3D-Druck  Fliegende Fee dank 3D-gedrucktem Getriebekasten

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Wenn Hightech auf Fantasie trifft, entstehen Projekte, die Grenzen sprengen: Ein Unternehmen aus Stuttgart lässt mit Hilfe von einem Getriebekasten aus dem 3D-Drucker eine schwebende Fee Realität werden – samt mechanischen Flügelschlag.

Der Nachtwächter einer Tiefgarage traut seinen Augen kaum. Doch die Bilder der Überwachungskamera zeigen es deutlich: In der Garage schweben zwei Autos durch die Luft. Leichte Panik macht sich in ihm breit. Umso größer die Erleichterung, als klar wird, es handelt sich um einen Streich der Fernsehsendung „Verstehen Sie Spaß?“. Die Autos konnten nur deshalb vom Boden abheben, weil es Attrappen sind, gefertigt aus Schaumstoff, gefüllt mit Helium, angetrieben durch kleine ferngesteuerte Propeller. Gebaut von Airstage, einem 2000 gegründeten Unternehmen aus Riederich bei Stuttgart, das mittlerweile auf der ganzen Welt für seine fliegenden Showeinlagen bekannt ist. Als Magier der Lüfte haben die Baden-Württemberger für die Eröffnungsfeier der Olympischen Spiele 2012 zwei gelbe U-Boote gebaut, jeweils 6 m lang, die zum Beatles-Hit „Yellow Submarine“ durch das Olympiastadion in London flogen und Zuschauer verzauberten.

Sammelbecken für Ingenieurskunst

Doch bei allem internationalen Erfolg, eines bleibt gleich: Genau wie in den Anfangstagen ist auch heute noch jedes Flugobjekt vom Geschäftsführer persönlich entwickelt, von Flugzeugbauer Rainer Mugrauer. Alle fliegenden Sehenswürdigkeiten lagern in der Produktionshalle von Airstage in Riederich. Auf den ersten Blick ein riesiges Spieleparadies. Auf den zweiten ein Sammelbecken für Ingenieurskunst. Derzeit sausen hier Roboter-Feen durch die Lüfte. Rund 40 cm lang, ausgestattet mit kompaktem Elektromotor, Akku, Miniaturgetriebe und transparenten Flügeln, angeklebt an ein hauchdünnes Gestänge aus Carbon. Ihren großen Auftritt sollen die Feen bald in New York haben. Bei einer Show in der Radio City Music Hall wird ein Schwarm von zwölf Exemplaren über die Köpfe des Publikums fliegen. Konstruktionstechnisches Herzstück ist ein Getriebekasten aus Kunststoff, der auf dem Rücken der Fee montiert ist. Eine Art Skelett, in dessen Mitte der Antrieb mit mehreren Zahnrädern sitzt. Drehen sich die Zahnräder, gerät eine Welle in Rotation, die links und rechts ab rund der Hälfte ihrer Länge nach oben gebogen ist und somit in der Luft einen Kreis zeichnet.

Nun ist es das Kunststück, diese Rotationsbewegung in eine Schlagbewegung umzusetzen. Hier kommen die sogenannten Angreifer ins Spiel. Zwei bewegliche Bauteile, die rechts und links über Gelenke mit dem Korpus des Getriebekastens verbunden sind. Sie haben zwei schlitzförmige Langlöcher, in welche die Enden der gebogenen Welle eingelegt sind. Führt die Welle nun die Rotationsbewegung durch, bewegt sie sich horizontal in den Langlöchern und drückt die Angreifer bei jeder Kreisbewegung nach oben und unten. Das Resultat: Die Flügel, die mit den Angreifern verbunden sind, schlagen. Die Fee fliegt. In welche Richtung und in welcher Höhe, das lässt sich über die Mechanik am hinteren Teil des Getriebekastens steuern.

„Brauchten Hersteller, der ohne Materialschwächen in Topqualität baut“

In der Prototypenphase war der Getriebekasten, gefertigt mit den eigenen 3D-Druckern, ein Sorgenkind. Immer wieder passierte es, dass das Material um das Rundloch herum ausbrach. Aus zwei Gründen: Zum einen war die Auflösung der 3D-Drucker nicht hoch genug. Und somit die Oberflächen des Rundlochs nicht ausreichend glatt, um eine reibungslose Bewegung der Welle zu ermöglichen. Zum anderen kam als Druckmaterial ein herkömmliches PLA zum Einsatz. Ein Material, das nicht robust genug war. Die Brüder haben sich deshalb nach einem Spezialisten für 3D-gedruckte Sonderbauteile umgesehen. „Wir brauchten einen Hersteller, der es versteht, ohne Materialschwächen in Topqualität zu bauen.“ Die Wahl fiel schließlich auf das Kölner Unternehmen Igus.

Der Clou: Die industrietauglichen 3D-Drucker arbeiten nicht nur präziser als die Geräte von Airstage. Sie nutzen auch ein anderes Druckmaterial: den Igus-Hochleistungskunststoff Iglidur i3.

Airstage schickte Igus STEP-Datei mit dem Getriebekasten-3D-Modell

 Die Zusammenarbeit mit Igus erwies sich als barrierefrei. Airstage schickte eine STEP-Datei mit dem 3D-Modell des Getriebekastens nach Köln. Dort begannen die Drucker mit der Arbeit. Sie nutzen das Selektive Lasersintern (SLS). Dabei breiten die Geräte eine hauchdünne Schicht eines Kunststoffpulvers auf einer Bauplattform aus. Ein Laser verschmilzt das Pulver anschließend überall dort, wo das Bauteil entstehen soll. Schicht für Schicht entsteht so der Getriebekasten für die Fee. Der Clou: Die industrietauglichen 3D-Drucker arbeiten nicht nur präziser als die Geräte von Airstage. Sie nutzen auch ein anderes Druckmaterial: den Igus-Hochleistungskunststoff Iglidur i3, von Materialexperten getunt und somit deutlich robuster und reibungsärmer als marktübliche Druckmaterialien.

„Wir konnten in Labortests beweisen, dass Iglidur i3 eine mindestens dreifach höhere Abriebfestigkeit als herkömmliche Materialien für den SLS-Druck hat“, konstatiert Benjamin Haupt, technischer Berater für Lagertechnik bei Igus. Ein weiterer Test mit herkömmlich gefertigten Zahnrädern aus POM und gedruckten Zahnrädern aus Iglidur i3 unterstreicht ebenfalls die Langlebigkeit von gedruckten Igus Teilen: Im Versuch erzielten die gedruckten Iglidur i3-Zahnräder eine bis zum Faktor 5 höhere Lebensdauer als gefräste POM-Zahnräder. „Zudem führen die guten mechanischen und reiboptimierten Eigenschaften von Iglidur i3 dazu, dass das Gegenstück, im Fall des Getriebekastens also die Welle, deutlich weniger belastet ist. Dank der präzisen, reibungsarmen und ruckelfreien Bewegung ist es nahezu unmöglich, dass es beim Flug der Fee zu einem Materialversagen kommt“, so Haupt.

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Kurze Lieferzeiten von wenigen Tagen sind garantiert

Die 3D-gedruckten Getriebekästen von Igus sind mittlerweile fester Bestandteil des Feen-Baukastens. Und andere Bauteile werden folgen. So experimentiert Airstage derzeit mit Insekten, die sich in einem Schwarm von einem Computer steuern lassen sollen. Eine Anwendung, bei der es mehr denn je auf einen präzisen 3D-Druck ankommt. „Der Computer wird dieselben Steuerungsbefehle an jedes Insekt schicken. Wenn es hier in den 3D-gedruckten Bauteilen zu mechanischen Abweichungen käme, wäre der Flug im Schwarm gefährdet“, sagt Mugrauer, guter Dinge, die Herausforderung gemeinsam mit Igus zu meistern. „Für einen effizienten Prototypenbau ist es wirklich hilfreich, dass das Unternehmen den 3D-Druck ab Stückzahl 1 anbietet. Und kurze Lieferzeiten von wenigen Tagen garantiert. So können wir bequem mit verschiedenen Toleranzen experimentieren und uns schnell an die perfekten Sonderbauteile herantasten.“ Also die Augen in den Himmel richten! Wer weiß, wann ein Stück Flugkunst von Airstage vorbeikommt.

Jonas Burk ist Leiter Geschäftsbereich Additive Fertigung/3D-Druck bei der Igus GmbH.