Application Spotlight: 3D-печать революционизирует дизайн и производство подшипников

На этой неделе продолжаем серию Application Spotlight, рассматривая подшипники — критические компоненты для снижения трения между движущимися металлическими частями.

В этой статье погружаемся в выгоды, которые 3D-печать даёт для дизайна и производства подшипников, и исследуем, как производители подшипников используют эти выгоды для производства радикально новых компонентов.

Посмотрите другие приложения в этой серии:

• 3D-печать для теплообменников
• 3D-печать для велосипедного производства
• 3D-печать для цифровой стоматологии и производства элайнеров
• 3D-печать для медицинских имплантов
• 3D-печатные ракеты и будущее космического мануфактура
• 3D-печать для обуви
• 3D-печать для электронных компонентов
• 3D-печать в железнодорожной отрасли
• 3D-печатные очки
• 3D-печать для конечного производства деталей
• 3D-печать для кронштейнов
• 3D-печать для турбинных деталей
• Как 3D-печать обеспечивает лучшие гидравлические компоненты
• Как 3D-печать поддерживает инновации в ядерной энергетике

Что такое подшипник?

Подшипники играют ключевую роль в движущихся приложениях.

Круглые, колёсообразные устройства спроектированы нести нагрузки и драматически снижать трение между двумя движущимися частями. Помещая подшипник между компонентами, движущимися относительно друг друга, части качаются по подшипнику вместо скольжения, держа трение на минимуме.

Шаровые подшипники — среди самых распространённых типов. Обычно состоят из трёх ключевых элементов: гладкого внутреннего кольца, гладкого внешнего кольца, катящихся элементов — шаров или цилиндров — и сепаратора, держащего ролики на расстоянии. Катящиеся элементы несут нагрузку, позволяя подшипнику свободно вращаться.

Подшипники вездесущи по отраслям — от автодвигателей и рулевых систем до авиатурбин, сборочных линий и медицинского оборудования. Производители постоянно ищут пути доставки беспоковых решений и улучшения производительности, и аддитивное мануфактуринг стало ключевым энейблером.

Преимущества 3D-печати для подшипников

Повышенная сложность дизайна

3D-печать разблокирует способность встраивать сложную геометрию в компоненты подшипников, напрямую переводимую в высокую производительность. Bowman International, британский производитель подшипников, использовала это преимущество для редизайна сепаратора, вмещающего на 45% больше роликов, тем самым продлевая срок службы подшипника. Гибкость аддитивного мануфактура также позволяет производить сепараторы из гибких полимеров, обеспечивая бесшовное обхват вала.

Снижение веса

Применяя решётчатые или сотовые архитектуры, 3D-печать позволяет дизайнерам снижать вес без жертвы прочности — задача, трудоёмкая для ЧПУ-фрезеровки. Сепараторы можно печатать из нейлона или композитных материалов вместо стали, реза массу и одновременно уменьшая износ катящихся элементов.

Исключение стоимости инструмента

Традиционное производство подшипников может нести инструментальные затраты £40 000–£60 000 за комплект, делая малые и средние серии запредельно дорогими. Аддитивное мануфактуринг обходит инструментарий полностью, позволяя производителям изготавливать беспоковые сепараторы по запросу и конкурировать по цене на лимитированных партиях.

Примеры 3D-печатных подшипников

Rollertrain™ Bowman: сепаратор для сплит-роллерных подшипников

Bowman Additive Production — аддитивное мануфактуринг-крыло Bowman International, ведущего производителя подшипников и прессованных компонентов — годами уточняла дизайны сепараторов через 3D-печать.

Результат — Rollertrain™: запатентованный сплит-подшипниковый сепаратор с интерлокинг-решёткой, позволяющий до 45% больше роликов, чем конвенциональные сепараторы. Дизайн распределяет нагрузки по большему числу катящихся элементов, бустящая грузоподъёмность на 30–40% и утраивая срок службы сепаратора.

Хотя производственная стоимость сепараторов Rollertrain™ сопоставима со стальными традиционными, улучшенная производительность и долговечность делают их превосходным выбором. Сепаратор теперь применяется в JHB Split Bearing John Handley Bearings, достигая радиальных приростов до 70% и осевых улучшений до 1000% — высшие показатели для сплит-подшипников по всему миру.

Хотя 3D-печать не заменит конвенциональные методы для каждого типа подшипников, она уже стала основным производственным маршрутом для сплит-подшипников.

Лёгкие сепараторы для люксового катамарана

Инженерная фирма Scheurer Swiss объединила аддитивное мануфактуринг с углеродно-волокнистыми композитами для создания более лёгких, эффективных сепараторов для Moonwave — частного люксового катамарана. Рулевые шаровые подшипники требовали сепараторов, одновременно лёгких и надёжных.

Используя углеродно-волокнисто-усиленный полиамид-12 (PA12), Scheurer напечатал сепараторы кусками и склеил их. Каждый сепаратор достиг до 630 мм в диаметре. То, что заняло бы недели формовкой, завершено за три дня, доставляя более плавную, отзывчивую рулевую систему.

Лёгкие металлические 3D-печатные подшипники для авиации

Немецкий специалист Franke GmbH принял вызов производства wire-race подшипника для койки пациента спасательного вертолёта, с жестким лимитом веса 800 г и необходимостью выдерживать сильную турбулентность. Конвенциональное производство не могло этого достичь.

Применяя топологическую оптимизацию и сложную решётчатую структуру, Franke сгенерировал дизайн, реализуемый только через металлическую 3D-печать. Финальный алюминиевый подшипник соответствовал весу и производительности и успешно установлен в полётных самолётах, подчёркивая роль аддитивного мануфактура в снижении веса для авиации.

Взгляд в будущее

3D-печать даёт производителям подшипников свободу прототипировать и производить высокопроизводительные компоненты без финансового бремени инструментария. Технология также расширяет выбор материалов — от гибких полимеров до высокопрочных металлов — позволяя фичи, невозможные традиционными процессами.

По мере принятия аддитивного мануфактура отраслью, она готовится стать стандартом для производства малых и средних партий подшипников, доставляя осязаемые выгоды в стоимости, производительности и устойчивости.

В следующей статье исследуем 3D-печать для велосипедов. Stay tuned!