Selbstschmierende Zahnräder von igus für kompakte Medizingeräte

Medikamentendosierer: Für die Ausgabe der Tabletten sorgt ein Kegelradantrieb, der aus zwei gedruckten Kegelrädern besteht und einen Zahnriemen antreibt.

Wenn es um das passende Material für ein Zahnrad geht, stehen Konstrukteure vor der Qual der Wahl. Häufig wird aus Gewohnheit zur gefrästen Lösung aus POM oder Metall gegriffen. Beide Varianten benötigen gewöhnlich eine regelmäßige Schmierung mit Schmierölen oder -fetten, um den Verschleiß und die Reibung zu minimieren. Gerade in der Medizintechnik ist Schmierung allerdings nicht gerne gesehen, denn neben der notwendigen Wartung können die Schmierstoffe auch austreten und die Umgebung kontaminieren. Ganz anders ist das bei Zahnrädern, die aus tribologisch optimierten Hochleistungskunststoffen bestehen. Der Kunststoffspezialist igus aus Köln setzt zum Beispiel für die Fertigung von Zahnrädern auf tribologisch optimierte Kunststoffe, in denen Festschmierstoffe bereits integriert sind. Die robusten Materialien sind also selbstschmierend und damit nahezu wartungsfrei. Zudem benötigt die Herstellung von Zahnrädern aus Kunststoff rund 50 Prozent weniger Energie als die gleiche Fläche an Stahl, auch das Gewicht ist ein Vorteil.

Neben iglidur i3 bietet igus eine Vielzahl an Materialien sowohl für das selektive Lasersintern wie auch für den FDM- und DLP-Druck.

Komplexes Design mit Einzelstückmontage

Besonders die Medizintechnik weiß die Vorteile der Hochleistungskunststoffe zu schätzen, wie das Beispiel eines schwäbischen Mittelständlers zeigt. Die Firma produziert unter anderem Medikamentendosierer, die bis zu fünfmal am Tag Tabletten ausgeben. Im Inneren der kompakten Geräte herrscht nur wenig Platz, es braucht daher zuverlässige und wartungsfreie Bauteile. Für die Ausgabe der Tabletten sorgt ein Kegelradantrieb, der aus zwei gedruckten Kegelrädern besteht und einen Zahnriemen antreibt. Traditionell fertigen Hersteller Kunststoffzahnräder per Spritzguss oder fräsen sie aus Halbzeugen. Mit diesen Verfahren lassen sich insbesondere hohe Stückzahlen bei einer breiten Materialvielfalt sehr wirtschaftlich herstellen. Die Kegelzahnräder im Medikamentendosierer mussten jedoch den geringen Bauraumanforderungen gerecht werden und benötigten daher ein sehr komplexes Design mit Einzelstückmontage. Was im Spritzguss oder mechanischer Bearbeitung nur schwer oder sehr kostspielig erreicht werden kann, ist kein Problem im dritten Herstellungsverfahren: der Fertigung von Zahnrädern im 3D-Druck, wie sie igus seit nunmehr sieben Jahren anbietet.

Zur Hannover Messe 2025 stellte igus das neue Resin iglidur i4000 vor, das eine gesteigerte Bruchdehnung und eine höhere Lebensdauer als der Vorgänger i3000 aufweist.

3D-Druck krempelt Zahnrad-Fertigung um

Dank der Weiterentwicklung des 3D-Drucks haben sich die Herstellungsverfahren in der Industrie stark gewandelt. Sonderbauteile, Prototypen oder Kleinserien ab Stückzahl 1 zu fertigen, ist im Spritzguss wenig wirtschaftlich – zu teuer ist die Herstellung von Gussformen, die sich meist erst bei größeren Serien lohnen. Eine ähnliche Problematik sehen Unternehmen beim Drehen und Fräsen aus Halbzeugen. In der Praxis steigt die Komplexität an Bauteilen aber stetig an. Während die Kundinnen und Kunden früher teils mehrere Wochen auf ihr Bauteil warten mussten, liefert igus seine 3D-gedruckten Zahnräder innerhalb von drei Tagen. Das Kölner Unternehmen bietet mit seinem „Design for Manufacturing“ eine beinahe unendliche Vielfalt an Zahnrädern mit komplexen Geometrien.

Höhere Lebensdauer als POM im SLS-Verfahren

Für Zahnräder aus dem 3D-Druck nutzt igus insbesondere das eigens für das Lasersintern entwickelte Material iglidur i3. Es kommt dort zum Einsatz, wo eine niedrige Reibung und eine hohe Verschleißfestigkeit gefordert sind. Gegenüber herkömmlichen Kunststoffen für das Lasersintern hat es im igus Testlabor eine bis zu 30-mal höhere Abriebfestigkeit aufgewiesen. iglidur i3 hat sich in den vielen Jahren als sehr performant, insbesondere als Ersatz für mechanisch bearbeitetes POM herausgestellt. Möglich macht das die spezielle Werkstoffzusammensetzung aus Basispolymeren, Fasern, Füllstoffen und Festschmierstoffen. Der Hersteller nutzt iglidur i3 häufig dann, wenn eine hohe mechanische Festigkeit gefordert ist – wie bei Antriebsmuttern, Sondergleitern, Gelenklagern, Kegelrädern und Stirnzahnrädern. Die Fertigung von 3D-gedruckten Zahnrädern ist sehr materialsparend und hochindividuell. Neben iglidur i3 bietet igus eine Vielzahl an Materialien sowohl für das Selektive Lasersintern wie auch für den FDM- und DLP-Druck. Dazu zählen das PFAS-freie iglidur i230 SLS-Pulver für Temperaturen bis zu 110° C, das elektrostatisch ableitende iglidur i8-ESD SLS-Pulver und verschiedene 3D-Druck-Filamente wie iglidur i190.

Je nach Anwendung berät igus zum passenden Zahnrad, den Materialien und dem Herstellungsprozess. Denn neben dem 3D-Druck liefert das Unternehmen auch spritzgegossene Zahnräder. „Den Spritzguss empfehlen wir bei Großserien und Bauteilen, die spezielle Materialanforderungen und hohe Ansprüche an die Präzision haben“, sagt Steffen Schack, Leiter des Geschäftsbereichs drygear Zahnrad- und Getriebetechnik. Für großvolumige Zahnräder bietet sich manchmal auch die mechanische Fertigung aus den iglidur-Halbzeugen an, die für diesen Anwendungsfall bereits bei kleinen bis mittleren Stückzahlen wirtschaftlich ist. Wer im Onlineshop nicht fündig wird, kann sich mit einer kostenlosen Checkliste individuell beraten lassen. Konstrukteure, die bereits eine Zeichnung oder CAD-Datei zum Zahnrad erstellt haben, können es direkt online bestellen oder anfragen.

3D-Druck entwickelt sich weiter

Von Losgröße 1 bis zur Millionenserie: Zahnräder spielen auch in Zukunft eine tragende Rolle in vielen Anwendungen. Mit Kunststoffbauteilen von igus reduziert sich der Wartungsaufwand signifikant. Die Fortentwicklung des 3D-Drucks, insbesondere im DLP- und LCD-Druck, wird es künftig noch leichter machen, im Handumdrehen das passende Teil in die eigene Anwendung zu verbauen. Zur Hannover Messe 2025 stellte igus das neue Resin iglidur i4000 vor, das eine gesteigerte Bruchdehnung und eine höhere Lebensdauer als der Vorgänger i3000 aufweist und sich dadurch noch besser für Zahnradanwendungen eignet.