Hohe Beschleunigungen und bis zu 80 °C: Zuverlässige Linearlager für 3D-Drucker

Das 2012 gegründete Unternehmen Kühling&Kühling verkauft seinen Kunden flexible und einfach skalierbare 3D-Fertigungslösungen. Für die Realisierung des ersten in Serie produzierten 3D-Druckers suchte der Kieler Lösungsexperte nach Energieketten für die sichere Leitungsführung sowie einer geeigneten Linerlagerlösung. Die Anforderungen eines 3D-Druckers an die Lagertechnik sind dabei hoch: Die hohe Performance der Maschinen verlangt nach beweglichen Bauteilen, die hohe Beschleunigungen über einen langen Zeitraum problemlos und möglichst ohne Wartungsbedarfe mitgehen. Daneben ergeben sich durch das dynamische Innenleben auch enorme Temperaturen von bis zu 80 °C, für die die richtigen Materialien gefunden werden sollten. Zuletzt mussten die Einbauteile auch die hohen Forderungen bezüglich der Geräuschlosigkeit erfüllen.

Zu ihnen gehört seit 2012 auch das Unternehmen Kühling&Kühling mit Sitz in Kiel. Die beiden Gründer, die Mechatroniker Jonas und Simon Kühling, konzentrieren sich auf Open Source-Hardware-Entwicklung und -Produktion im Bereich der 3D-Drucker. Nach eineinhalbjähriger Entwicklungszeit läuft seit Ende 2013 das erste Produkt in Serie, der „RepRap Industrial“. Er ist eine kosteneffektive Lösung für zuverlässiges sowie hochqualitatives Rapid Prototyping, speziell im hochbeanspruchten Dauergebrauch

Die Anlage wird konstant weiterentwickelt und hat gerade mit der Version „v1.1.0“ ein grundlegendes Update sowie diverse Verbesserungen erhalten. Es lassen sich alle Materialien verarbeiten, die einige Grundspezifikationen erfüllen, wobei sich dies von hochfesten Thermoplasten, über fasergefüllte Kunststoffe bis hin zu gummi-elastischen Materialien erstreckt. Drucker, die für den heimischen Einsatz oder Modellbau zur Verfügung stehen, erlauben nur den Einsatz einer sehr eingeschränkten Palette an Druckmaterialien. Überwiegend wird hier ein sogenannter „Bio-Kunststoff“ verwendet, der auf Mais basiert und den technischen Anforderungen im industriellen Einsatz in der Regel nicht standhält. Denn dieser Kunststoff versagt bereits bei Temperaturen über 45 °C seinen Dienst – die Temperaturgrenzen in der Industrie liegen deutlich höher. Im Vergleich mit anderen 3D-Druckern für die industrielle Nutzung empfiehlt sich der „RepRap Industrial“ vor allem durch den Preis. Dieser liegt rund 25 bis 30 Prozent unter dem vergleichbarer Anlagen. Der Erfolg gibt Kühling&Kühling recht: Die Stückzahlen steigen kontinuierlich und haben sich innerhalb eines Jahres vervierfacht.

Es lassen sich alle Materialien verarbeiten, die einige Grundspezifikationen erfüllen, wobei sich dies von hochfesten Thermoplasten, über fasergefüllte Kunststoffe bis hin zu gummi-elastischen Materialien erstreckt.

Simon Kühling erinnert sich an die Suche des passenden Lieferanten: „Zu Beginn der Anlagenentwicklung dachten wir zuerst an klassische Kugellager. Diese haben mehrere Nachteile. Zum einen sind sie mit einem Stückpreis von etwa 12 Euro zu teuer, zum anderen ist hier bei einer Betriebstemperatur von 65 °C Schluss. Dann fangen die Dichtungen an zu versagen, und die Schmierung trägt sich aus.“ So führte der Weg zu Lineargleitlagern mit Gleitflächen aus Kunststoff. „Aus Kostengründen haben wir zuerst asiatische Produkte geprüft“, so Simon Kühling. „Diese erfüllen aber in keiner Weise unsere Anforderungen, ganz zu schweigen von einer schnellen und langfristig gesicherten Lieferfähigkeit.“

Für die Leitungsführung entschied sich der Kieler Spezialist für unsere Energieketten der Serie E2 micro, die besonders wenig Bauraum einnehmen und dabei für besonders dynamische Anwendungen entwickelt wurde. Daneben wurden als Linearlagerlösung dryspin Spindelführungen, drylin R Lineargleitlager und Lineargleitfolien aus iglidur E7 in der 3D-Druckergeneration verwendet. Anders als konventionelle Kugelumlaufbuchsen zeigten sich die Linearlager aus dem iglidur-Werkstoff als kostengünstige und zugleich hoch performante Lösung.
Sie erfüllen die hohen Anforderungen an die Geräuschemissionen, Verfahrbeschleunigungen sowie Dauertemperaturbeständigkeit. Daneben sind die lebenslang schmierfreien Lineargleitlager wartungsfrei und haben hierdurch einen besonders geringen Verschleiß und eine hohe Lebensdauer. 
Durch eine präzise Positionierung der Lagerelemente selbst bei schnellen Bewegungen sowie der Vibrationsfreiheit kann der Kunde mit seinen 3D-Druckern außerdem optimale Produktionsergebnisse erreichen.

Die Linear- und Antriebstechnik „drylin®“ von igus® bietet Konstrukteuren von 3D-Druckern diverse Komponenten – immer komplett schmierfrei und lieferbar in 24 Stunden und ab Stückzahl 1. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von Lineargleitlagern aus Hochleistungskunststoffen liegt im geräuscharmen Lauf, es entsteht kein mechanisches Abrollgeräusch wie bei Metall- oder Keramikkugeln.

Im „RepRap Industrial“ kommen insgesamt zwölf igus®-Lagerprodukte zum Einsatz: Stahlwellen und Linearführungsadapter mit Gleitfolien aus „iglidur®“ Hochleistungskunststoffen zur Führung der jeweiligen Achsen sowie Steilgewindetriebe und Kunststoffgewindemuttern als Achsenantrieb. Die Lineargleitlager sind baugleich mit Kugelumlaufbuchsen, wirtschaftlich und einfach zu montieren. Darüber hinaus dämpfen sie Schwingungen. Dies ist umso wichtiger, da beim 3D-Druck zwar keine großen Kräfte wirken wohl aber schnelle Beschleunigungen entstehen. Dafür muss die Achse leicht sein.

Auch werden im 3D-Drucker von Kühling&Kühling Produkte aus dem zweiten großen Geschäftsbereich bei igus®, den Kunststoffenergieketten, verbaut. Die hier eingesetzten Ketten der „E2 micro“-Familie zeichnen sich durch eine äußerst platzsparende Bauweise, geringes Gewicht und besonders ruhige Abrollbewegungen aus. Die glatten Konturen der Kunststoff-Energiekette schonen außerdem die eingelegten Leitungen.

Über den Online-Katalog von igus® haben wir bereits einen guten Überblick über das Sortiment und die für uns passenden Produkte erhalten. Um aber aus der Masse der Möglichkeiten das richtige auszusuchen, hat uns die persönliche Beratung sehr weitergeholfen.“

Darüber hinaus bestand ein ständiger Austausch über Grenzen und Möglichkeiten einzelner Komponenten und eventuelle Neuentwicklungen. Letzteres galt zum Beispiel im Bereich der Gleitfolien. Die aktuell vorgestellte „iglidur® E7“-Gleitfolie wurde speziell für Linearbewegungen entwickelt. Deren Stärke ist insbesondere die hohe Lebensdauer bzw. die geringe Verschleißrate, auf Wellen aus Stahl, verchromtem Stahl und allen Sorten Edelstahl. Die Einsatztemperatur liegt bei -30 bis + 80°C. Die „E7“ wird als Gleitfolie für die Durchmesser 10 bis 50 mm angeboten und lässt sich mit allen Lineargehäusen der „drylin® R“-Baureihe kombinieren.