Wysokie przyspieszenia i temperatury do 80 °C: Niezawodne łożyska liniowe do drukarek 3D

Założona w 2012 roku firma Kühling&Kühling sprzedaje swoim klientom elastyczne i łatwo skalowalne rozwiązania do produkcji 3D. Aby zrealizować pierwszą seryjnie produkowaną drukarkę 3D, ekspert ds. rozwiązań z siedzibą w Kilonii poszukiwał łańcucha energetycznego do bezpiecznego prowadzenia kabli i odpowiedniego rozwiązania łożyska liniowego. Wymagania drukarek 3D w zakresie technologii łożyskowania są wysokie: wysoka wydajność maszyn wymaga ruchomych komponentów, które mogą wytrzymać duże przyspieszenia przez długi czas bez żadnych problemów i przy jak najmniejszej konserwacji. Co więcej, dynamiczna praca wewnętrzna skutkuje również ogromnymi temperaturami dochodzącymi do 80 °C, dla których trzeba było znaleźć odpowiednie materiały. Wreszcie, wbudowane części musiały również spełniać wysokie wymagania w zakresie ciszy.

Firma Kühling&Kühling, z siedzibą w Kilonii, jest jedną z nich od 2012 roku. Dwaj założyciele, inżynierowie mechatronicy Jonas i Simon Kühling, specjalizują się w rozwoju i produkcji sprzętu open source w dziedzinie drukarek 3D. Po półtora roku rozwoju, pierwszy produkt, "RepRap Industrial", jest produkowany seryjnie od końca 2013 roku. Jest to opłacalne rozwiązanie do niezawodnego i wysokiej jakości szybkiego prototypowania, szczególnie w przypadku intensywnego ciągłego użytkowania

System jest stale rozwijany i właśnie otrzymał podstawową aktualizację i różne ulepszenia w wersji "v1.1.0". Wszystkie materiały, które spełniają określone podstawowe specyfikacje, mogą być przetwarzane, począwszy od wysokowytrzymałych tworzyw termoplastycznych i tworzyw sztucznych wypełnionych włóknami, a skończywszy na materiałach gumowo-elastycznych. Drukarki, które są dostępne do użytku domowego lub modelowania, pozwalają na użycie tylko bardzo ograniczonej gamy materiałów drukarskich. Stosowany jest tu głównie tak zwany bioplastik "" , który jest oparty na kukurydzy i generalnie nie jest w stanie sprostać wymaganiom technicznym w zastosowaniach przemysłowych. Dzieje się tak dlatego, że tworzywo to zawodzi już w temperaturach powyżej 45 °C - limity temperatur w przemyśle są znacznie wyższe. W porównaniu z innymi drukarkami 3D do zastosowań przemysłowych, model "RepRap Industrial" jest szczególnie polecany ze względu na swoją cenę. Jest ona o około 25 do 30 procent niższa niż w przypadku porównywalnych systemów. Sukces udowadnia, że Kühling&Kühling ma rację: liczba jednostek stale rośnie i w ciągu roku wzrosła czterokrotnie.

Przetwarzane mogą być wszystkie materiały, które spełniają określone podstawowe specyfikacje, od wysokowytrzymałych tworzyw termoplastycznych i tworzyw sztucznych wypełnionych włóknami po materiały gumowo-elastyczne.

Simon Kühling wspomina poszukiwania odpowiedniego dostawcy: "Kiedy zaczęliśmy opracowywać system, początkowo myśleliśmy o klasycznych łożyskach kulkowych. Mają one jednak kilka wad. Po pierwsze, są zbyt drogie przy cenie jednostkowej około 12 euro, a po drugie, przestają działać w temperaturze roboczej 65°C. W tym momencie uszczelki zaczynają zawodzić. Następnie uszczelki zaczynają zawodzić, a smarowanie zużywa się." Doprowadziło to do powstania liniowych łożysk ślizgowych z plastikowymi powierzchniami ślizgowymi. "Ze względu na koszty, początkowo testowaliśmy produkty azjatyckie," mówi Simon Kühling. "Jednak w żaden sposób nie spełniały one naszych wymagań, nie wspominając o szybkiej i długoterminowej dostawie."

Do prowadzenia kabli specjalista z Kilonii wybrał nasz łańcuch energetyczny z mikroserii E2, który zajmuje bardzo mało miejsca i został opracowany do szczególnie dynamicznych zastosowań. Ponadto, prowadnice wrzeciona dryspin®, liniowe łożyska ślizgowe drylin® R i liniowe folie ślizgowe wykonane z igliduru® E7 zostały wykorzystane jako rozwiązanie łożysk liniowych w drukarce 3D. W przeciwieństwie do konwencjonalnych tulei kulkowych, łożyska liniowe wykonane z materiału iglidur® okazały się opłacalnym i jednocześnie wysokowydajnym rozwiązaniem.
Spełniają one wysokie wymagania w zakresie emisji hałasu, przyspieszenia ruchu i ciągłej odporności na temperaturę. Ponadto, bezsmarowe liniowe łożyska ślizgowe są bezobsługowe, a zatem charakteryzują się szczególnie niskim zużyciem i długą żywotnością. 
Dzięki precyzyjnemu pozycjonowaniu elementów łożyska, nawet podczas szybkich ruchów i braku wibracji, klienci mogą również osiągnąć optymalne wyniki produkcyjne za pomocą swoich drukarek 3D.

Technologia liniowa i napędowa "drylin®" firmy igus® oferuje projektantom drukarek 3D różne komponenty - zawsze całkowicie bezsmarowe i dostępne w ciągu 24 godzin i bez minimalnej ilości zamówienia. Kolejną zaletą stosowania liniowych łożysk ślizgowych wykonanych z wysokowydajnych tworzyw sztucznych jest ich cicha praca; nie występuje mechaniczny hałas toczenia, jak w przypadku kulek metalowych lub ceramicznych.

Łącznie dwanaście produktów łożyskowych igus®jest używanych w "RepRap Industrial": stalowe wały i adaptery prowadnic liniowych z foliami ślizgowymi wykonanymi z "iglidur®" wysokowydajnych tworzyw sztucznych do prowadzenia odpowiedniej osi, a także śruby pociągowe i nakrętki gwintowane z tworzywa sztucznego jako napędy osi. Liniowe łożyska ślizgowe mają identyczną konstrukcję jak tuleje kulkowe, są ekonomiczne i łatwe w montażu. Tłumią one również drgania. Jest to o tyle ważne, że druk 3D nie generuje dużych sił, ale zdarzają się gwałtowne przyspieszenia. W związku z tym oś musi być lekka.

Kühling&Drukarka 3D firmy Kühling wykorzystuje również produkty z drugiego głównego działu firmy igus®, plastikowe łańcuchy energetyczne. Zastosowane tutaj łańcuchy z rodziny "E2 micro" charakteryzują się wyjątkowo kompaktową konstrukcją, niską wagą i wyjątkowo płynnymi ruchami tocznymi. Gładkie kontury łańcucha energetycznego z tworzywa sztucznego chronią również wprowadzone przewody.

Katalog online firmy igus® dał nam już dobry przegląd asortymentu i produktów, które są dla nas odpowiednie. Jednak osobista konsultacja bardzo pomogła nam wybrać ten właściwy spośród wielu opcji."

Ponadto prowadzony był ciągły dialog na temat ograniczeń i możliwości poszczególnych komponentów oraz możliwych nowych rozwiązań. To ostatnie dotyczyło na przykład folii ślizgowych. Prezentowana obecnie folia ślizgowa "iglidur® E7" została opracowana specjalnie do ruchów liniowych. Jej szczególną zaletą jest wysoka żywotność i niski współczynnik zużycia na wałach wykonanych ze stali, stali chromowanej i wszystkich rodzajów stali nierdzewnej. Temperatura pracy wynosi od -30 do +80°C. Folia "E7" jest dostępna jako folia ślizgowa dla średnic od 10 do 50 mm i może być łączona ze wszystkimi obudowami liniowymi z serii "drylin® R".