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Intelligente Bauteileaus dem 3-D-Drucker

Sensorik in gedruckten Verschleißteilen meldet Wartungsbedarf und warnt vor Überlast
Intelligente Bauteileaus dem 3-D-Drucker

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, stellt Igus jetzt mithilfe des 2-K-Drucks intelligente Bauteile her. Das Besondere: Die Sensorik wird erstmals direkt ins Bauteil eingedruckt.

Heute bedeutet Industrie 4.0 vor allem das Voranschreiten der Digitalisierung und damit auch die Überwachung von Maschinen und ihren Komponenten. Denn fällt nur eine Komponente aus, so steht die Produktion im schlimmsten Falle still. 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 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 vielmehr diesen Defekt erst einmal als Wartungsbedürfnis an. Mit dieser Entwicklung etabliert Igus die Einbindung seiner Maschinenelemente in eine intelligente Industrie-4.0-fähige Produktion.

Lebensdauer überwachen

Die Lebensdauer aller Igus-Produkte lässt sich mit Onlinetools berechnen. Dazu betreibt der Hersteller ein hauseigenes 3800 m2 großes Testlabor. Alle Daten aus dem Labor dienen bei i.Cee – den software-basierten 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, kommt zwischen den zwei Komponenten ein Sensor zum Einsatz. Im Katalogprogramm sind fünf Werkstoffe enthalten, mit denen ein großer Teil hoch beanspruchter Anwendungen abgedeckt werden kann. 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, wurde Smart Iglidur entwickelt.

Schlaue Sonderteile aus dem 3-D-Drucker

Doch wie sieht es mit der Überwachung von Sonderteilen aus? Hier bietet Igus mit dem 3-D-Druck eine neue Lösung: Additive Fertigung trifft auf Industrie 4.0. Den Ingenieuren gelang es jetzt, beides in einem einzigen Fertigungsschritt zu vereinen: Sensorik wird erstmals in das additiv gefertigte Tribo-Bauteil per Multimaterialdruck eingedruckt. Die Entwickler sind mithilfe des sogenannten 2-K-Drucks in der Lage, in nur einem einzelnen 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 3-D-Druck-Material hergestellt, das sich gut mit dem Tribo-Filament verbindet. Der Anwender kann auf hohe Werkzeugkosten verzichten und erhält bereits innerhalb von fünf Tagen sein individuelles Gleitlager.

Verschleiß oder Belastung werden überwacht

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 3-D-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 3-D-gedruckten Komponenten zudem im Vorserienstadium eingesetzt, geben die erhobenen Verschleiß- oder Belastungsdaten schon im Vorfeld zusätzlich Auskunft über die Lebensdauer der einzelnen Komponenten oder der geplanten Anwendung in der Serie. Anpassungen und Optimierungen im Entwicklungsprozess sind dadurch leichter möglich.

Systemanbindung ganz nach Anwenderwunsch

Für die Anbindung der gedruckten intelligenten Verschleißteile bietet Igus zwei Möglichkeiten der Kontaktierung an. Entweder nutzt der Anwender Gewindeeinsätze, über die die Kontakte angeschraubt werden können, oder es befinden sich wie bei der Isense-Gleitlagertechnik offene Kontakte an der Außenhaut des Gleitlagers. 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 kostengünstige Isense-Auswerteeinheiten verfügbar, hier wird der Zustand optisch angezeigt und über WLAN im lokalen Netz des Anwenders zur Verfügung gestellt. Richtig interessant sind für den Kunden die vorausschauenden Informationen. Wenn den sogenannten i.Cee:local devices die Bewegungsinformationen bekannt sind, können frühzeitig Informationen zu einem bevorstehenden Produktaustausch oder Warnungen bei unerwarteten Ereignissen bereitgestellt werden. 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 eigene Netzwerk leitungsgebunden möglich. Auf diese Weise hat der Kunde die freie Auswahl, die Daten so auszulesen und die Serverinformationen so aufzubereiten, wie es sich für ihn am besten eignet.

Igus GmbH, Köln


Autor: Tom Krause

Leiter Geschäftsbereich Additive Fertigung, Igus

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