Erstellung eines Sammelgetriebes unter Verwendung eines 3D-Druckers

Dennis Gelzleichter, David Backes und Prof. Dr. Michael Wahl mit dem Anschauungsmodell

Zur Veranschaulichung der Konstruktion wurde das Getriebe nachfolgend mit Hilfe eines 3D Druckes in eine reale, greifbare und voll funktionsfähige Baugruppe umgesetzt. Das Projekt veranschaulicht die vielfältigen Aufgabenstellungen des Maschinenbaus, welche neben den Prozessschritten Entwicklung, Berechnung und Konstruktion auch die Anfertigung funktionsfähiger Prototypen beinhalten. Das Gebiet des Rapid Prototypings (schneller Modellbau) ermöglicht z.B. mit Hilfe eines 3D Druckers die Erzeugung eines Kunststoff- oder Metallmodells. Bereits in der Planungsphase eines Projekts kann so, schnell und unkompliziert, ein reales Bauteil erstellt werden. In diesem Projekt kommt ein Drucker zum Einsatz, der mit dem Schichtschmelzverfahren arbeitet. Als Werkstoff dient Kunststoff. 

Da es sich bei dem 3D Druck um ein Anschauungsmodell handelt, wird die ursprüngliche Konstruktion im Maßstab verkleinert und leicht vereinfacht. Die Konstruktion für das Hauptfachseminar ist beispielsweise für den Betrieb mit Öl ausgelegt und weist neben den Öleinfüllschrauben auch Ölablassschrauben und ein Schauglas zur Kontrolle des Ölstandes auf. Auf diese Einzelheiten wird im 3D-Modell verzichtet. Die nachfolgende Abbildung (Explosionsansicht) zeigt die große Teilezahl des Ursprungsgetriebes. Damit das Modell voll funktionsfähig ist, werden Normteile wie Kugellager und Schrauben nicht ausgedruckt, sondern realitätsnah Kaufteile verwendet. Die Abdeckungen an den Wellenenden wurden in das Gehäuse bzw. in den Deckel integriert.

Zur Durchführung des Projekts wird der 3D-Drucker „Ultimaker 2“ verwendet. Er verfügt über eine Heizplatte und eine sehr hohe Druckqualität. Da das Bauvolumen (Länge x Breite x Höhe) des „Ulimaker 2“ die Maße 226 mm x 226 mm x 206 mm besitzt, wird der Verkleinerungsmaßstab 1:2, bezogen auf die ursprüngliche Konstruktion, gewählt. Das Gehäuse wird dabei jeweils in 4 Teile zerlegt, um diesen Maßstab mit dem Drucker realisieren zu können. Beim schichtweisen Druck eines Bauteils sind teilweise Stützkonstruktionen notwendig, damit später gedruckte Schichten auf dieser Stützstruktur aufsetzen können. Nach Beendigung des Druckes werden diese Stützstellen händisch entfernt. Als Werkstoff des Projekts kommt PLA (Polylactic Acid; synthetisches Polymer) zum Einsatz. Das Material wird zum Druckkopf geführt, wo es geschmolzen und danach mittels einer Düse auf die Druckplatte aufgetragen wird. Das Bauteil wird so Schicht für Schicht übereinander aufgebaut. Es wurde teilweise mit einer sehr feinen Schichtdicke von 0,1 mm gedruckt. Besonders beim Drucken der Zahnräder ist diese hohe Druckqualität erforderlich. Um verschiedene Möglichkeiten der Welle-Nabe-Verbindung (hier: Zahnrad und Welle) darzustellen, werden die Wellen mit Übermaßpassungen bzw. Passfedern verschiedener Formen mit den Zahnrädern verbunden. Zum Drucken wird das 3D-Modell in 42 Einzelteile zerlegt, um den Druckraum optimal ausnutzen zu können. Die Gesamtdruckzeit betrug dabei ca. 280 Stunden. Nach der Fertigstellung der einzelnen 3D-Teile werden die Einzelteile des Gehäuses bzw. des Deckels mittels Klebstoff miteinander verbunden. Alle weiteren Teile werden zum fertigen Getriebe-Modell zusammengebaut.

An dieser Stelle noch ein Dankeschön an Herrn Hirsch und Prof. Gutheil für die Unterstützung und Bereitstellung des Druckers.

Projektbearbeiter:
Dennis Gelzleichter
David Backes

Projektbetreuung:
Prof. Dr. Michael Wahl