Hoge versnellingen en tot 80 °C: Betrouwbare lineaire lagers voor 3D printers

Kühling&Kühling, opgericht in 2012, verkoopt zijn klanten flexibele en gemakkelijk schaalbare 3D productieoplossingen. Voor de realisatie van de eerste in serie geproduceerde 3D-printer was de oplossingsexpert uit Kiel op zoek naar een energieketting voor een veilige kabelgeleiding en een geschikte lageroplossing. De eisen die een 3D printer stelt aan de lagertechnologie zijn hoog: de hoge prestaties van de machines vereisen bewegende componenten die gedurende een lange periode probleemloos en met zo min mogelijk onderhoud bestand zijn tegen hoge versnellingen. Daarnaast zorgt het dynamische binnenwerk ook voor enorme temperaturen tot 80 °C, waarvoor de juiste materialen moesten worden gevonden. Tot slot moesten de ingebouwde onderdelen ook voldoen aan de hoge eisen op het gebied van stilte.

Het bedrijf Kühling&Kühling, gevestigd in Kiel, is daar sinds 2012 één van. De twee oprichters, mechatronica-ingenieurs Jonas en Simon Kühling, zijn gespecialiseerd in open source hardwareontwikkeling en productie op het gebied van 3D-printers. Na anderhalf jaar ontwikkeling is het eerste product, de "RepRap Industrial", sinds eind 2013 in serieproductie. Het is een kosteneffectieve oplossing voor betrouwbare en hoogwaardige rapid prototyping, vooral voor zwaar continu gebruik.

Het systeem wordt voortdurend verder ontwikkeld en heeft onlangs een fundamentele update en diverse verbeteringen gekregen met versie "v1.1.0". Alle materialen die voldoen aan bepaalde basisspecificaties kunnen worden verwerkt, van thermoplasten met hoge sterkte en met vezels gevulde kunststoffen tot rubberelastische materialen. Printers die beschikbaar zijn voor huishoudelijk gebruik of modelbouw staan slechts het gebruik van een zeer beperkte reeks printmaterialen toe. Hier wordt voornamelijk een zogenaamde "bioplastic" gebruikt, dat gebaseerd is op maïs en over het algemeen niet bestand is tegen de technische vereisten van industrieel gebruik. Dit komt omdat deze kunststof al kapot gaat bij temperaturen boven 45 °C - de temperatuurgrenzen in de industrie liggen aanzienlijk hoger. Vergeleken met andere 3D printers voor industrieel gebruik is de "RepRap Industrial" vooral aan te bevelen vanwege zijn prijs. Deze is ongeveer 25 tot 30 procent lager dan vergelijkbare systemen. Het succes bewijst het gelijk van Kühling&Kühling: het aantal eenheden neemt voortdurend toe en is binnen een jaar verviervoudigd.

Alle materialen die voldoen aan bepaalde basisspecificaties kunnen worden verwerkt, variërend van thermoplastische kunststoffen met een hoge sterkte en met vezels gevulde kunststoffen tot rubberelastische materialen.

Simon Kühling herinnert zich de zoektocht naar een geschikte leverancier: "Toen we het systeem begonnen te ontwikkelen, dachten we aanvankelijk aan klassieke kogellagers. Deze hebben echter verschillende nadelen. Ten eerste zijn ze te duur met een stukprijs van ongeveer 12 euro en ten tweede stoppen ze met werken bij een bedrijfstemperatuur van 65 °C. Op dat moment beginnen de afdichtingen te werken. Op dat moment beginnen de afdichtingen het te begeven. Dan beginnen de afdichtingen te falen en slijt de smering." Dit leidde tot lineaire glijlagers met kunststof glijvlakken. "Uit kostenoverwegingen hebben we aanvankelijk Aziatische producten getest," zegt Simon Kühling. "Deze voldeden echter op geen enkele manier aan onze eisen, om nog maar te zwijgen van een snelle en langdurige levering."

Voor de kabelgeleiding koos de specialist uit Kiel voor onze energieketting uit de E2 microserie, die zeer weinig inbouwruimte inneemt en ontwikkeld is voor bijzonder dynamische toepassingen. Daarnaast werden dryspin® spindelgeleidingen, drylin® R lineaire glijlagers en lineaire glijfolies van iglidur® E7 gebruikt als lineaire lageroplossing in de 3D-printergeneratie. In tegenstelling tot conventionele recirculatiekogelbussen bleken de lineaire lagers van het materiaal iglidur® een rendabele en tegelijk krachtige oplossing te zijn.
Ze voldoen aan de hoge eisen voor geluidsemissie, slagversnelling en continue temperatuurbestendigheid. Bovendien zijn de levensduursmeringvrije lineaire glijlagers onderhoudsvrij en hebben daardoor een bijzonder lage slijtage en lange levensduur. 
Dankzij de nauwkeurige positionering van de lagerelementen, zelfs bij snelle bewegingen, en de afwezigheid van trillingen kunnen klanten ook optimale productieresultaten behalen met hun 3D-printers.

De lineaire en aandrijftechniek "drylin®" van igus® biedt ontwerpers van 3D printers verschillende componenten - altijd volledig smeringsvrij en leverbaar binnen 24 uur en zonder minimale bestelhoeveelheid. Een ander voordeel van het gebruik van lineaire glijlagers uit hoogwaardige kunststoffen is hun geruisloze loop; er is geen mechanisch afrolgeluid zoals bij metalen of keramische kogels.

In totaal worden er twaalf igus®lagerproducten gebruikt in de "RepRap Industrial": stalen assen en lineaire geleidingsadapters met glijfolies gemaakt van "iglidur®" hoogwaardige kunststoffen om de respectieve assen te geleiden, evenals loodschroeven en kunststof draadmoeren als asaandrijvingen. De lineaire glijlagers hebben hetzelfde ontwerp als recirculatiekogelbussen, zijn zuinig en eenvoudig te installeren. Ze dempen ook trillingen. Dit is des te belangrijker omdat 3D printen geen grote krachten genereert, maar er wel snelle versnellingen optreden. Hiervoor moet de as licht zijn.

Kühling&De 3D-printer van Kühling maakt ook gebruik van producten uit de tweede grote bedrijfsdivisie van igus®, kunststof energiekettingen. De hier gebruikte kettingen uit de "E2 micro" familie worden gekenmerkt door hun extreem ruimtebesparende ontwerp, lage gewicht en bijzonder soepele rolbewegingen. De gladde contouren van de kunststof energieketting beschermen ook de ingebrachte kabels.

De online catalogus van igus® heeft ons al een goed overzicht gegeven van het assortiment en de producten die voor ons geschikt zijn. Het persoonlijke advies heeft ons echter enorm geholpen om uit de vele opties de juiste te kiezen."

Daarnaast was er een constante dialoog over de grenzen en mogelijkheden van individuele componenten en mogelijke nieuwe ontwikkelingen. Dit laatste was bijvoorbeeld van toepassing op het gebied van glijfolies. De nu gepresenteerde "iglidur® E7" glijfolie werd speciaal ontwikkeld voor lineaire bewegingen. Zijn bijzondere kracht is zijn hoge levensduur en lage slijtage op assen van staal, verchroomd staal en alle soorten roestvrij staal. De bedrijfstemperatuur varieert van -30 tot + 80°C. De "E7" is verkrijgbaar als glijfolie voor diameters van 10 tot 50 mm en kan worden gecombineerd met alle lineaire behuizingen uit de serie "drylin® R".