Industrieller 3D-Druck: 6 Wege, Kosten zu senken und Designs zu verbessern
Mit 3D-Druck lassen sich bei der Prototypenherstellung und Kleinserienfertigung Kosten sparen, vorausgesetzt, man kennt die Regeln.
Die meisten Produktentwickler und Designer haben durch jahrelange Erfahrung solide Kenntnisse erworben, wenn es um designrelevante Aspekte des 3D-Drucks geht. Auch als „additive Fertigung“ bekannt, umfasst sie eine Reihe von technischen Verfahren und Maschinen wie zum Beispiel FDM (Fused Deposition Modelling) zum Aufbauen von Prototyen aus schmelzfähigem Kunststoff, Laserhärtungsverfahren, mit denen Teile aus photopolymeren Kunststoffen hergestellt werden, und Metall-3D-Drucker, die nach einem als „Powder-Bed Fusion“ bezeichneten Verfahren Metall- und Kunststoffkomponenten mit hoher Dichte produzieren.
Alle bieten bei der Prototypenherstellung großes Potenzial für Kosteneinsparungen. Zwei dieser Technologien – selektives Lasersintern (SLS) und direktes Metall-Lasersintern (DMLS) – reduzieren die Kosten durch schnellere Produktion, geringere Werkzeugkosten, weniger Arbeitsschritte und Ausschuss sowie Teile, die trotz geringeren Gewichts nichts an Festigkeit einbüßen. SLS und DMLS haben für die zahlreichen Unternehmen, die Endanwendungsteile mit 3D-Druck herstellen, besonders große Bedeutung. Es gibt viele Beispiele:
- Boeing stellte 2016 einen Weltrekord auf, indem es das größte je mit 3D-Druck hergestellte Teil produzierte, nämlich eine Vorrichtung, die für den Bau der 777 eingesetzt wird und die Produktionszeit angeblich um Wochen verkürzt.
- Das innovative Messverfahren der dänischen Firma SBT Aqua zur schnellen und sicheren Bestimmung von Verunreinigungen im Wasser sorgt für sauberes und gesundes Trinkwasser.
- Activated Research Company setzt DMLS ein, um ein radikal neues Design für ihren in ein Gaschromatographiesystem integrierten katalytischen Mikroreaktor Polyarc zu entwickeln, der innerhalb von nur 15 Monaten auf den Markt gebracht werden konnte.
- Raytheon setzt den 3D-Druck für Raketentriebwerke, Flossen und Steuersystemkomponenten für Lenkflugkörper ein. So sind die Teile in Stunden statt Tagen fertig.
- Brunswick Corporation nutzte den 3D-Druck für Klimagitter auf seinen Sea Ray-Yachten, wodurch sich Einwegwerkzeuge erübrigten und die Produktentwicklung beschleunigt wurde.
In all diesen Fällen wurden als Resultat höhere Funktionsfähigkeit, geringeres Gewicht, niedrigere Herstellungskosten und oft sogar all dies auf einmal erzielt. Hier sind sechs Design-Überlegungen, durch die diese Vorteile realisiert werden konnten:
1. Optimierung des Designs
Für ein gutes Design von 3-Druck-Teilen sind viele der Regeln relevant, die auch für Spritzgussteile gelten. Fließende Übergänge zwischen aneinandergrenzenden Flächen verwenden. Große Differenzen bei Querschnitt und Teilevolumen vermeiden. Scharfe Ecken vermeiden, die im Fertigteil oft eine Restspannung bewirken. Darauf achten, dass dünne, nicht abgestützte Wände nicht zu hoch werden, da es andernfalls zu Beulung oder Verziehung kommen kann. Auch besteht bei Flächen mit flachen Winkeln die Tendenz zu einem hässlichen „Stufeneffekt“, sodass sie sich nicht für kosmetische Merkmale eignen. Deshalb sollten diese nach Möglichkeit abgeflacht werden.
2. Die Tradition über Bord werfen
Die imponierendsten Teiledesigns für den 3D-Druck nutzen die Fähigkeit des Verfahrens, „organische“ Formen wie Wabenstrukturen und komplexe Matrizen zu schaffen. Wagen Sie sich ruhig an diese Formen, sofern sie zur Leichtigkeit und Festigkeit des Teils beitragen. Auch zahlreiche Löcher im Design bereiten grundsätzlich keine Probleme. Bei traditionellen Fertigungsverfahren bedeutet das Bohren von Löchern in ein massives Werkstück höhere Teilekosten und mehr Abfall. Nicht so beim 3D-Druck, wo mehr Löcher weniger Pulver und kürzere Verarbeitungszeit bedeuten. Und denken Sie daran: Beim 3D-Druck brauchen Löcher nicht rund zu sein. Oft passt eine elliptische, sechseckige oder freie Lochform besser zum Teiledesign und lässt sich mit 3D-Druck leichter realisieren.
3. An die nächsten Schritte im Designzyklus denken
Die Tatsache, dass es möglich ist, Teile mit vielen Löchern zu drucken, bedeutet jedoch nicht, dass dies auch zu empfehlen ist. Besonders dann, wenn die Teile später in größeren Mengen gefertigt werden sollen: Da der 3D-Druck beim Design enorme Flexibilität bietet, kann es leicht passieren, dass man sich verrennt und nicht berücksichtigt, wie die Teile nach der Prototypenherstellung gefertigt werden sollen. Wie die Beispiele am Anfang dieses Design-Tipps zeigen, sehen immer mehr Unternehmen im 3D-Druck ein zur Fertigung von Endanwendungsteilen geeignetes Verfahren, doch wird man bei vielen Teilen bei wachsendem Produktionsvolumen vom 3D-Druck zu Maschinenbearbeitung, Spritzguss oder Guss übergehen. Daher ist es wichtig, rechtzeitig im Designzyklus eine Machbarkeitsanalyse durchzuführen, damit eine kosteneffektive Produktion während des gesamten Teile-Lebenszyklus gewährleistet ist.
4. Sekundäre Arbeitsgänge vermeiden
Kunststoffteile, die mit SLS produziert werden, benötigen während des Aufbaus keine Stützstrukturen, weswegen die Nachbearbeitung in der Regel auf Perlstrahlen, Lackieren, Aufbohren und das Schneiden von Löchern sowie die maschinelle Bearbeitung wichtiger Teilemerkmale beschränkt ist. Bei DMLS dagegen werden oft umfassende gerüstartige Strukturen benötigt, um das Metallwerkstück in seinen Bahnen zu stützen und zu leiten – sonst könnten sich die Oberflächen wellen oder verformen. Dies gilt besonders bei Geometrien mit Überhängen – breite T-Formen beispielsweise, die Achselstützen benötigen, welche dann herausgefräst oder -geschliffen werden müssen, wodurch Kosten und Vorlaufzeit steigen. Ähnlich, aber weniger dramatisch sieht es bei SLS aus, wo Stützen aus gehärtetem Kunststoff mit einem Handschleifer und etwas Schleifpapier entfernt werden können. Sofern möglich, wird Proto Labs die Teile so ausrichten, dass derartige Überhänge und andere Schwierigkeiten reduziert werden, aber Teiledesigner können mithelfen, indem sie solche Merkmale von Anfang an sparsam einsetzen.
5. Auf die Toleranzen achten
Designer und Ingenieure sollten es möglichst vermeiden, die Toleranzvorgaben für ihre Teile zu eng zu bemessen, andernfalls müssen die Teile in dünneren Schichten gefertigt werden, was Druckzeit und Kosten erhöht. In vielen Fällen sind dann sekundäre Bearbeitungsvorgänge erforderlich, um zu strenge Abmessungsvorgaben zu erfüllen. Und weil der 3D-Druck so viele Möglichkeiten für kleinere Fertigungsvolumen bietet, ist die supergenaue Übereinstimmung von Passflächen nicht mehr so wichtig. Das ist ein weiteres Beispiel dafür, wie sich mit dieser Technologie Fertigungskosten sparen lassen
6. Das Große und Ganze im Auge behalten
3D-gedruckte Teile kosten anfangs möglicherweise etwas mehr, aber lassen Sie sich davon nicht abschrecken. Mit diesem Verfahren erschließen sich ungeahnte Möglichkeiten zur Reduzierung der Teilezahl und des Gewichts, zur Erzielung von größerer struktureller Integrität und geringeren Montagekosten sowie zur Fertigung von Innenkanälen für Kühlung oder Leitungen und anderer Merkmale, die bei herkömmlichen Designs nicht möglich sind. Denken Sie auch daran, dass beim 3D-Druck keine Vorrichtungen, Formen oder anderen Werkzeuge benötigt werden - schon allein hierdurch sinken diejenigen Kosten, die nicht direkt mit dem Teil an sich verbunden sind. Wenn Sie sich auf das Preisschild des Teils statt auf die Funktionsfähigkeit des Produkts und den gesamten Lebenszyklus konzentrieren, laufen Sie Gefahr, die gleichen Teile wie bisher zu entwickeln und damit Chancen zu verpassen, die Fertigungskosten insgesamt zu reduzieren.
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Quellen: Proto Labs, Concept Laser Corp., EOS. Inc.