应用聚焦：3D打印重塑轴承设计与生产

[图片来源：Bowman Additive Production]

本周我们继续应用聚焦系列，聚焦轴承——减少运动金属部件间摩擦的关键组件。

本文将深入探讨3D打印为轴承设计生产带来的优势，并探索轴承制造商如何利用这些优势生产全新轴承组件。

查看本系列其他应用：

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3D打印数字化牙科与隐形矫正器制造

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3D打印火箭与航天器制造的未来

3D打印鞋类制造

3D打印电子元件

3D打印轨道交通行业

3D打印眼镜

3D打印最终零件生产

3D打印支架

3D打印涡轮部件

3D打印如何实现更高性能液压部件

3D打印如何助力核电行业创新

什么是轴承？

轴承在运动应用中扮演关键角色。

这些圆形轮状装置设计用于承载并大幅降低两个运动部件间的摩擦。在相对运动部件间放置轴承，使部件滚动而非滑动，将摩擦降至最低。

球轴承是最常见类型之一。通常包含三个核心要素：光滑内圈、光滑外圈、滚动体（如球或圆柱）、保持滚子间距的保持架。滚动体承载荷载，使轴承自由旋转。

轴承广泛应用于汽车发动机转向系统、航空发动机、装配线、医疗设备等各行业。制造商持续寻求定制化方案和性能提升，增材制造已成关键赋能者。

3D打印为轴承带来的优势

设计复杂度提升

3D打印解锁在轴承组件嵌入复杂几何的能力，直接转化为卓越性能。英国轴承制造商Bowman International利用此优势重新设计保持架，容纳滚子增加45%，从而延长轴承使用寿命。增材制造的灵活性还允许用柔性聚合物生产保持架，实现无缝包覆轴颈。

轻量化

采用晶格或蜂窝架构，3D打印让设计师在不牺牲强度前提下减重——这用CNC加工将极其费力。保持架可用尼龙或复合材料打印替代钢材，减轻质量的同时降低滚动体磨损。

消除工装成本

传统轴承生产单套工装成本达4-6万英镑，使中小批量生产成本高昂。增材制造完全绕过工装，让制造商按需生产定制保持架，在有限批次中具价格竞争力。

3D打印轴承案例

Bowman Rollertrain™：分体滚子轴承保持架

Bowman Additive Production是Bowman International——领先轴承和烧结组件制造商——的增材制造分支，多年通过3D打印优化保持架设计。

成果是Rollertrain™：一种专利分体轴承保持架，融入互锁晶格，比传统保持架多容纳45%滚子。设计将载荷分散至更多滚动体，提升承载能力30-40%，保持架寿命延长三倍。

尽管Rollertrain™保持架生产成本与传统钢保持架相当，但性能和寿命优势使其成为更优选择。该保持架现用于John Handley Bearings的JHB分体轴承，径向承载提升达70%、轴向承载改善1000%——全球分体轴承最高纪录。

虽然3D打印未必取代所有轴承类型的传统方法，但已成为分体轴承的首选制造路径。

豪华双体船用轻量化轴承保持架

工程公司Scheurer Swiss将增材制造与碳纤维复合材料结合，为私人豪华双体船Moonwave打造更轻、更高效的轴承保持架。转向球轴承需要既轻又强的保持架。

使用碳纤维增强聚酰胺12(PA12)，Scheurer分件打印保持架后粘接。单个保持架直径达630mm。模压工艺需数周，3D打印仅三天完成，交付更平滑、响应更灵敏的转向系统。

航空航天用轻量化金属3D打印轴承

德国专家Franke GmbH攻克救援直升机患者床铺钢丝滚道轴承挑战：严格800克重量限制、需承受剧烈湍流。传统制造无法达标。

应用拓扑优化和复杂晶格结构，Franke生成仅能通过金属3D打印实现的设计。最终铝制轴承满足重量性能指标，成功装机试飞，彰显增材制造在航空航天减重中的作用。

未来展望

3D打印赋予轴承制造商原型制作和生产高性能组件的自由，无工装财务负担。技术还拓展材料选择——从柔性聚合物到高强度金属——实现传统工艺无法达成的特性。

随着行业拥抱增材制造，其有望成为中小批量轴承生产标准，在成本、性能和可持续性上带来实质收益。

下篇文章我们将探讨3D打印自行车应用。敬请期待！