Toepassing in de kijker: 3D-printen revolutioneert lagerontwerp en -productie

[Afbeeldingscredit: Bowman Additive Production]

Deze week vervolgen we onze Application Spotlight serie door te kijken naar lagers, cruciale componenten die gebruikt worden om wrijving tussen bewegende metalen delen te verminderen.

In dit artikel duiken we in de voordelen die 3D-printen biedt voor het ontwerp en de productie van lagers, en verkennen hoe lagerfabrikanten deze voordelen benutten om radicaal nieuwe lagercomponenten te produceren.

Bekijk de andere toepassingen in deze serie:

3D-printen voor warmtewisselaars

3D-printen voor fietsproductie

3D-printen voor digitale tandheelkunde & transparante aligner productie

3D-printen voor medische implanten

3D-geprinte raketten en de toekomst van ruimtevaartproductie

3D-printen voor schoeiselproductie

3D-printen voor elektronische componenten

3D-printen in de spoorbranche

3D-geprinte bril

3D-printen voor eindonderdeelproductie

3D-printen voor beugels

3D-printen voor turbinonderdelen

Hoe 3D-printen betere hydraulische componenten mogelijk maakt

Hoe 3D-printen innovatie in de kernenergie-industrie ondersteunt

Wat is een lager?

Lagers spelen een cruciale rol in bewegingsapplicaties.

De ronde, wiel-achtige apparaten zijn ontworpen om lasten te dragen en wrijving tussen twee bewegende delen drastisch te verminderen. Door een lager tussen componenten te plaatsen die relatief tot elkaar bewegen, rollen de delen over het lager in plaats van te glijden, wat wrijving tot een minimum houdt.

Bal lagers zijn onder de meest voorkomende typen. Ze bestaan typisch uit drie essentiële elementen: een gladde binnenring, een gladde buitenring, rolende elementen zoals ballen of cylinders, en een kooi die de rollers op afstand houdt. De rolende elementen dragen de last, waardoor het lager vrij kan draaien.

Lagers zijn omnipresent in industrieën – van auto-motoren en stelsystemen tot vliegtuigturbines, montagebanden, en medische apparatuur. Fabrikanten zoeken continu naar manieren om maatwerkoplossingen te leveren en prestaties te verbeteren, en additieve manufacturing is een cruciale enabler geworden.

De voordelen van 3D-printen voor lagers

Verhoogde ontwerpcomplexiteit

3D-printen ontgrendelt de mogelijkheid om ingewikkelde geometrie in lagercomponenten in te bedden, wat direct vertaalt naar superieure prestaties. Bowman International, een UK-gebaseerde lagerfabrikant, benutte dit voordeel om een kooi te herontwerpen die 45% meer rollers accommodeert, wat de levensduur van het lager verlengt. De flexibiliteit van additieve manufacturing stelt ook kooien in staat om geproduceerd te worden uit flexibele polymeren, wat naadloos om assen heen wrappen mogelijk maakt.

Lichter gewicht

Door rooster- of honingraat-architecturen te gebruiken, stelt 3D-printen ontwerpers in staat gewicht te reduceren zonder sterkte in te leveren – een taak die arbeidsintensief zou zijn met CNC-frezen. Kooien kunnen in nylon of composietmaterialen geprint worden in plaats van staal, wat massa vermindert en tegelijkertijd slijtage op rolende elementen vermindert.

Gereedschapskosten geëlimineerd

Traditionele lagerproductie kan gereedschapskosten van £40.000–£60.000 per set opleveren, wat kleine tot medium runs prohibitief duur maakt. Additieve manufacturing omzeilt tooling volledig, waardoor fabrikanten bespoke kooien on-demand kunnen produceren en op prijs kunnen concurreren voor beperkte batches.

Voorbeelden van 3D-geprinte lagers

Bowman’s Rollertrain™: Lagerkooi voor split rollerlagers

Bowman Additive Production, de additieve manufacturing-arm van Bowman International – een toonaangevende lager- en gesinterde componentenfabrikant – heeft jarenlang kooi-ontwerpen verfijnd via 3D-printen.

Het resultaat is Rollertrain™: een gepatenteerde split-lagerkooi die een interlocking rooster incorporateert, wat tot 45% meer rollers toelaat dan conventionele kooien. Het ontwerp verdeelt lasten over een groter aantal rolende elementen, wat de belastbaarheid met 30-40% verhoogt en de levensduur van de kooi verdrievoudigt.

Hoewel de productiekosten van Rollertrain™ kooien vergelijkbaar zijn met traditionele staalkooien, maken de verbeterde prestaties en levensduur ze een superieure keuze. De kooi wordt nu gebruikt in John Handley Bearings’ JHB Split Bearing, wat radiale capaciteitswinst van tot 70% en assiële capaciteitsverbetering van 1.000% bereikt – de hoogste cijfers ooit vastgelegd voor split lagers wereldwijd.

Hoewel 3D-printen niet elke lagertype conventionele methoden zal vervangen, is het al de go-to productieroute voor split lagers geworden.

Lichtere lagerkooien voor een luxe catamaran

Engineeringbureau Scheurer Swiss combineerde additieve manufacturing met koolstofvezel-composieten om lichtere, efficiëntere lagerkooien te maken voor de Moonwave, een particuliere luxe catamaran. De stuurballlagers vereisten kooien die zowel lichtgewicht als robuust waren.

Met koolstofvezel-versterkt polyamide-12 (PA12), printte Scheurer de kooien in stukken en lijmde ze samen. Elke kooi bereikte tot 630 mm in diameter. Wat weken zou kosten met gieten, werd in slechts drie dagen voltooid, wat een gladder, meer responsief stelsysteem opleverde.

Lichte metaal 3D-geprinte lagers voor luchtvaart

Duitse specialist Franke GmbH nam de uitdaging aan om een draadraslager te produceren voor een reddingshelikopter patiëntenbed, met een strikte gewichtslimiet van 800 g en de noodzaak om zware turbulente te weerstaan. Conventionele manufacturing kon dit niet bereiken.

Door topologie-optimalisatie en een complexe roosterstructuur toe te passen, genereerde Franke een ontwerp dat alleen gerealiseerd kon worden door metaal 3D-printen. Het finale aluminiumlager voldood aan de gewichts- en prestatiecriteria en werd succesvol geïnstalleerd in vluchtklare vliegtuigen, wat de rol van additieve manufacturing in gewichtsreductie voor luchtvaart onderstreept.

Een blik in de toekomst

3D-printen geeft lagerfabrikanten de vrijheid om high-performance componenten te prototypen en produceren zonder de financiële last van tooling. De technologie breidt ook materiaalkeuzes uit – van flexibele polymeren tot hoge-sterkte metalen – wat kenmerken mogelijk maakt die onmogelijk zijn met traditionele processen.

Naarmate de industrie additieve manufacturing omarmt, is het gedestineerd om de standaard te worden voor het produceren van kleine tot medium batches van lagers, wat tastbare voordelen levert in kosten, prestaties, en duurzaamheid.

In ons volgende artikel verkennen we 3D-printen voor fietsen. Blijf op de hoogte!