzen jede Gelegenheit, um Gewicht einsparen zu können. Denn nirgendwo sonst hat jedes Gramm Gewicht derart unmittelbare Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Fluggerätes sowie auf die Treibstoffkosten. Deshalb kommt es auf jede noch so kleine Komponente an, die im und am Fluggerät verbaut ist.

Die Drahtwälzlager von Franke können hier ihre Vorteile ausspielen. Diese fertigt der Hersteller aus gehärtetem Stahl. So sorgen sie in nahezu jedem umschließenden Material für die erforderliche Steifigkeit und Präzision des Lagers. Das Drahtwälzlager trägt die Hauptlast und nimmt Kräfte aus allen Richtungen auf. Es stehen zahlreiche Möglichkeiten in Bezug auf Drahtprofil, Anschliff, Kugeldurchmesser und Material zur Verfügung, um das Lager auf den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen.

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3D-Druck ermöglicht freie Gestaltung

Die umschließende Konstruktion, in die das Drahtwälzlager integriert wird, kann dadurch sehr frei gestaltet werden. So bietet Franke Gehäuse in sehr leichten Materialien wie Aluminium, Kunststoff und Karbon an. Zusammen mit dem kleinen Einbauraum der Drahtwälzlager ergeben sich kompakte und leichtgewichtige Bauteile.

Allerdings sind bei der Festlegung der Teilegeometrie oftmals Grenzen gesetzt. Nicht alles, was auf dem CAD-Bildschirm gut aussieht, kann auch realisiert werden. Denn es gibt sowohl fertigungstechnische Beschränkungen, beispielsweise bei der spanabhebenden Produktion, als auch ökonomische Restriktionen insbesondere beim Formenbau für CFK-Rohlinge.

Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel. Er ermöglicht Konstruktionen, deren Form und innerer Aufbau frei gestaltet werden können. Der schichtweise Aufbau der Teile ermöglicht komplexe und sehr filigrane Wabenstrukturen, die das Bauteil leicht und stabil machen.

Keine Werkzeuge oder Formen nötig

Ein weiterer Vorteil der Technologie ist die schnelle Verfügbarkeit. Eine CAD-Datei reicht aus, um den Drucker in Aktion zu setzen. Kurz darauf sind die Teile zur weiteren Verarbeitung verfügbar. Es werden keinerlei Werkzeuge oder Formen benötigt. Dies zeichnet das Fertigungsverfahren auch bei der Prototypenherstellung aus. Für Prototypen aus Kunststoff und Karbon (CFK) fallen sofort Kosten für Formen und Werkzeuge an, während beim 3D-Druck-Verfahren unmittelbar mit der Herstellung der Teile begonnen werden kann.

Tipp: Anwendertreff Leichtbau Auf dem Anwendertreff Leichtbau, der vom 4. bis 5. Dezember 2018 in Würzburg stattfindet, können sich Teilnehmer über den Material-, Struktur- und Fertigungsleichtbau informieren. Im Mittelpunkt dieses Jahr steht unter anderem die Topologieoptimierung, die Additive Fertigung und Verbundwerkstoffe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Leichtbau

Ein potenzieller Einsatzfall für ein Drahtwälzlager mit umschließenden Teilen aus dem 3D-Drucker kam für Franke dann tatsächlich aus der Luftfahrt. Die Ausstatter eines Rettungshelikopters suchten nach einer Lagerung für die Patientenliege im Inneren des Hubschraubers. Die Liege sollte schwenkbar gelagert werden, um das Ein- und Ausladen des Patienten zu erleichtern. Hier punktet das Speziallager durch sein geringes Gewicht und durch seine Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen und Vibrationen.

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Potenzial des 3D-Drucks

Beim 3D-Druck werden Objekte schichtweise aus einzelnen Partikeln aufgebaut, wodurch sich neue Möglichkeiten der Konstruktion ergeben. Wandstärken können verändert und an jeweilige Anwendungen angepasst werden; die Beschaffenheit des Materials lässt sich innerhalb eines Werkstückes variieren. Vor allem aber macht die Wabenstruktur im Inneren der Werkstücke diese leicht, ohne Kompromisse bei der Belastbarkeit eingehen zu müssen.

Ergibt die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die umschließende Konstruktion bei vergleichbarem Lagerdurchmessern bereits signifikante Gewichtseinsparungen, 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 bei der Verwendung von Kunststoff gegenüber einem herkömmlichen Stahllager bei ca. 70 %; ein 3D-gedrucktes Leichtbaulager erreicht fast 90 % weniger Gewicht.

Die technischen Anforderungen an das Lager sind hoch:

  • Die Liege wird von Hand geschwenkt, muss sich daher leicht und gleichmäßig drehen lassen.
  • Gewicht der gesamten Einheit: 46 kg, Gewicht der Drehverbindung sollte bei max. 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.
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Leichte Drehverbindung für Helikopter

Eine Drehverbindung aus Aluminium kam nicht in Frage. Sie liegt in der benötigten Größe bei rund 1250 g Gewicht und war damit für diesen Einsatzfall zu schwer. Daraufhin wurde dem Kunden 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 drei Tage später im Haus und konnten mit einem passenden Drahtwälzlager ausgestattet werden. Umfangreiche 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.

Noch leichtere Lager dank Topologieoptimierungssoftware

Mittels modernen Auslegungsprogrammen und FEM-Analysen können die Franke-Experten mittlerweile bereits während der Entwicklungsphase die richtigen Parameter setzen. Mit einer Topologieoptimierungssoftware kann beispielsweise das Gewicht wiederholt reduziert und dabei die Steifigkeit der Bauteile betrachtet werden. Unter realen Belastungsbedigungen können auftretende Spannungen und Verschiebungen verglichen und die Stützstruktur optimiert werden. Franke hat so das Gewicht des 3D-gedruckten Lagers nochmals um 10 % verringern und die Steifigkeit um 70 % steigern können.

Neben der Luft- und Raumfahrt gibt es zahlreiche Anwendungen, bei denen die 3D-Druck-Leichtbaulager von Franke Anwendung finden können. Und zwar überall dort, wo es auf geringes Gewicht ankommt oder die Antriebsenergie reduziert werden soll. Zielbranchen sind der Fahrzeugbau oder die Medizintechnik. Auch MRK-Roboter, die klein und leicht den Menschen Aufgaben abnehmen, können von 3D-gedruckten Lagern profitieren. (sh)

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