Wie Sensorik in 3D-gedruckten Verschleißteilen Wartungsbedarf meldet

Verschleißteile müssen oftmals in extremen Umgebungen schweren Beanspruchungen wie abrasivem Staub, hohen Geschwindigkeiten oder auch chemischen Belastungen standhalten. Um den Verschleiß von additiv gefertigten Sonderteilen erkennen zu können, hat igus mithilfe des 2K-Drucks die Möglichkeit geschaffen, intelligente 3D-gedruckte Teile herzustellen. Im FDM-Verfahren gefertigt, warnen sie vor Überlast und melden ihren Wartungsbedarf. Das Besondere: Die Sensorik wird erstmals direkt ins Bauteil eingedruckt.

Lebensdauer per Sensorik überwachen

Die Lebensdauer aller igus Produkte lässt sich mit Onlinetools berechnen. Dazu betreibt igus ein hauseigenes 3.800 Quadratmeter großes Testlabor. Alle Daten aus dem Labor dienen bei i.Cee – den softwarebasierten igus Lösungen für die vorausschauende Wartung – als Basis für die Berechnung der voraussichtlichen Lebensdauer. Damit Anwender auch im Betrieb ihre Komponenten überwachen können, bietet igus 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 igus 2020 das erste isense Standardprogramm für seine schmierfreien iglidur Gleitlager entwickelt. Dabei besteht der Grundkörper des Gleitlagers aus zwei Komponenten: dem innen liegenden kundenindividuellen iglidur Werkstoff sowie einer äußeren harten polymeren Schale, die das Lager schützt. Um den Verschleiß zu messen, befindet sich zwischen den zwei Komponenten ein Sensor. „Im Katalogprogramm sind fünf Werkstoffe enthalten, mit denen wir einen großen Teil hoch beanspruchter Anwendungen abdecken können“, so Stefan Loockmann-Rittich, Geschäftsbereichsleiter iglidur Gleitlagertechnik bei igus. Mit dabei ist der FDA-konforme Werkstoff iglidur A180, der speziell für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie ausgelegt ist, das Hochlastlager iglidur Q2E für den Einsatz in Baumaschinen und der Agrartechnik, der Allrounderwerkstoff iglidur G, der Dauerläufer iglidur J sowie als Spezialist für Schwenk- und walkende Anwendungen iglidur P210. „Vor allem für schwer zugängliche Lagerstellen und Anwendungen, bei denen keine regelmäßigen Wartungsintervalle geplant sind, haben wir smart iglidur entwickelt.“

Schlaue Sonderteile aus dem 3D-Drucker

Doch wie sieht es mit der Überwachung von Sonderteilen aus? Hier bietet igus mit dem 3D-Druck eine neue Lösung: Additive Fertigung trifft auf Industrie 4.0. Den igus Ingenieuren gelang es jetzt, beides in einem Fertigungsschritt zu vereinen: Sensorik wird erstmals in das additiv gefertigte Tribo-Bauteil per Multimaterialdruck eingedruckt. „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 weiteren Schaden an der Lagerstelle und der ganzen Anlage zu verhindern“, erklärt Tom Krause, Leiter des Geschäftsbereichs der additiven Fertigung bei der igus GmbH. Die Entwickler von igus sind mithilfe des Multimaterialdrucks, auch 2k-Druck genannt, in der Lage, in nur einem Arbeitsschritt solche intelligenten Sonderteile herzustellen. Die Sensorschicht wird dabei an den zu belastenden Stellen des Bauteils aufgetragen. Die Komponenten werden aus den Filamenten iglidur I150 oder iglidur 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.

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. Predictive Maintenance wird bei dem 3D-Druck-Bauteil möglich. Dabei 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.

Für die Anbindung der gedruckten intelligenten Verschleißteile bietet igus zwei Möglichkeiten der Kontaktierung an. Entweder nutzt der Anwender Gewindeeinsätze, über welche die Kontakte angeschraubt werden können, oder es befinden sich offene Kontakte an der Außenhaut des Gleitlagers, wie bei der isense Gleitlagertechnik. Die 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 isense Auswerteeinheiten verfügbar, hier wird der Zustand optisch angezeigt und über WLAN im lokalen Netz des Kunden zur Verfügung gestellt. Interessant sind die vorausschauenden Informationen: Wenn den sogenannten i.Cee:local devices die Bewegungsinformationen bekannt sind, lassen sich frühzeitig Informationen zu einem bevorstehenden Produktaustausch oder Warnungen bei unerwarteten Ereignissen bereitstellen. Die Verbindung zwischen Sensoren und i.Cee:local device 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. „So hat der Kunde die freie Auswahl, die Daten so auszulesen und die Serverinformationen so aufzubereiten, wie es sich für ihn am besten eignet“, konstatiert Richard Habering, Geschäftsbereichsleiter smart plastics.