Filigrane Bauteile für perfektes Zusammenspiel – schnell gedruckt und geliefert

• Was wurde benötigt: Bauteile für die Hammerkapsel eines Klaviers
• Herstellungsverfahren: Selektives Lasersintern mit SLS Pulver
• Anforderungen: Passgenaue, reibungsarme und verschleißfeste Teile
• Material: iglidur I3
• Branche: Musikbranche
• Erfolg durch die Zusammenarbeit: Kostengünstige Herstellung kundenindividueller Funktionsteile, verbesserte Feuchtigkeits- und Witterungsbeständigkeit, Langlebigkeit

Die Anwendung auf einen Blick:
Im traditionellen Klavierbau bestehen die meisten Bauteile aus Holz. Um der Anfälligkeit von Holz gegenüber veränderter Luftfeuchtigkeit oder Raumtemperatur entgegenzuwirken, entwickelte Phoenix Pianos unter der Leitung von Richard Dain das D3D-Hammersystem. Die Hammermechanik, die für das Erzeugen der Töne verantwortlich ist, besteht in der überarbeiteten Version fast ausschließlich aus Kohlefasergewebe und Kunststoff. Für die beweglichen und feststehenden Bauteile der Hammerkapsel kam der tribologisch optimierte Hochleistungskunststoff iglidur I3 zum Einsatz. Die im Lasersintern hergestellten Anschlaghämmer ermöglichen den präzisen Nachbau der Originalbauteile, verbessern die Klangeigenschaften, steigern die Lebensdauer und reduzieren den Wartungsaufwand.

 

Hammerkapsel aus iglidur I3 mit Metallstift

Problem

Das Baumaterial Holz steht im Mittelpunkt der jahrhundertealten Tradition des Klavierbaus. Insbesondere die Hammermechanik, mit der die Saiten im Klavier angeschlagen werden, bedarf einer hohen Präzision und somit auch eines hohen Wartungsaufwandes. Die Anfälligkeit von Holz bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur war nur einer der vielen Gründe, weswegen der Leiter des britischen Unternehmens Phoenix Pianos nach einer resistenteren Alternative suchte. Dabei mussten die alternativen Werkstoffe jedoch die bestehenden Anforderungen für filigrane Bauteile, die sich passgenau in die Mechanik einfügen lassen und reibungsarm agieren, erfüllen. Gleichzeitig sind die Teile durch unendlich vieler Tastenanschläge einem hohen Verschleiß ausgesetzt.

Lösung

Für die Hammerkapsel, die aus einem beweglichen und einem am Klavier befestigten Bauteil besteht, konnte igus ein Prototyp im additiven Verfahren anfertigen. Statt Holz kam nun das gleitoptimierte iglidur I3 für die Teile zum Einsatz, ein verschleißfester SLS-Kunststoff, der den Anforderungen im Klavierbau hinsichtlich Temperatur oder Luftfeuchtigkeit entspricht. Gleichzeitig ermöglicht der 3D-Druck die schnelle Produktion identischer Teile. Die regelmäßige Nachjustierung, um ungewollte Nebentöne zu vermeiden, kann hiermit auf ein Minimum reduziert werden. Die elfenbeinähnliche Farbe von iglidur I3 rundet die Funktionsteile ab und lässt im klassischen Klavierbau auf den ersten Blick nicht auf Kunststoff schließen.

Traditioneller Klavierbau, moderne Bauteile

Die Mechanik, mit der ein Pianist am Klavier Töne erzeugt, ist prinzipiell sehr einfach gestaltet. Im Innenraum des Klaviers ist pro Taste eine Saite gespannt. Per Tastendruck wird eine Mechanik ausgelöst, bei der ein an einem Stiel befestigten Hammer auf die dazugehörende Saite schlägt. Im traditionellen Klavierbau wurde für die festen Bauteile dieser Hammermechanik Hainbuche als Werkstoff verbaut. Holz reagiert allerdings empfindlich auf Änderungen in der Temperatur und Luftfeuchtigkeit und das hat Auswirkungen auf den Klang des Klaviers. Als Folge muss das Klavier regelmäßig nachgestimmt und gewartet werden. Für den Leiter des Unternehmens Phoenix Pianos, Richard Dain, war das ein guter Grund, die Hammermechanik zu überarbeiten. Als Ingenieur und Amateur-Pianist setzte er sich zum Ziel, die witterungsanfälligen Holzteile durch beständigere Werkstoffe zu ersetzen, ohne dabei an Klang einbüßen zu müssen. Den Stiel der Hammermechanik ersetzte er durch komplexes Kohlefasergewebe, das sehr stabil und gleichzeitig leicht ist. Die Einheitlichkeit und das leichte Gewicht ermöglichen eine erstklassige, klimabeständige Performance. Für die verbleibenden Bauteile der Hammerkapsel, die aus einem fest installierten und einem beweglichen Element besteht, arbeitete Dain mit dem 3D-Druck Team der igus GmbH zusammen.

Große Werkstoff-Auswahl bei igus

Aus der Zusammenarbeit von Richard Dain mit dem 3D-Druck Team der igus GmbH entstand das D3D-Hammersystem, in dem jedes Holzteil durch ein Kunststoffteil ersetzt wird. Durch das Lasersinter-Verfahren war es möglich, in kürzester Zeit einen Prototyp für die Hammerkapsel herzustellen und zu testen. Der Vorteil des Verfahrens ist die Detailgenauigkeit, mit der die gewünschte Form der Bauteile gedruckt werden kann. Mit dem eigens für das Lasersintern entwickelten Kunststoff iglidur I3 wurde Dain schnell fündig. Die neuen iglidur-Komponenten der Hammermechanik sind besonders verschleißfest und versprechen eine langlebige und gleichbleibende Ausführung der Mechanik. Die Bauteile der Kapsel sind mit einem Metallstift verbunden, der im Zusammenspiel mit den iglidur Kunststoffen über besonders niedrige Reibwerte verfügt.

Auch im Praxistest bewährt sich das neue System: Pianisten vergleichen die Veränderung mit einem Umstieg von einem Ford T-Modell auf einen Ferrari. Nach einer ersten Eingewöhnung sind diese in der Lage mit weniger Aufwand mehr Leistung produzieren zu können und somit eine ganz neue Verbundenheit zum Instrument herstellen zu können. 

iglidur I3 – innovativer 3D-Druck-Kunststoff für bewährte Mechanik

Dank des iglidur I3 SLS-Materials gelang es, die Anforderungen an die neue Hammerkapsel zu erfüllen, wenn nicht sogar zu übertreffen. Die hohe Verschleißfestigkeit des Kunststoffs ist genau für Gleitanwendungen ausgelegt und die Bauteile bleiben durch die Festigkeit des Materials stabil. Darüber hinaus sitzen die Teile passgenau und sind bis zu 50-mal verschleißfester als andere Kunststoffe, was eine gleichbleibende mechanische Bewegung auch nach vielen Tausend Anschlägen gewährleistet.

iglidur I3 weist eine hohe Festigkeit und Witterungsbeständigkeit auf und könnte laut Dain sogar die Lebensdauer des Klaviers selbst überschreiten. Da iglidur Kunststoffe mit Festschmierstoffen angereichert sind, laufen die daraus hergestellten Bauteile schmier- und wartungsfrei im Trockenlauf. Hinzu kommt die elfenbeinähnliche Farbe des Materials, die die Gesamtoptik der Hammermechanik unterstützt.

Die Fertigung von individuellen Bauteilen aus iglidur I3 dauert nur 1 bis 3 Tage und ist bereits ab Losgröße 1 wirtschaftlich, da keine Werkzeug- und Nachbearbeitungskosten anfallen. Die Bestellung erfolgt schnell und unkompliziert über den online 3D-Druck-Service: Das 3D-Modell des benötigten Bauteils kann als STEP-Datei über das Browserfenster hochgeladen werden. Das Modell, der Preis und die Preisstaffelung je nach Material sowie die Fertigungszeit werden sofort angezeigt. Die Herstellbarkeit des Bauteils in dem ausgewählten Verfahren wird sofort geprüft und potenzielle Problemstellen markiert. Gedruckte Teile können geglättet, eingefärbt oder bei bedarf mechanisch bearbeitet werden. 

Richard Dain, Leiter des Unternehmens Phoenix Pianos