3D-Druck in der Serienfertigung


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Additive Fertigung bei ERS - Produktionsdruck


Sie kennen uns bislang als Lösungsanbieter für 3D-Drucke im STL-Verfahren*)  mit unterschiedlichen Materialien - ganz nach Ihren Anforderungen.
Seit Beginn des dem vierten Quartals 2019 haben wir mit dem Neuen HP Multi Jet Fusion 540 den Bereich des reinen Prototyping-Drucks verlassen. Damit ist es erstmals möglich, Kunststoffteile in Kleinserien zu konkurrenzfähigen Kosten**)  zu drucken. Wir bieten Ihnen von der Designidee, über die Konstruktionsunterstützung bis hin zum Fertigen Bauteil die komplette Dienstleistungskette für PA12-Teile. Nennen Sie uns Ihren Anwendungsfall, wir beraten sie gerne!

*)Stereo-Lithographie
*)) meist liegt der Break-even für Spritzgussbauteile erst bei 4.000-30.000 Teilen gegenüber Herstellung im MJF Verfahren (Quelle: HP)
RopeFix Führungen - Größenvergleich
Kofferverschluss
Vorrichtung in der QS Zugprüfung mit Druckbleastung >100kg

Additive Fertigungsverfahren bei ERS

HP Multi Jet Fusion

Multi Jet Fusion (MJF) ist ein pulverbettbasiertes Verfahren, bei dem das Pulver schichtweise durch eine Lampeneinheit aufgeschmolzen und in ein isotropes Material ausgehärtet wird.
Bei diesem Verfahren werden zwei unterschiedliche Flüssigkeiten, sogenannte Agents auf die Pulverschicht aufgetragen. Ein Agent sorgt durch seine Farbgebung für eine verbesserte Aufnahme der Heizenergie der Lampeneinheit, der andere Agent bewirkt eine Reflexion und somit ein „kühlen“ der mit ihm benetzen Bereiche. Da das Pulverbett insgesamt bis kurz unter der Schmelztemperatur des Materials aufgeheizt ist, bewirkt der Wärmeeinfluss der Lampeneinheit ein lokales Aufschmelzen der entsprechend dunkel benetzten Bereiche und ein sehr gutes Verbinden des Materials mit den darunter liegenden Schichten.

3D-Druck-MJF-Verfahren

Formlabs - Stereolithographie (SLA)

Stereolithographie (SLA) 3D-Druck verwendet einen Laser (1), um flüssiges Fotopolymerharz in feste isotrope Teile (2) zu härten.
Bei dem verwendeten Verfahren, der umgekehrten SLA, wird eine Bauplattform (3) in einen Harztank (4) abgesenkt, wobei nur eine dünne Flüssigkeitsschicht zwischen der Plattform und dem Boden des Tanks verbleibt. Galvanometer (5) lenken den Laser durch ein transparentes Fenster am Boden des Harzbehälters, zeichnen einen Querschnitt des 3D-Modells und härten das Material selektiv aus. Der Druck besteht aus aufeinander folgenden Schichten mit einer Dicke von jeweils weniger als einhundert Mikrometern. Stützkonstruktionen (6) halten Überhänge an der Plattform, wo dies erforderlich ist. 

Wenn eine Schicht fertig ist, wird das Teil vom Boden des Tanks abgezogen, so dass frisches Harz darunter fließt, und die Plattform wird erneut abgesenkt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Druck abgeschlossen ist.

Die Stereolithographie ist ideal für:

  • Rapid-Prototyping
  • Funktionales Prototyping
  • Konzeptmodellierung
  • Kleinserienfertigung
  • Dentalanwendungen
  • Schmuck Prototyping
  • Wachsausschmelz-Gießformen


Alles über die formlabs-Materialien unter: 
https://formlabs.com/materials/
3D-Druck-SLA-Verfahren

Vergleich zwischen den Fertigungsverfahren

Vergleich Multi Jet Fusion - Spritzguss:

- MJF Teile kühlen sehr viel langsamer ab, als Spritzgussbauteile. Von daher erreicht das Material eine geringere Bruchdehnung, aber höhere Zugfestigkeit und höheres E-Modul, als vergleichbare Bauteile im Spritzgussverfahren. 

- Die Teilekosten beim Spritzguss beinhalten einen hohen Anteil an Werkzeugkosten. Man muss für einen „richtigen“ Vergleich zusätzlich auch die Zeiten für die Werkzeug- Konstruktion, -Fertigung und -Nacharbeiten berücksichtigen. Dann wird die Entscheidung fast immer zu Gunsten des MJF-Teils fallen, sofern man sich im Bereich von 3.000 bis etwa 40.000 Bauteilen bewegt. Erst bei höheren Stückzahlen kann dann der Spritzguss seine Vorteile der geringen Zykluszeit und der dadurch sehr geringen Kosten pro Bauteil ausspielen. 

- Dennoch kann auch bei anvisierten oder fest geplanten, höheren Stückzahlen eine sogenannte „Bridge-Production“ der Bauteile als MJF-Teile Sinn machen und zwar dann, wenn entweder die Größe des Absatzmarkts noch nicht sicher bekannt ist, und man den Invest in die (teuren) Spritzguss-Werkzeuge noch etwas  aufschieben möchte, oder, wenn schon zu Beginn klar ist, dass direkt Stückzahlen der Bauteile verkauft werden bzw. benötigt sind, so daß die (erfahrungsgemäß mindestens 8-10 Wochen) Werkzeugbauzeit mit MJF-Bauteilen überbrückt werden kann. 

Vergleich Multi Jet Fusion - Selektives Laser Sintern:

Beim MJF-VErfahren ist die Aufschmelzzeit des Pulvers um ca. den Faktor 1000 länger (60ms <-> 60µs) und mit weniger Energiedichte verbunden, daher ist der MJF-Prozess „sanfter“ zum Material. Das bedeutet für das fertige Bauteil, dass dieses sehr gute isotropische Eigenschaften aufweist, da durch die im Verhältnis lange Heizzeit, die intermolekulare Diffusion zwischen den einzelnen Schichten während des Auskristallisierens wesentlich besser abläuft, als bei Bauteilen, die im SLS-Verfahren hergestellt werden.

MJF Teile neigen auch - im Gegensatz zu SLS-Teilen - kaum zum Aufquellen im Kontakt mit Fluiden und können da sie ebenfalls über eine hohe Dichtigkeit (1,01g/m³) bzw. über eine geringe Porösität (0,5%) verfügen, sehr gut im Bereich Fluidtechnik eingesetzt werden.

Molekulare Diffusion, Reaktion und Verschränkung

LedFix Deckenlösung, voll isoliert, Kontaktierung durch EInschrauben der SeilBasis, Push-In-Klemme

Wann habe ich als Auftraggeber einen maximalen Nutzen?

Die Chancen und Möglichkeiten der Additiven Fertigung sind umso größer,
je früher im Produkt-Entstehungsprozess an diese Art der Herstellung gedacht wird:

6. Service & Support

Ist für eine Maschine oder Anlage der Zeitraum, indem Kunden mit Ersatzteilen versorgt werden abgelaufen, so kann der Hersteller durch Nutzung von additiven Fertigungsverfahren dennoch Ersatzteile anbieten und damit einen Mehrwert auf Seite seiner Kunden für langlebige Investitionsgüter schaffen. Ohne die üblicherweise damit verbundenen hohen Lagerhaltungskosten für selten genutzte Ersatzteile wird sich ein solcher Service auch auf Seite des Herstellers finanziell positiv darstellen.

5. Produkteinführung

Hier gibt es zwei Szenarien, in denen der Einsatz von Additiver Fertigung erfolgversprechend ist:
Zum Einen kann für den geplanten Serienanlauf eines Spritzgussteils die Zeit der Werkzeugfertigung - die gerne 10-14 Wochen betragen kann - überbrückt werden, so dass der Anbieter bereits wesentlich früher sein Produkt in den Markt einführen kann.
Zum Anderen besteht durch den Einsatz von Additiver Fertigung die Möglichkeit, für neue Bauteile bei einer unbekannten Marktgröße, erst einmal diesen Markt zu sondieren, bevor in ein für die echte Massenherstellung geeignetes Spritzguss-Werkzeug investiert wird.

4. Fertigungsanalyse

Wenn das Bauteil bereits fertig designed ist oder sogar gefertigt wird, so besteht die Möglichkeit einen Produktionsdruck wirtschaftlich sinnvoll einzuführen, indem Bauteilbereiche ausgehöhlt werden oder, wenn diese mechanisch belastet werden, mit internen Stützstrukturen, sogenannten Lattice-Strukturen zu füllen. So erhält man sehr leichte, aber steife Bauteile, die nur ein relativ geringes Volumen an Baumaterial benötigen.

3. Bauteildesign

Will man die Bauteile für den Prozess der Additiven Fertigung optimieren, so bieten sich verschiedene Möglichkeiten an, allen voran das eher „skelettartige“ Gestalten der Bauteile, eventuell mit der Methode der Topologieoptimierung, welche in einem Simulationsprozess die optimale Struktur anhand der angenommenen Belastungen auf das Bauteil errechnet. Diese passt der Konstrukteur dann zumeist noch auf weitere Gegebenheiten an. Eine derartige, „skelettartige“ Gestaltung von Bauteilen spart Material im Bauprozess, verhindert unnötige Wärmenester während der Fertigung und bietet dennoch die bestmögliche mechanische Festigkeit der Bauteile.

2. Produktkonstruktion / Produktarchitektur

Sofern vom Fortschritt der Produktentwicklung her möglich, sollte immer geprüft werden, in wieweit man verschiedene, konventionell gefertigte und designte Bauteile innerhalb einer BauGRUPPE zu wenigen BauTEILEN, die mittels Additiver Fertigung hergestellt werden, zusammenfassen kann. Es ergeben sich Einsparpotentiale durch weniger zu verwaltende Bauteile, durch Materialeinsparungen, aber vor Allem durch die massive Einsparung von Montagezeiten!

1. Produktdefinition

Werden mehrere der oben beschriebenen Methoden und Techniken beim Produktdesign, der Produktkonstruktion und der Fertigungsanalyse kombiniert und werden im Besten Fall weitere Maßnahmen angewendet, welche weitere Funktionen der bislang eingesetzten Bauteile und Baugruppen in das neue Bauteil integrieren (z.B. auch funktionale Oberflächen, integrierte durch Lattice-Strukturen definierte Elastizitäts-verläufe im Bauteil), so kann man davon ausgehen, dass das fertige Bauteil Eigenschafen aufweisen wird, welche mit keinem anderen Fertigungsverfahren erreichbar sind und die auf der anderen Seite für den Hersteller/Auftraggeber ein außergewöhnlich gutes Kosten/Nutzen-Verhältnis aufweisen.
Dies ist aber eben nur möglich, wenn die Möglichkeiten der Additiven Fertigung bereits zu Beginn des Produktentstehungsprozesses mit einbezogen werden.

Die 3D-Druck - Verfahren bei ERS

Produktionsdruck / Seriendruck

Eingesetzte Maschine:
Technologie:

Schichtstärke:
Druckkopfauflösung:
Bauraum:
Material:
E-Modul:
Bruchspannung:
Bruchdehnung:
Wärmeformbeständigkeit: 
IZOD-Schlagzähigkeit:

 HP Jet Fusion 540
HP Multi Jet Fusion Technologie - Pulverbasiertes Verfahren auf Basis der bewährten HP Tintenstrahltechnologie
0,08mm
1200dpi
190 x 332 x 248 mm
PA 12 (UL 94 HB, UL746A, USP Class I-VI)
1.800MPa
48MPa
14-20%
95°C bei 1,82MPa
2,8kJ/m² (bei 3,2mm, 23°C)

Spezialanwendungen

Eingesetzte Maschinen: 
Technologie:
Schichtstärke:
Druckauflösung:
Bauraum:
Material:



2 x Formlabs Form 2
SLS (Stereo-Lithographie, d.h. ein Laser härtet flüssiges Polymer
schichtweise aus)
je nach Anforderung und Material 0,1mm, 0,05mm oder 0,025mm
Laserstrahl-Durchmesser: 0,014mm
145 x 145 x 180mm
diverse Materialien verfügbar von hoch-schlagzäh, über sehr flexibel, gummiartig, bis hin zu Hochtemperaturanwendungen und Dentalwerkstoffen.
Alle Materialien sind Duroplaste.

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