25.04.2022 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

Smarte Gleitlager aus dem 3D-Drucker

Smarte GleitlagerQuelle: igus

Um den Verschleiß von additiv gefertigten Sonderteilen erkennen zu können, steht mit 2K-Druck heute eine Möglichkeit bereit, intelligente 3D-gedruckte Teile herzustellen.

Smarte Gleitlager in der Praxis: Industrie 4.0 bedeutet das Voranschreiten der Digitalisierung und damit auch der Überwachung von Maschinen und ihren Komponenten. Denn fällt nur eine Komponente aus, so steht die Produktion im schlimmsten Falle still.

IoT macht Komponenten smart

Maschinen und Bauteile sollen sich durch das Internet of Things (IoT) vernetzen, miteinander kommunizieren und mögliche Fehlermeldungen anzeigen, sodass rechtzeitig gehandelt werden kann.

Daher hat igus für seine Maschinenteile aus Hochleistungskunststoffen wie Energieketten, Leitungen, Linearführungen oder auch smarte Gleitlager unter dem Namen smart plastics intelligente Lösungen für die Zustandsüberwachung und die vorausschauende Wartung entwickelt. Das Ergebnis: Die Komponenten gehen unter harten Umgebungsbedingungen nicht einfach in den Status „defekt“, sie kündigen dies zunächst als Wartungsbedürfnis an.

Lebensdauer überwachen

Die Lebensdauer aller Produkte des Anbieters lässt sich mit Onlinetools berechnen. Dazu betreibt igus ein 3.800 Quadratmeter großes Testlabor. Alle Daten aus dem Labor dienen bei i.Cee – softwarebasierten Lösungen für die vorausschauende Wartung – als Basis für die Berechnung der voraussichtlichen Lebensdauer.

Damit Anwender auch im Betrieb ihre Komponenten überwachen können, bietet das Unternehmen seit 2016 smart-plastics-Lösungen für seine Energieketten und Leitungen an. Kurz darauf folgten das intelligente Rundtischlager, die smarten Linearführungen und 2019 das erste intelligente Gleitlager aus dem Spritzguss. Das Prinzip des schlauen Gleitlagers: Eine im Lager integrierte Technik erkennt den Verschleiß bereits vorab und gibt dem Anwender rechtzeitig ein Signal, bevor die Verschleißgrenze erreicht ist. Wartungen lassen sich bedacht planen, ein unnötiger Austausch und ungeplante Maschinen- und Anlagenausfälle vermeiden.

Nach vielen Testreihen im Labor hat das Unternehmen 2020 das erste intelligente Standardprogramm für seine schmierfreien Gleitlager entwickelt. Dabei besteht der Grundkörper des Gleitlagers aus zwei Komponenten: einem liegenden kundenindividuellen Werkstoff sowie einer äußeren harten polymeren Schale, die das Lager schützt. Um den Verschleiß zu messen, kommt zwischen den zwei Komponenten ein Sensor zum Einsatz.

Stefan Loockmann-Rittich, Geschäftsbereichsleiter iglidur-Gleitlagertechnik bei igus, erklärt: „Im Katalogprogramm sind fünf Werkstoffe enthalten, mit denen wir einen großen Teil hoch beanspruchter Anwendungen abdecken können.“ Mit dabei ist der FDA-konforme Werkstoff A180, der speziell für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie ausgelegt ist, das Hochlastlager Q2E für den Einsatz in Baumaschinen und der Agrartechnik, der Allroundwerkstoff G, der Dauerläufer J sowie als Spezialist für Schwenk- und walkende Anwendungen P210.

Schlaue Sonderteile: Smarte Gleitlager aus dem 3D-Drucker

Doch wie sieht es mit der Überwachung von Sonderteilen aus? Hier bietet der 3D-Druck jetzt eine neue Lösung: Sensorik wird erstmals in das additiv gefertigte Tribo-Bauteil per Multimaterialdruck eingedruckt.

Tom Krause, Leiter des Geschäftsbereichs additive Fertigung bei igus, erläutert: „Weit vor dem Ausfall meldet das intelligente 3D-gedruckte Bauteil bereits, dass ein Austausch bevorsteht. Zudem kann es Überlast detektieren, um die Anwendung sofort zu stoppen und so weitere Schaden an der Lagerstelle und der ganzen Anlage zu verhindern“.

Mit dem Multimaterialdruck oder auch 2k-Druck lässt sich die Sensorschicht an den zu belastenden Stellen des Bauteils auftragen. Die Komponenten werden aus den iglidur-Filamenten I150 oder I180 und einem speziell entwickelten elektrisch leitfähigen 3D-Druck-Material hergestellt, welches sich gut mit dem Tribo-Filament verbindet. Der Anwender kann auf hohe Werkzeugkosten verzichten und erhält bereits innerhalb von fünf Tagen sein individuelles Gleitlager.

Smarte Gleitlager
Intelligenz in 3D-gefertigten Bauteilen ermöglicht die kostengünstige vorausschauende Wartung auch bei individuellen Verschleißteilen. Bild: igus

Verschleiß oder Belastung überwachen

Aktuell sind drei Konzepte möglich: Befindet sich das elektrisch leitfähige Material zwischen den verschleißbeanspruchten Schichten, kann es vor Überlastung warnen. Denn ändert sich die Belastung, so verändern sich auch die elektrischen Eigenschaften.

Die Maschine kann angehalten werden und weitere Schäden lassen sich verhindern. Um die Belastungsgrenzen festzulegen, muss das Lager entsprechend kalibriert sein. Ist die Leiterbahn hingegen in der Gleitfläche eingebracht, ist der Verschleiß über die Änderung der elektrischen Eigenschaften messbar.

Für Predictive Maintenance kann es sich um eine Schicht handeln oder auch um mehrere Schichten. Das mehrschichtige Verfahren lohnt sich vor allem für Teile, die sich in der z-Ebene bewegen. Werden die 3D-gedruckten Komponenten zudem im Vorserienstadium eingesetzt, geben die erhobenen Verschleiß- oder Belastungsdaten schon im Vorfeld zusätzlich Auskunft über die Lebensdauer der einzelnen Komponente oder der geplanten Anwendung in der Serie. Anpassungen und Optimierungen im Entwicklungsprozess sind dadurch leichter möglich.

Smarte Gleitlager: Systemanbindung nach Wunsch

Für die Anbindung der intelligenten Verschleißteile bieten sich zwei Möglichkeiten der Kontaktierung an. Entweder nutzt der Anwender Gewindeeinsätze, über die die Kontakte angeschraubt werden können, oder es befinden sich offene Kontakte an der Außenhaut des Gleitlagers.

Smarte Gleitlager müssen dafür in ein Gehäuse eingesetzt und ausgerichtet werden. Über eine Bohrung in diesem Gehäuse werden die Kontakte mit einem Stecker anschließend verbunden. Die gemessenen Daten der Sensoren lassen sich auf unterschiedliche Arten seitens der Maschinen- und Anlagenbetreiber integrieren.

Im einfachsten Fall kommen simple Leuchtdioden zum Einsatz, die den Zustand temporär oder stationär in Rot oder Grün anzeigen. Des Weiteren sind kostengünstige Auswerteeinheiten verfügbar, hier wird der Zustand optisch angezeigt und über Wlan im lokalen Netz des Kunden zur Verfügung gestellt.

Richtig interessant sind für den Kunden die vorausschauenden Informationen. Wenn den sogenannten i.Cee:local devices (Gateways) die Bewegungsinformationen bekannt sind, können frühzeitig Informationen zu einem bevorstehenden Produktaustausch oder Warnungen bei unerwarteten Ereignissen bereitgestellt werden. Die Verbindung zwischen Sensoren und dem Gateway kann drahtgebunden wie drahtlos erfolgen, Letzteres beispielsweise bei bewegten Anlagenteilen ohne eigene Stromversorgung (LoRa-Funkstandard). Von hier aus ist die Integration der Daten an das IoT, Cloudsystem oder an das Kundennetzwerk leitungsgebunden möglich. Richard Habering, Geschäftsbereichsleiter smart plastics bei igus, erklärt: „So hat der Kunde die freie Auswahl, die Daten so auszulesen und die Serverinformationen so aufzubereiten, wie es sich für ihn am besten eignet.“

Der Autor Oliver Cyrus ist Leiter Presse und Werbung bei igus.

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