Das Thema 3D Druck ist für viele neu und hat so viele Einsatzfelder, dass es oft schwer ist, einen Überblick über die unterschiedlichen Verfahren und deren speziellen Nutzen zu erlangen. Oft besteht beim ersten Kontakt mit der 3D Druck Welt nur eine vage Vorstellung von dem, was mit 3D Druck alles möglich ist. Wir wollen darum anhand von praktischen Beispielen aus unserem Unternehmensalltag – wie hier dem Rapid Prototyping – einen Einblick in diese Welt ermöglichen.
Der 3D Druck von Prototypen ist einer der am häufigsten genutzten Einsatzbereiche. Das kommt nicht von ungefähr. Es liegt nahe, ein Verfahren, das die relativ schnelle Erzeugung von plastischen Körpern ermöglicht, genau dafür einzusetzen. So kann man mit vergleichsweise wenig Aufwand und Kosten die eigenen Ideen testen, validieren und in mehreren Schritten zum finalen Produkt entwickeln.
Um Ihnen das Thema Rapid Prototyping näher zu bringen, möchten wir Ihnen den Einsatz verschiedener Rapid Prototyping Verfahren an einem praktischen Beispiel im eigenen Unternehmen zeigen. Dabei gehen wir auf Unterschiede der Verfahren und deren Vor- und Nachteile ein.
Rapid Prototyping am Beispiel von Stanzteilen
Bei einigen Herstellungsverfahren für Teile in großer Stückzahl wie z.B. Spritzguss, Strangpressen oder Stanzen ist eine vorherige Validierung des Designs ein erheblicher Faktor zur Kostenreduzierung. Warum ist das so? Nun der Vorteil dieser Verfahren liegt in der Ausbringung von sehr vielen Teilen in kurzer Zeit. Allerdings sind die dafür zu erbringenden initialen Investitionskosten vergleichsweise hoch, sodass diese Verfahren erst ab einer bestimmten Losgröße interessant sind. Die hohen Kosten entstehen maßgeblich bei der Herstellung der Formwerkzeuge wie einer Spritzguss- oder einer Stanzform.
Um zu vermeiden, dass man mehrfach in solch ein teures Werkzeug investiert, bis man das Design des Endprodukts finalisiert hat, ist der 3D Druck von Prototypen ideal. Es spart Zeit, Kosten und führt zielgerichtet zu einem kompromisslosen Ergebnis.
Stanzteile für die Produktion von Bilderrahmen entwickeln
Für die Bilderrahmen Sparte unseres Unternehmens haben wir unser Know-How aus unserem 3D Druck Service genau für den vorher beschriebenen Fall eingesetzt und mittels 3D gedruckter Prototypen schnell und mit geringem Aufwand Abhilfe für ein Problem geschaffen.
Stahlwinkel zur Verbindung von Kunststoffleisten
Während der Fertigung eines Bilderrahmens müssen die einzelnen, auf eine 45°-Gehrung geschnittenen Schenkel miteinander verbunden werden. Im Fall von Bilderrahmen aus Kunststoff erfolgt dies über den Einsatz von speziellen Stahlwinkeln. Diese werden in dafür vorgesehene Konturen im Profilquerschnitt eingeführt und mithilfe einer Pressvorrichtung im Kunststoff befestigt..
Das Problem - Fertigungstoleranzen der Kunststoffleisten
Die bei der Fertigung von Kunststoffbilderrahmen verwendeten Leisten können produktionsbedingt von Charge zu Charge leichte Abweichungen haben. Für den Endkunden ist dies in der Regel nicht ersichtlich und auch bei der Produktion der Rahmen sind gewisse Abweichungen tolerierbar. Liegen diese Fertigungstoleranzen jedoch außerhalb einer gewissen Bandbreite, führt dies beim Einsetzen der bisher verwendeten Stahlwinkel in das Profil zu Problemen. Sie lassen sich dann entweder zu schwer oder gar nicht einschieben. In beiden Fällen ist somit die Fertigung erschwert oder sogar gar nicht möglich. Was also tun, um das Problem zu lösen?
Die Lösung - neue Stahlwinkel mittels 3D Druck entwickeln
Das beschriebene Problem kann natürlich auf unterschiedliche Weise gelöst werden, aber die in unseren Augen am besten geeignete Lösung war das Redesign der existierenden Stahlwinkel. Das im eigenen Unternehmen vorhandene Know-How im Bereich Konstruktion und die Verfügbarkeit von 3D Druckern sowie Prozessen für das Rapid Prototyping waren für diese Entscheidung maßgebend.
Die im Profil für die Winkel vorgesehene Öffnung sollte normalerweise 1,8 mm breit sein. Jedoch kam es bei diesem Maß zu Abweichungen bis zu 0,1 mm. Aus fertigungstechnischer Sicht und den generellen Anforderungen entsprechend ist das vertretbar.
Die Winkel sind jedoch so konzipiert, dass sie möglichst eng in die Öffnung passen, um eine stabile Verbindung zu schaffen. Seitlich angewinkelte Widerhaken sorgen beim Verpressen für Stabilität. Durch diese wurde das Einlegen der Winkel jedoch erschwert. Wir haben alle relevanten Teile grundlegend vermessen. Danach sind wir zu dem Schluss gekommen, dass die Dicke des für die Winkel verwendeten Materials von 1,7 mm angepasst werden muss. Um nicht im gleichen Atemzug die Stabilität der Verbindung zu beeinträchtigen, war es auch nötig den Winkel der Widerhaken anzupassen.
Hier bot sich nun die Möglichkeit Optimierungen am Materialverbrauch vorzunehmen und somit Produktionskosten zu sparen. Um ein Optimum zwischen Senkung der Materialkosten und Erhaltung der Stabilität bei gesteigerter Funktionalität zu finden, war es nötig sich iterativ an das finale Teil anzunähern. Hierfür bieten sich die verschiedenen Verfahren des 3D Drucks ideal an. Mit deren Hilfe ist es möglich, sowohl maßgenaue als auch funktionale Prototypen zu testen.
SLM und SLA - 3D Druck-Verfahren zum Erstellen von Prototypen
Um Änderungen an den CAD-Daten schnell in einem Prototypen umzusetzen, entschieden wir uns für den Einsatz der Stereolithographie (SLA) und des Selektiven Laserschmelzens (Selective Laser Melting SLM).
Das SLA Verfahren hat sich beim Überprüfen von Maß- und Passgenauigkeit bewährt. Aufgrund der Einschränkungen in der Materialauswahl ist es meist nicht für Funktionalitätstest geeignet.
Um die Änderungen der Maße und ihren Einfluss auf die Stabilität der Pressverbindung zu testen, haben wir einen funktionalen Prototypen mithilfe des SLM Verfahrens hergestellt. Durch SLM lassen sich Prototypen aus verschiedensten metallischen oder polymerartigen Pulvern fertigen. Dieses Verfahren sorgt durch das Aufschmelzen der Pulverkörner für eine sehr feste Verbindung innerhalb des Materials. Es ist hervorragend dafür geeignet Prototypen oder Bauteile mit funktionalen Eigenschaften erzeugen. Bei Bauteilen, die mit diesem Verfahren hergestellt wurden, sind meist Nachbearbeitungsverfahren nötig. Durch schleifen oder sogar fräsen können die gewünschte Oberflächeneigenschaften erzielt werden. Auch die Stützstrukturen, welche das Bauteil innerhalb des Druckvorganges unterstützen und in Position halten, müssen meist manuell entfernt werden.
Konstruktion und Fertigung mit CAD
Für CAD-Prozesse verwenden wir professionelle Softwarelösungen mit entsprechenden Schnittstellen für Folgeprozesse. Wir haben so die Möglichkeiten von der Konstruktion über die Simulation bis hin zur Fertigung mit einer geschlossenen Prozesskette zu arbeiten, die uns schnelle Änderungen mit sofortigen Ergebnissen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass man aktuelle CAD Daten direkt an die Software des 3D Druckers ausgeben kann. Weitere Dateien müssen nicht erzeugt werden. Somit konnten wir gemäß dem Prinzip des Rapid Prototypings durch iterative Designanpassungen schnell verschiedene Versionen mit dem SLA Verfahren herstellen und testen.
Durch Rapid Prototyping zum gewünschten Ergebnis
Mithilfe des 3D Drucks haben wir in kurzer Zeit, mit wenig finanziellem Aufwand und Risiko, ein finalisiertes Design erzeugt, getestet und freigegeben. Die dadurch in Auftrag gegebenen Stanzteile wurden in die Bilderrahmenproduktion eingeführt und sind dort seitdem ohne Beanstandung im Einsatz.
Das dem Projekt zu Grunde liegende Problem wurde vollständig beseitigt.
Haben Sie ähnliche Teile im Einsatz oder stellen Sie Probleme in Ihrer Fertigung fest, scheuen sich aber diese auf Grund der hohen Kosten und des Zeitbedarfs anzugehen? Laufen bei Ihnen Projekte zur Verbesserung von Funktionalität oder Qualität, die einfach nicht enden wollen? Nutzen Sie unsere Kompetenzen. Fragen Sie uns!
