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Im Rampenlicht: 3D Druck für Endteileproduktion

Da der 3D-Druck immer mehr zu einer Technologie für Produktionsanwendungen wird, hat er das Potenzial, die Art und Weise, wie bestimmte Teile und Produkte in der neuen Ära der digitalen Fertigung hergestellt werden, zu verändern.
 
Um den jüngsten Fortschritt der Technologie hervorzuheben, werden nachfolgend die Vorteile des 3D-Drucks für die Produktion sowie Beispiele aus der Praxis für 3D-gedruckte Endteile erläutert.
 
Werfen Sie einen Blick auf die anderen in dieser Serie behandelten Anwendungen:
 
3D Druck für Wärmeaustauscher
 
3D Druck für Kugellager
 
3D Druck für Fahrräder
 
3D Druck für Zahnmedizin & klare Zahnspangen
 
3D Druck für medizinische Implantate
 
3D gedruckte Raketen und die Zukunft der Raumfahrtindustrie
 
3D Druck für die Schuhindustrie
 
3DDruck für elektronische Komponenten
 
3D Druck im Schienenverkehr
 
3D-gedruckte Brillen und Linsen
 

Die Vorteile des 3D-Drucks für die Endteileproduktion

 

Wirtschaftliche Kleinserienproduktion

Additive Manufacturing (AM) kann dazu beitragen, die kostenintensive Produktion für Teile die in kleinen Stückzahlen hergestellt werden, zu senken. Die 3D-Drucker fertigen Teile aus digitalen Dateien, ohne teure Formen herstellen zu müssen. Dies beseitigt die Notwendigkeit, hohe Werkzeugkosten auf Tausende von Teilen zu verteilen, wie es in der traditionellen Fertigung üblich ist.
 
Durch den direkten 3D-Druck können Hersteller mit minimalem Aufwand kleine bis mittlere Stückzahlen von Teilen erstellen und dabei die Kosten pro Teil für die Produktion in kleinen Stückzahlen drastisch senken..
 

Teile auf Anfrage produzieren

Für ein Unternehmen, das geringe Stückzahlen von On-Demand-Teilen schneller produzieren möchte, kann der 3D-Druck besonders nützlich sein. Die Möglichkeit diese Teile vor Ort in 3D zu drucken, bietet OEMs und Zulieferern einen erheblichen Vorteil, da sie die Anzahl der in Lagern gelagerten Teile verringern und die Lagerhaltungskosten senken können.
 
Aus diesem Grund prüfen Unternehmen zunehmend, ob Ersatzteile für den 3D-Druck bei Bedarf verfügbar sind. Zum einen kann die Technologie einige Ersatzteile schneller produzieren, als dies mit herkömmlichen Technologien möglich wäre. Zum anderen hilft der 3D-Druck, ein defektes Bauteil schneller wieder in Betrieb zu nehmen und so Unterbrechungen in der Produktion zu vermeiden.
 
Im Rampenlicht: Ford 3D druckt Serviceteile für Ford Focus

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Fords HVAC-Hebelarm in 3D gedruckt unter Verwendung der DLS-Technologie von Carbon [Bildnachweis: Ford]

Anfang dieses Jahres präsentierte Ford zusammen mit dem 3D-Druckerhersteller Carbon die ersten digital hergestellten Polymerteile für die Produktionsserien der Ford Motor Company.
 
Ein Teil ist der Ford Focus HVAC-Hebelarm (Heizung, Lüftung und Kühlung), eine Ersatzteilkomponente für ältere Modelle.
 
Zuvor wurde es unter Verwendung eines PBT-Materials spritzgegossen. Als Ford einige neue Teile brauchte, stellte sich heraus, dass ein neues Werkzeug zur Herstellung der Teile erstellt werden musste, was zeitaufwendig und teuer gewesen wäre.
 
Um die Produktion dieser Teile zu optimieren, stellte Ford auf die DLS-Technologie von Carbon um und begann, Hebelarme nach Bedarf aus einer digitalen Datei herzustellen.
 
Durch die Umstellung auf 3D-Druck kann Ford den Ersatzteilbedarf seiner Kunden und Händler effizienter decken. Zum einen konnte dank der Technologie die Vorlaufzeit für den HLK-Hebelarm um mehr als 50 Prozent reduziert werden. Und das bringt uns zum nächsten Vorteil des 3D-Drucks für die Produktion.
 

Reduzierte Vorlaufzeiten

Die meisten konventionellen Fertigungsprozesse erfordern für jede neue Geometrie das Entwerfen und Herstellen von Spezialwerkzeugen. Die Entwicklung und Herstellung von Werkzeugen kann jedoch Wochen oder sogar Monate dauern, und jede Änderung des Produktdesigns in dieser Phase kann bedeuten, dass Sie von vorne beginnen müssen.
 
AM kann in der Produktion verwendet werden, um vom CAD direkt zum endgültigen Teil zu gelangen, wodurch einige der langen Vorlaufzeiten für das Erstellen von Werkzeugen entfällt. Die Fertigungsteams nutzen diesen neuen Ansatz und bringen Produkte früher auf den Markt, als dies mit herkömmlichen Werkzeugen möglich gewesen wäre.
 
Im Rampenlicht: Lockheed Martin verkürzt die Lieferzeit von Treibstofftanks von zwei Jahren auf drei Monate
 
Nehmen Sie als Beispiel Lockheed Martin. Das Luft und Raumfahrt und Verteidigungsunternehmen hat EBAM, eine großtechnische Metall-AM-Technologie von Sciaky für den 3D Druck von Kuppeln für riesige Satellitentanks verwendet.
 

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Lockheed Martin 3D-Druck von Titankuppeln für Raumfahrzeuge [Bildnachweis: Lockheed Martin]
 

Der Satellitentank besteht aus einem traditionell hergestellten Titanzylinder, der den Körper bildet, und zwei 3D-gedruckten Kuppeln, die als Kappen dienen. Die drei Teile werden zusammengeschweißt, um den endgültigen Treibstofftank zu bilden.
 
Dank der hohen Abscheidegeschwindigkeit des EBAM-Systems, die bis zu 11 kg Metall pro Stunde erreichen kann, konnte Lockheed Martin die Kuppeln in drei Monaten statt in zwei Jahren liefern – eine Verkürzung der Vorlaufzeit um satte 87 Prozent.
 

Design Flexibilität

In der traditionellen Fertigung ist die Komplexität des Designs in der Regel mit zusätzlichen Kosten verbunden. Infolgedessen ist der Umfang der Geometrien, die mit herkömmlichen Verfahren erstellt werden können, begrenzt. Teile, die für die spanende Bearbeitung oder das Spritzgießen ausgelegt sind, sind typischerweise auf Formen beschränkt, deren Herstellung kostengünstig ist.
 
Beim 3D-Druck bestimmt die Komplexität des Designs jedoch nicht dass der Teilekosten. Ein additiver Prozess erzeugt komplexe Gitterstrukturen und komplizierte Formen – und das mit weniger Aufwand als bei einfachen Geometrien.
 
Die Fähigkeit des 3D-Drucks, komplexere Konstruktionen zu erstellen, kann auch verwendet werden, um die Leistung eines Teils zu steigern.
 
Im Rampenlicht: Bugattis 3D gedruckte Bremssattel
 
Der französische Autohersteller Bugatti nutzte die Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks für seinen neuesten Chiron-Supersportwagen und produzierte den angeblich leistungsstärksten Titan-Bremssattel der Welt.
 

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Ein 3D-gedruckter Bremssattel [Bildnachweis: Bugatti]
 

Während der Bremssattel wie ein normaler Bremssattel funktioniert, ist er durch die Kombination von 3D-Druck und Titan wesentlich fester und rund 40 Prozent leichter als das derzeit verwendete Aluminiumteil.
 
Mithilfe eines 3D-Metalldruckverfahrens namens Selective Laser Melting (SLM) konnte das Bugatti-Team mit einer Vielzahl von Geometrien und Wandstärken experimentieren, die mit herkömmlichen Herstellungstechniken nicht zu erreichen wären.
 
Das Ergebnis: ein kompliziert geformter Bremssattel mit Wandstärken zwischen 1 mm und 4 mm.
 
Im vergangenen Jahr hat Bugatti den Bremssattel erfolgreich bei hohen Belastungen getestet und bereitet nun die Serieneinführung des Bauteils vor.
 

Weitere Beispiele für die Verwendung des 3D-Drucks in der Produktion

Die Beispiele für 3D-gedruckte Endanwendungsteile erstrecken sich über viele Branchen, aber die Luft- und Raumfahrt ist möglicherweise der größte Sektor, der den 3D-Druck in der Produktion entwickelt und einsetzt.
 
Seit 2018 fliegen 3D-gedruckte Abstandsbleche bei Innenkomponenten in Airbus A320-Flugzeugen. Normalerweise wurden diese Teile im Spritzgussverfahren hergestellt, aber durch den 3D-Druck wurde das Verfahren wesentlich effizienter.
 

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Eine 3D-gedruckte Abstandsplatte [Bildnachweis: Airbus]
 

Die Paneele werden mit einem Hochleistungs-ULTEM-Material in 3D gedruckt und sind dank des optimierten Designs schneller zu produzieren und 15 Prozent leichter als die herkömmlichen Alternativen.
 

3D-gedruckte Flugzeugbauteile

Zusätzlich zu Kabinenteilen wurde 3D-Druck für einige strukturelle Flugzeugkomponenten verwendet. So hat beispielsweise die Airbus-Division Airbus Helicopters im vergangenen Jahr die Produktion von 3D-gedruckten Metallriegelwellen für ihre A350-Flugzeuge in großem Maßstab aufgenommen.
 
Mit einer laserbasierten AM-Technologie von EOS können Airbus-Hubschrauber Riegelwellen produzieren, die im Vergleich zu einer traditionell hergestellten Riegelwelle 45 Prozent leichter und 25 Prozent billiger sind.
 
Darüber hinaus hat Spirit AeroSystems, dass Rumpfkonstruktionen für Boeing-Verkehrsflugzeuge herstellt, vor kurzem mit der Installation des ersten von AM hergestellten Titan-Strukturbauteils für die Boeing 787 begonnen. Bei dem Teil handelt es sich um einen Sicherungsbeschlag für eine Zugangstürverriegelung.
 
Der Hauptvorteil des 3D-Drucks des Teils im Vergleich zu der vorherigen Fertigungsmethode der spanenden Bearbeitung besteht in der Möglichkeit, die Kosten für das Teil zu senken, indem die für die Herstellung erforderliche Metallmenge erheblich reduziert wird.
 

3D-Druck für Konsumgüter

Einige Markenhersteller von Konsumgütern haben den 3D-Druck für die Produktion bereits übernommen. Beispielsweise druckt Chanel jetzt in Zusammenarbeit mit dem französischen 3D-Druckdienstleister Erpro Group Millionen von Wimpernbürsten in 3D.
 
Die Wimpernbürsten wurden mit SLS hergestellt, einer Technologie, die mit Hilfe eines Laserstrahls Schichten aus Polyamid Pulver verschmilzt. Beim 3D-Druck wurde das Design des Pinsels optimiert – beispielsweise verbessert die raue, körnige Textur, die mit der SLS-Technologie erzielt wird, die Haftung der Wimperntusche auf den Wimpern.
 
Verwendung von 3D-Druck in der Schuhherstellung
 
Fast alle großen Schuhmarken wie New Balance und Adidas integrieren 3D-gedruckte Elemente wie Absätze und Zwischensohlen in einiger ihrer Turnschuhe.
 
New Balance z.B. verwendet die SLA-Technologie von Formlabs, um die Ferse der 990 Sport-Sneaker und den Vorderfuß der neuesten FuelCell Echo Triple-Schuhe in 3D zu drucken, die beide ein komplexes Gitterstruktur-Design aufweisen.
 
Laut New Balance konnten durch den 3D-Druck die Entwicklungs- und Herstellungszyklen drastisch verkürzt und die Herangehensweise an das Design ihrer Schuhe grundlegend überarbeitet werden.
 
3D-gedruckte Fahrradkomponenten
 
Auch eine Reihe von Fahrradherstellern haben begonnen, den 3D-Druck von Verbundwerkstoffen und Metallen für Fahrradkomponenten zu explorieren, von Rahmen bis zu Halterungen.
 
Zum Beispiel verwendete das niederländische Unternehmen MX3D, das für seine 3D-gedruckte Stahlbrücke bekannt ist, Metall-3D-Druck, um einen Aluminiumrahmen für sein Arc Bike II herzustellen.
 
Das leichtere und einfach anpassbare Arc Bike II wurde in nur 24 Stunden unter Verwendung der großtechnischen additiven Draht-Arc-Fertigungstechnologie hergestellt.
 

Weitere Produktionsanwendungen stehen am Horizont

Während der 3D-Druck die Großserienfertigung noch nicht beeinflusst hat, werden jedoch bereits viele 3D-gedruckte Teile und Waren hergestellt.
 
Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Fähigkeiten von 3D-Drucktechnologien in den letzten zehn Jahren erheblich zugenommen haben, sodass Technologie-Anwender neue Designs erstellen und eine größere Produktionsflexibilität erzielen können.
 
Letztendlich hat der 3D-Druck erst vor kurzem den Weg der Produktion beschritten. Dies bedeutet, dass in naher Zukunft viel mehr AM-Produktionsanwendungen freigeschaltet werden.