3D-Druck in der Serienfertigung

• Übersicht

• Additive Fertigungsverfahren bei ERS

• Vergleich zwischen den Fertigungsverfahren

• Wann habe ich den maximalen Nutzen?

• Die 3D-Druck - Verfahren bei ERS
  
  

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Additive Fertigung bei ERS - Produktionsdruck

*)Stereo-Lithographie
*)) meist liegt der Break-even für Spritzgussbauteile erst bei 4.000-30.000 Teilen gegenüber Herstellung im MJF Verfahren (Quelle: HP)

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 die 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.

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. 

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.

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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, in dem 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 Seiten 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, in dem 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 Elastizitätsverläufe im Bauteil), so kann man davon ausgehen, dass das fertige Bauteil Eigenschaften 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

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