• Aufbau Drahtwälzlager, Bild: Franke

    Der Trick ist das integrierte Drahtwälzlager: Das Leichtbaulager mit Gehäuseteilen aus dem 3D-Drucker bietet konsistent gleichmäßige Laufflächen ohne aufwendige Nachbearbeitung der additiv gefertigten Elemente. Bild: Franke

  • Zeichnung Lageraufbau, Bild: Franke

    Drahtwälzlager werden aus gehärtetem Stahl gefertigt und sorgen in nahezu jedem umschließenden Material für die erforderliche Steifigkeit und Präzision des Lagers. Das integrierte Drahtwälzlager trägt die Hauptlast und nimmt Kräfte aus allen Richtungen auf. Bild: Franke

  • Lager im Drucker, Bild: Franke

    Hier befinden sich die Lager gerade im Druck. Schicht für Schicht entstehen sie im Metallpulverbett. Bild: Franke

  • Shaker, Bild: Franke

    Probe aufs Exempel: Auf einem sogenannten Shaker lassen sich Belastungsverhältnisse simulieren, wie sie in realen Anwendungen, beispielsweise in der Luftfahrt, auftreten. Bild: Franke

  • Neues Werk von Franke, Bild: Franke

    Mit der Einweihung der neuen Produktionshalle, dem Werk 5, öffnet der Aalener Wälzlagerhersteller Franke ein neues Kapitel in seiner Firmengeschichte. Die Produktion im neuen Werk ist bereits in Betrieb. Vor allem die sehr kundenindividuell gefertigten Großlager werden hier montiert. Bild: Franke

Leichtbau bedeutet, leichte Werkstoffe zu verwenden und überall dort Material wegzulassen, wo es nicht gebraucht wird. Das Funktionsprinzip der Drahtwälzlager von Franke bietet die Möglichkeit, genau das zu tun, ohne die Qualität der Laufflächen des Lagers einzuschränken. Drahtwälzlager werden aus gehärtetem Stahl gefertigt und sorgen in nahezu jedem umschließenden Material für die erforderliche Steifigkeit und Präzision des Lagers. Das integrierte Drahtwälzlager trägt die Hauptlast und nimmt Kräfte aus allen Richtungen auf. Um sie den Anforderungen des Einsatzfalles anzupassen, stehen zahlreiche Möglichkeiten in Bezug auf Drahtprofil, Anschliff, Kugeldurchmesser und Material zur Verfügung.

Durch die Verwendung leichter Materialen um die Drahtlauffläche herum ermöglichen Leichtbaulager substanzielle Gewichts-, Energie- und Platzeinsparungen bei zu massiven Lagern vergleichbarer Steifigkeit und hoher Präzision über die gesamte Lebensdauer. Dabei können auch Werkstoffe wie hochfester Kunststoff oder Karbon zum Einsatz kommen.

Allerdings stößt man bei der Festlegung der Teilegeometrie oftmals an Grenzen: Nicht alles, was auf dem CAD-Bildschirm gut aussieht, kann auch realisiert werden. Fertigungstechnische Beschränkungen bei der spanabhebenden Produktion fallen ebenso ins Gewicht wie ökonomische Restriktionen – insbesondere beim Formenbau für CFK-Rohlinge.

Der 3D-Druck mischt die Karten neu

Um diese Fesseln zu sprengen, haben die Techniker bei Franke einen neuen Lagertypus entworfen: gedruckte Lager. „Wir entwickeln neue Produkte nicht nur auf Kundenanfrage,“ erklärt Geschäftsführer Sascha Eberhard. „Natürlich haben wir eine Vielzahl von interessanten Kundenprojekten, über die ich hier nicht im Detail reden kann. Wir entwickeln aber auch immer wieder in eigener Initiative, etwa aus Marketingimpulsen, die wir über unseren Vertrieb erhalten. Unser derzeit innovativstes Projekt in diesem Bereich ist das Lager aus dem 3D-Druck.“

Drahtwälzlager, Bild: Franke
Das Unternehmen bezeichnet es als seine derzeit innovativste Entwicklung: Lager aus dem 3D-Drucker. Bild: Franke

Additive Fertigungsverfahren, gemeinhin 3D-Druck genannt, bedeuten eine Umkehr herkömmlicher Herstellungsmethoden, die in der Regel mit der Abtragung von Material einhergehen. Durch den schichtweisen Aufbau der Teile ergeben sich neue Möglichkeiten wie innere Wabenstrukturen, veränderliche Wandstärken und sogar ein Mix in der Beschaffenheit des Materials. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist die schnelle Verfügbarkeit. Eine entsprechende CAD-Datei reicht aus, um den Drucker in Aktion zu setzen. Kurz darauf sind die benötigten Teile zur weiteren Verarbeitung verfügbar. Wird die Druckerkammer effizient ausgenutzt, können sogar sehr viele Teile in einem Druckgang gefertigt werden, sodass der Preis des gefertigten Lagers in einem angenehmen Rahmen bleibt.

Die Vorteile derartiger Lager liegen auf der Hand: Es ist möglich, ein äußerst geringes Gewicht bei einer kompakten Bauform in kundenspezifischem Design zu erreichen. Gegenwärtig sind Lagerdurchmesser von 80 bis 300 Millimeter erhältlich, größere Durchmesser sind auf Anfrage auch in Losgröße 1 möglich. Die Belastbarkeit der Konstrution ist durch das integrierte Drahtwälzlager gewährleistet.

Deutliche Gewichtseinsparung – auch in der Praxis

Diagramm Leichtbau, Bild: Franke
Das in additiver Fertigung hergestellte Lager ist dank intelligenter Konstruktion sogar leichter als ein Modell in Kohlefaserbauweise. Zudem sind keine spezifischen Formen oder Werkzeuge nötig, was vor allem bei Prototypen und Kleinserien interessant ist. Bild: Franke

Die Gewichtsersparnis von 3D-gedruckten Drehverbindungen gegenüber Wälzlagern herkömmlicher Bauart ist eklatant. Bei gleichem Lagerdurchmesser und dem Einbau eines vergleichbaren Drahtwälzlagers in die Gehäuseringe liegt die Gewichtseinsparung gegenüber einem herkömmlichen Stahllager bei fast 90 Prozent.

Allerdings: Was in der Theorie vielversprechend klingt, muss in der Praxis erst einmal verifiziert werden. Hierzu wurden bei Franke Protoypen angefertigt, die dann umfangreichen Tests unterzogen wurden. Bereits hier zeigten sich weitere Vorzüge der 3D-Drucktechnik: Fallen bei Prototypen aus Kunststoff oder CFK sofort Kosten für Formen und Werkzeuge an, so können beim 3D-Druck kostengünstig unterschiedliche Varianten erprobt 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.

Erstmuster und Prototypen durchlaufen dann später unterschiedliche Einrichtungen des Testlabors, wie beispielsweise Shaker, Klimakammern und Einlaufstände, um den Einsatz in der realen Anwendung zu simulieren. Beispielsweise wurden Shakertests zur Ermittlung der Resonanzfrequenzen und somit zum Vergleich der Steifigkeiten von konventionell gefertigten Aluminium-Drehverbindungen durchgeführt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Steifigkeiten der additiv gefertigten Lager mit den gedrehten identisch waren.

So werden die Lager gedruckt (Quelle: Franke)