3D-Druck, Bild: Franke

3D-Druck ermöglicht die Realisierung filigranster Strukturen, die durch spanabhebende Prozesse nicht realisierbar wären. Bild: Franke

In der optimalen Kombination oder Abstimmung aller interagierenden Variablen steckt nach wie vor viel Raum für Innovationen. Je besser man das Lager als tribologisches Gesamtsystem begreift, desto eher kann man das dynamische Zusammenspiel aller Komponenten für eine definierte Anwendung optimieren“, konstatiert Martin Johannsmann, Vorsitzender der Geschäftsführung von SKF und Director Operations Zylinderrollenlager/Kegelrollenlager. Deshalb forscht SKF unter anderem in seinem Großlager-Prüfzentrum intensiv daran, dass künftige Lagergenerationen bei möglichst geringem Gewicht und minimaler Reibung in ihrer jeweiligen Anwendung ein Maximum an Haltbarkeit erzielen. Neben neuen Materialien und mechanischen, thermo-dynamischen und strömungstechnischen Aspekten sind es auch Fertigungsverfahren, Sensorik und verbesserte Simulationsverfahren, die die Forscher interessieren.

Als Getriebehersteller sieht Flender Optimierungspotenzial speziell in der Reibungsreduzierung bei Wälzlagern, um so die Wärmegrenzleistung von leistungsdichten Getrieben zu erhöhen.

„Als Getriebehersteller sehen wir noch Optimierungspotenzial in der Reibungsreduzierung bei Wälzlagern, um so die Wärmegrenzleistung von leistungsdichten Getrieben zu erhöhen.“

Philipp Leuer, Leiter Produktentwicklung Industriegetriebe bei Flender

Vorteilhafte Verschleißanzeige

„Eine Materialverschleißanzeige an den Wälzlagern würde zudem weitere Vorteile bei der Getriebewartung und der daraus resultierenden Anlagenverfügbarkeit bringen“, erwartet Philipp Leuer, Leiter Produktentwicklung Industriegetriebe bei Flender. Und auch bei Gleitlagern sieht das Unternehmen weiteres Potenzial, zum Beispiel in der Verbesserung der Notlaufeigenschaften durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen.

Gestiegene Anforderungen

SRU-Lagereinheiten, Bild: Findling Wälzlager
Die SRU-Lagereinheiten von Findling Wälzlager sind deutlich wartungsfreundlicher und durch die winkelfehlerausgleichende Dichtungstechnik für raue Betriebsbedingungen in der Zementindustrie und Baumaschinen prädestiniert. Bild: Findling Wälzlager

„Mit immer höherer Technisierung und Automatisierung erhöhen sich auch die Anforderungen an die Lager“, ergänzt Markus Bauer, Geschäftsführer bei Knapp Wälzlagertechnik. Der Markt fordere Wälzlagerlösungen, die sich maßgeschneidert auf die jeweilige Lagersituation anpassen lassen. Aus diesem Grund spezialisiere sich Knapp mit seiner Wälzlagermarke KBT auf anwendungsspezifische Lösungen und sieht große Innovationspotenziale in der Lagerung von Planetengetrieben, die hochdrehende Eingangsdrehzahlen wirkungsgradoptimiert umwandeln. Hierfür hat Knapp KBT-Sondernadelkränze entwickelt, die sich per Plug-and-Play als Baukastensysteme einbauen lassen. Aber auch bei der Lagerung von Pumpen, Landmaschinen, Fahrwerkstechnik und Miniaturgetrieben werden Leistungsdichte durch Leichtbau und Reduzierung von bewegten Massen sowie Temperaturresistenz immer wichtiger.„Funktionsintegration ist vor allem im Leichtbau und in der Automobilindustrie ein aktuelles Thema und auch in den nächsten Jahren wird die Forschung hierzu zahlreiche Anwendungen und Ideen präsentieren“, erklärt Sascha Eberhard, Geschäftsführer bei Franke. Deshalb steht sein Unternehmen als Hersteller kundenspezifischer Speziallager in engem Kontakt mit den Entwicklern und Konstrukteuren seiner Zielbranchen. „In den Gesprächen ist oft zu spüren, dass neue Technologien wie die additive Fertigung von Lagergehäusen zwar interessiert aufgenommen werden, es an der Realisierung aber noch hapert“, so Eberhard. Die additive Fertigung erfordert seiner Ansicht eine ganz andere Form des Engineerings und muss von den Konstrukteuren völlig neu gedacht werden, um das Potenzial der Technologie auszuschöpfen. Und hier fehle vielen Kunden einfach noch die Erfahrung und das Vertrauen in neue Technologien. „Deshalb gehen wir pro-aktiv vor und erstellen Prototypen von 3D-gedruckten Lagergehäusen ebenso wie Drahtwälzlager mit Direktantrieb oder mit Dämpfungselementen zur Geräuschreduzierung“, so Eberhard weiter.

„Die Zusammenarbeit an gemeinsamen Projekten über Collaboration-Werkzeuge funktioniert immer so gut, wie die Menschen diese bedienen und beherrschen.“

Klaus Findling, Geschäftsführer von Findling Wälzlager

Gefragt: kleine Stückzahlen

Auch Igus sieht, dass die Nachfrage nach individuell gefertigten Sonderteilen in kleiner Stückzahl immer mehr ansteigt. Deshalb hat das Unternehmen im letzten Jahr vor allem den 3D-Druck-Bereich stark ausgebaut und besitzt mit 2750 Quadratmetern das derzeit größte deutsche Testlabor im Bereich der Hochleistungskunststoffe. Die Testergebnisse fließen direkt in den online-verfügbaren Lebensdauerrechner ein. Außerdem werden schon jetzt viele Teile kundenspezifisch nicht nur im Spritzguss, sondern auch durch die mechanische Bearbeitung von Halbzeugen oder mittels additiver Fertigung hergestellt. Deshalb kann Igus sämtliche Iglidur-Gleitlager mit den unterschiedlichsten Werkstoffen direkt ab Lager und ab Stückzahl eins liefern.

„Man kann die Veränderungen, die mit Industrie 4.0 in der Produktentwicklung und in der Fertigung einhergehen, nicht groß genug einschätzen.“

Peter Schuster, Vice President R&D Industry 4.0 bei Schaeffler

Sensororientierte Lösungen

Leichtbaulager mit Gehäuseteilen, Bild: Franke
Der Hersteller Franke geht in puncto additive Fertigung proaktiv vor. Denn der 3D-Druck bietet auch in der Antriebstechnik Vorteile. So sind Leichtbaulager mit Gehäuseteilen aus dem 3D-Drucker 90 Prozent leichter als herkömmliche Stahllager. Bild: Franke

Schaeffler sieht ein großes Innovationspotenzial darin, bislang ungenutzte Reserven mit sensorisierten Lagerlösungen erschließen zu können. Der Aufwand für konstruktive Anpassungen sei relativ gering, berichtet Peter Schuster, Vice President R&D Industry 4.0 bei Schaeffler. Er beschreibt einige Szenarien wie folgt: Mit der Überwachung der radialen Wellenverlagerung oder mit der Erfassung von Temperatur, Drehmoment und Drehzahl lassen sich Maschinen nahe an der Belastungsgrenze betreiben. Die Überwachung des Schmierzustandes in Wälzlagern macht belastungsabhängige Wartungsintervalle möglich. Aus der Belastungshistorie lassen sich mithilfe von Simulationsmodellen Restlaufzeiten vorhersagen und so die Maschinen- oder Anlagenauslastung an die betrieblichen Abläufe optimal anpassen. Der Wert sensorisierter Wälzlagerungen gehe somit weit über die reinen Kosten der Lagerung hinaus.

Schuster verweist noch auf eine besondere Herausforderung in der Entwicklung: „Digitalisierte Produkte können miteinander kommunizieren und Daten austauschen. So erhält man die Möglichkeit, während das Produkt im Einsatz ist, neue Funktionen in selbiges hineinzupflegen. Das ist neu, zumindest im Maschinenbau.“ Erfahrungsgemäß sehen das mittelständische Unternehmen deutlich konservativer. So setzt Findling sowohl auf neuartige als auch auf bereits gut erprobte Beschichtungen, auf Spezialschmierstoffe und metallische Behandlungsverfahren wie Plasmabeschichten und chemische Oberflächenbehandlungen, um die Lebensdauer von Wälzlagern enorm zu verbessern. „Dies ist deutlich kostengünstiger als der Einsatz von Sensortechnik mit ihren Herausforderungen in der Integrationsleistung“, entgegnet Geschäftsführer Klaus Findling. Einen wesentlichen Nachteil gegenüber einer Hardware-Lösung sieht er vor allem in den schlecht kalkulierbaren Unterhaltskosten für elektronische Lösungen. Nachvollziehbare Lebensdauerverlängerungen zum Fixkostenpreis könne das Unternehmen auch im Rahmen individueller Anwendungsberatung leisten.

Unterstützende Programme

VarioSense-Lager, Bild: Schaeffler
Die VarioSense-Lager von Schaeffler erlauben eine einfache Digitalisierung von Lagerstellen und die Überwachung von Maschinen- und Prozessparametern ohne großen Entwicklungsaufwand. Bild: Schaeffler

Wälz- und Gleitlager sind von jeher unverzichtbare Gebrauchsgegenstände des Maschinenbaus. Doch je komplexer die Maschinen werden, desto spezieller werden die Anforderungen an die Lager. Und die Kon-strukteure stehen vor der Herausforderung, innerhalb kürzester Zeit die optimale Lösung für individuelle Probleme zu finden. Hersteller wie SKF unterstützen sie beispielsweise mit dem Ein-Wellen-Wälzlager-Berechnungsprogramm SimPro Quick und dem Spindellager-Simulationsprogramm SimPro Spindle. Die Programme analysieren auf Basis individueller Anforderungen und Betriebsbedingungen die Wälzlagerungen, unterstützen den Anwender bei der Auswahl der optimalen Wälzlager und geben als virtueller Prüfstand wertvolle Aufschlüsse über die dynamischen Kräfte, denen die Lager in ihren jeweiligen Anwendungen ausgesetzt sein werden oder sind.

Hybridlager, Bild: SKF
Für die besonderen Anforderungen elektrifizierter Antriebsstränge hat SKF Hybridlager mit Ringen aus Wälzlagerstahl und Wälzkörpern aus Keramik entwickelt. Bild: SKF

Bei der Auslegung, Modellierung und Validierung von Gleitlagern stimmt Flender jede Lösung applikationsspezifisch sehr eng mit seinen Kunden und Lieferanten ab. „Diese Prozesse lassen sich zum Beispiel durch den digitalen Austausch von Auslegungsmodellen und durch eine übergreifende CAD/CAM-Prozesskette effizient gestalten“, erklärt Philipp Leuer. Durch die systemübergreifende Zusammenarbeit lassen sich zum Beispiel Fertigungsinformationen für Gleitlager digital austauschen, um so Prozesskosten und -zeiten zu optimieren. Spezielle Lagersimulationsprogramme unterstützen bei der Auswahl der optimalen Lagervarianten und bei der Bestimmung einer realitätsnahen Lagerlebensdauer. Doch „die Zusammenarbeit an gemeinsamen Projekten über Collaboration-Werkzeuge funktioniert immer nur so gut, wie die Menschen diese bedienen und beherrschen. Die Anwendungsvielfalt im Zuge der Digitalisierung wird uns noch erhebliche Kopfschmerzen bereiten, wenn wir die Nutzer mitnehmen wollen“, gibt Klaus Findling zu bedenken.

3D-Druck, Bild: Igus
Igus bietet einen 3D-Druckservice an, der sich am besten für Stückzahlen von eins bis 500 eignet. Für den 3D-Druck verwendet der Hersteller Filamente, die auf Reibung und Verschleiß optimiert sind. Bild: Igus

„Wenn es darum geht, Produkte kundenspezifisch, technisch und wirtschaftlich optimal auszulegen, so fehlen meist die passenden Programme am Markt und die Modellierung von Simulationen kann sehr komplex sein.“ Da die breite Masse der Maschinenbauer auf diesem Gebiet bisher nur beschränkte Kenntnisse hat, unterstützt Findling die Anwender durch eigenes oder gemeinsames Engineering sowie als Dienstleister mit Berechnungsprogrammen.

Franke wiederum betrachtet gerade kundenspezifische Entwicklungen als sein wesentliches Kerngeschäft und pflegt gemeinsames Engineering. „Wir nutzen verschiedene Apps als Plattform, um Daten auszutauschen oder miteinander an Projekten zu arbeiten. Auch Bauteile per additiver Fertigung schnell und kostengünstig herzustellen, erfordert ein verlässliches Datenhandling. Dadurch erreichen wir eine hohe Flexibilität schon ab Losgröße eins“, betont Sascha Eberhard. “

Sensorik erhöht die Zuverlässigkeit

Will man die Ausfallrate von Lagern senken, braucht man mehr Informationen über den inneren Zustand von Wälz- und Gleitlagern. Die Bandbreite der hier eingesetzten Sensoren reicht von Weg-, Schwingungs-, Beschleunigungs-, Ultraschall- und Drehzahlsensoren, Drehmoment- und Temperatursensoren bis zu Schmierstoff-Partikelzählern. Um die Prognosequalität zu verbessern, kann man die gewonnenen Zustandsdaten in einer Cloud aggregieren. Aus diesem Grund hat SKF schon vor sieben Jahren seine einzelnen Remote Diagnostic Centers zu einem weltumspannenden Fernüberwachungsnetzwerk verknüpft, das über einen gemeinsamen Datenpool in der globalen SKF-Cloud verfügt. Flender bereitet seine Getriebe standardmäßig für den Einsatz von verschiedenen Sensoren vor. Die Systeme können während des Betriebes unter anderem das Temperatur-, Schwingungs- und Lastverhalten aufnehmen. So lassen sich zu jeder Zeit Rückschlusse auf den Zustand der Lager ziehen. Bei Gleitlagern werden zudem die Schmierspalte gemessen. Die im Feld aufgenommen Daten werden zukünftig in der Siemens-Cloud Mindsphere verarbeitet und gespeichert. Franke untersucht derzeit Möglichkeiten des Condition Monitoring zur Lager- oder Linearführungsanalyse sowie zur Fernwartung von Wälzlagern.

Nadellager, Bild: Knapp
Nadellager von Knapp. Bild: Knapp

Schaeffler verbindet Standardwälzlager mit einem konfigurierbaren Sensorcluster und nennt diese Lösung VarioSense. Sowohl der Lager- als auch der Maschinenzustand und -prozess lassen sich mithilfe der Messgrößen Temperatur, Drehzahl und Drehrichtung, Wellenposition, Vibrationspegel und mit der radialen Wellenverlagerung im µm-Bereich realisieren. Für Linearführungen entwickelte Schaeffler DuraSense. Bei diesem System wird die aus dem Wälzkontakt emittierte Schwingungsenergie von einem Sensor am Laufwagen aufgenommen und in einer Elektronik ausgewertet und überwacht. Mit einem optional angeschlossenen Schmiersystem entsteht ein Regelkreis für eine automatische, bedarfs- und belastungsgerechte Nachschmierung. Auch Igus setzt für seine Iglidur Gleitelemente in den Linearsystemen und den PRT-Rundtischlagern einen intelligenten Sensor ein, der den Verschleiß von Gleitelementen überwacht. Meldet der Sensor einen kritischen Abriebwert, wird der Instandhalter rechtzeitig über den Wartungsbedarf informiert. Die Smart-Plastics-Lösungen können in die Igus-Cloud oder ins ERP-System integriert oder lokal gespeichert werden. aru