应用聚焦：轴承 3D 打印

[图片来源：Bowman Additive Production]

本周，我们继续我们的应用聚焦系列，研究轴承，这是用于减少移动金属部件之间摩擦的关键部件。

在本文中，我们将深入探讨 3D 打印为轴承设计和生产提供的优势，并探讨轴承制造商如何利用这些优势生产全新的轴承组件。

看看本系列中涵盖的其他应用程序：

热交换器的 3D 打印

用于自行车制造的 3D 打印

用于数字牙科和透明矫正器制造的 3D 打印

用于医疗植入物的 3D 打印

3D 打印火箭和航天器制造的未来

用于鞋类制造的 3D 打印

电子元件的 3D 打印

铁路行业的 3D 打印

3D 打印眼镜

用于终端零件生产的 3D 打印

支架的 3D 打印

涡轮机零件的 3D 打印

3D 打印如何实现性能更好的液压元件

3D 打印如何支持核电行业的创新

什么是轴承？

轴承在运动应用中起着至关重要的作用。

圆形轮状装置用于承载负载并减少两个运动部件之间的摩擦。为了实现这一点，轴承被放置在相对移动的两个部件之间。零件不会相互滑动，而是靠着轴承滚动，从而将摩擦降至最低。

球轴承是最常见的轴承类型之一。它们通常由三个关键元件组成：光滑的内表面和外表面，称为滚道，滚珠或圆柱体等滚动元件，以及用作滚动元件分离器的保持架。圆柱体或球体作为装置的负载载体，使其能够自由旋转。

轴承几乎用于每个行业。例如，所有机动车辆都使用轴承作为发动机和转向等重要部件。在这种情况下，轴承有助于支撑曲轴等旋转部件，将发动机内活塞的运动转化为旋转运动。飞机涡轮机、装配线和医疗设备也使用轴承。

轴承制造商一直在寻找为客户提供量身定制的解决方案和开发更好的轴承设计的方法。有助于实现这些目标的一项技术是 3D 打印。

轴承 3D 打印的好处

设计复杂性增加

3D 打印使工程师能够将更多复杂性融入轴承设计中，从而提高其性能。例如，英国轴承制造商 Bowman International 重新设计了保持架，为轴承添加了更多滚动元件，从而延长了轴承的工作寿命（更多信息请参见示例部分）。

通过 3D 打印，制造商还可以用柔性材料生产轴承保持架，这使他们能够轻松地将保持架包裹在轴上。

重量更轻

通过 3D 打印，还可以通过使用蜂窝状结构设计出更轻的零件。这对于 CNC 加工来说是非常困难和耗时的。

此外，笼子可以用尼龙或复合材料而不是钢或其他金属进行 3D 打印。以这种方式使用聚合物代替金属有助于减轻轴承的重量。除此之外，与传统钢保持架相比，3D 打印的聚合物保持架据说可以大大减少滚动体的磨损。

消除工具成本

使用传统技术制造轴承时，一套的工具成本可能高达 40,000 至 60,000 英镑。对于希望生产中小批量轴承的制造商而言，传统方法通常成本过高。

另一方面，3D 打印释放了无需工具直接创建轴承元件（如保持架）的机会。直接使用 3D 打印生产保持架为中低批量定制轴承提供了极具竞争力的选择。

3D 打印轴承示例

Bowman's Rollertrain™：剖分式滚子轴承的轴承保持架

Bowman Additive Production 是 Bowman International 的增材制造部门，Bowman International 是轴承和烧结部件的领先制造商之一。该公司多年来一直使用 3D 打印来改进轴承保持架的设计。

其努力的结果是性能更高的剖分式轴承保持架，获得专利为 Rollertrain™。剖分轴承分为两半，这使得它们易于安装、检查和更换。这种类型的轴承通常用于复杂的工业设备，如输送机和通风风扇。

Bowman 使用惠普的 Multi Jet Fusion 技术和尼龙材料 (PA11) 来生产定制的 Rollertrain™ 保持架。保持架采用互锁结构，使用滚动体将保持架的每一部分销在一起。由于这种设计，保持架可以比现有产品多安装多达 45% 的滚子。

滚子数量的增加意味着负载可以分布在更多的滚动元件上。这导致负载能力提高 30-40%，并将保持架的使用寿命延长 3 倍。

3D 打印 Rollertrain™ 保持架的成本与传统零件相当。然而，大幅提高的性能和使用寿命提供了附加值，使 3D 打印轴承与传统设计相比更胜一筹。

Rollertrain™ 轴承保持架现在与由轴承专家 John Handley Bearings 制造的新型 JHB 剖分轴承一起使用。

由于 Rollertrain™ 轴承保持架的设计和材料，JHB 剖分轴承的径向和轴向承载能力分别提高了 70% 和 1000%，高于世界上任何其他剖分轴承能力。

Bowman 承认 3D 打印不会取代所有类型轴承的传统工艺。然而，在剖分式轴承市场中，该技术已经成为标准的制造选择。

用于豪华双体船的更轻的轴承保持架

Scheurer Swiss 工程公司将 3D 打印和碳纤维复合材料相结合，为双体船设计了更轻、更高效的轴承保持架，双体船是一种由框架连接的两个船体组成的船。

一艘名为 Moonwave 的私有豪华帆船需要更高效的轴承保持架，用于其转向机构中的滚珠轴承。为了使 Moonwave 的转向更顺畅、更轻松，零件需要重量轻、坚固耐用。

为了实现这些目标，Scheurer Swiss 使用碳纤维增强聚酰胺 12 (PA12) 和 3D 打印来生产保持架。由于每个笼子的尺寸很大，直径可达 630 毫米，因此它们被 3D 打印成碎片，然后使用粘合剂连接在一起。

据 Scheurer 称，如果使用标准成型工艺，该项目至少需要三周时间。使用3D打印，设计和生产零件只需要三天时间。

现在，复合材料保持架已安装在先进的钛制舵承系统内，使豪华双体船的转向更加容易。

用于航空航天的轻质金属 3D 打印轴承

专门从事轻型运动系统的德国公司 Franke GmbH 的任务是制造一种钢丝滚道轴承，用于救援直升机的病床。

轴承的关键要求是其最大重量为 800 克，并且能够承受飞行过程中的冲击、振动和大湍流。该公司很快发现，使用传统制造方法不可能制造出如此轻量的零件。

因此，弗兰卡采用了先进的设计技术，使轴承尽可能轻量化。其中一种技术是拓扑优化，它使 Franke 团队能够通过分析部件的载荷、重量和尺寸等不同参数来优化部件设计中的材料分布。

拓扑优化的设计也具有复杂的晶格结构，只能在 3D 打印的帮助下制造。

最终的轴承采用铝材 3D 打印，满足重量和性能要求，并成功安装在直升机上。

在航空航天工业中，工程师利用一切机会减轻飞机中使用的部件的重量。正如 Franke 所展示的那样，金属 3D 打印轴承是一种解决方案，可以帮助飞机制造商为其飞机带来切实的重量减轻。

展望未来

3D 打印使轴承制造商能够灵活地生产性能更高的轴承。该技术不需要昂贵的工具，因此可以对传统方法在经济上不可行的形式和特征进行具有成本效益的实验。

此外，轴承制造商可以在该技术中使用多种材料，从增强聚合物到金属。在某些情况下，3D 可打印材料可以提供额外的特性，如柔韧性或增加的刚度，这是传统生产工艺中使用的材料难以实现的。

展望未来，3D打印技术为轴承生产带来的附加值，将成为中小批量轴承制造的标准方法。

在我们的下一篇文章中，我们将介绍自行车的 3D 打印。敬请期待！