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Im Rampenlicht: 3D gedruckte Halterungen 

Halterungen, obwohl relativ einfache Teile, sind eine beliebte Wahl für den 3D-Druck. Zum einen ermöglicht der 3D-Druck die Optimierung der Halterung selbst und trägt so zur Verbesserung der Leistung eines Teils sowie eines Systems bei, in dem die Halterungen verwendet werden. 
 
In unserer Serie “Im Rampenlicht”, untersuchen wir die wichtigsten Vorteile von 3D gedruckten Halterungen, sowie einige der aufregenden Anwendungen in der Luft & Raumfahrt sowie der Automobilindustrie.  
 
Sehen Sie sich auch die anderen Anwendungsbereiche aus dieser Serie an: 
 
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 
 
3D Druck für die Endteile Produktion 
 

Was ist eine Halterung? 

 
Eine Halterung ist ein Befestigungselement, das zwei senkrechte Teile in einer Baugruppe zusammenhält und den Winkel verstärkt. 
 
Halterungen halten Strukturen um uns herum zusammen (denken Sie an Gebäude, Flugzeuge und Autos) und bestimmen weitgehend die Stärke, Widerstandsfähigkeit und Integrität dieser Strukturen.
 

Warum den 3D Druck zur Herstelllung von Halterungen einsetzen? 

 
Halterungen sind auch mit herkömmlichen Methoden relativ einfach herzustellen. Mit dem Aufkommen des 3D-Drucks können Ingenieure nun neue Wege zur Optimierung der Designs der Halterungen erkunden. 
 
Dies ist größtenteils dank der Fähigkeit des 3D-Drucks, komplexe geometrische Formen zu erstellen möglich, was mit herkömmlichen Fertigungsmitteln entweder nicht möglich wäre  oder zu kosten oder zeitintensiv wäre. 
 
Die wichtigsten Vorteile von 3D-gedruckten Halterungen sind: 
 
Schnellere Produktion 
 
Die Herstellung komplexer Metallhalterungen erfordert in der Regel mehrere Maschineneinstellungen und kann viele Stunden in Anspruch nehmen. Der 3D Druck dagegen bietet möglicherweise eine schnellere Lösung an. Ein Grund dafür ist, dass es möglich ist, mehrere Teile in einem 3D-Drucker zu verschachteln und so mehrere Halterungen gleichzeitig auf derselben Maschine herzustellen. 
 
Bei einer Halterung, die zuvor im Spritzgussverfahren hergestellt wurde, ist die Zeitersparnis sogar noch größer, da beim 3D-Druck die Vorlaufzeit für die Herstellung eines Formwerkzeugs entfällt.
 
Die Montage entfällt 
 
Einige Halterungen bestehen aus mehreren Teilen, was die Montagezeit der Halterung verlängern kann. Der 3D Druck ermöglicht das Entwerfen und Herstellen einer Halterung als ein konsolidiertes Teil, wodurch weniger Arbeitsaufwand und Zeit für das Zusammensetzen der Halterung erforderlich sind. Das 3D Drucken einer Halterung als ein einzelnes Teil erhöht wahrscheinlich auch die Gesamtfestigkeit eines Teils. 
 
In einem Beispiel hat Philips mithilfe des 3D-Drucks eine neu gestaltete Halterung hergestellt, mit der die Lampen der Produktionslinie fixiert werden. Das Teil fiel häufig aus, etwa ein bis zwei Teile pro Woche, was größtenteils darauf zurückzuführen war, dass dieses wiederholt hohen Temperaturen ausgesetzt waren, sowie dessen Struktur die aus vier Teilen besteht, die durch Schweißnähte verbunden sind. 
 

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Die Designentwicklung der Halterung. (Von L – R das Originalteil, 3D gedrucktes erstes Design, 3D gedrucktes endgültiges Design) [Bildnachweis: Materialise]

 
Philips war in der Lage, die Halterung als ein Metallteil mit einer einzigen Struktur neu zu konstruieren, wodurch die zeitaufwendige Montage von Teilen und das vollständige Entfernen von Druckpunkten an der Schweißnaht reduziert wurden. Während der ersten drei Monate in seiner realen Umgebung ist die neu entwickelte Halterung kein einziges Mal ausgefallen.
 
Materialabfälle werden reduziert  
 
Beim 3D-Druck einer Halterung als eine Komponente wird häufig weniger Material verwendet, wodurch eine leichtere Halterung entsteht. 
 
Diese Gewichtsersparnis führt zu einem geringeren Materialverbrauch und kann in einigen Fällen auch die Leistung eines Systems verbessern, in dem die Halterung verwendet wird.
 
Nehmen Sie als Beispiel die GEnx-Motoren von GE. Die Motoren verwendeten Halterungen, die mit traditionellen Methoden wie Fräsen hergestellt wurden. Dies bedeutet, dass die Teile aus einem großen Metallblock herausgefräst wurden und mehr als die Hälfte des Metalls als Abfall anfiel. 
 
Das Team, das an den Halterungen arbeitete, erkannte, dass durch den 3D Druck des Teils bis zu 90 Prozent an Matrial eingespart werden könnte. 
 

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[Bildnachweis: GE Additive]

 
Das Team implementierte dabei auch kleine Designverbesserungen, die das Gewicht der Halterung um 10 Prozent reduzierten. Dem Team zufolge “zählt beim Fliegen jede Unze”. Dies bedeutet, dass die Gewichtsreduzierung der Komponente sich auf den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs auswirken und zu einem effizienteren Flugzeug führen kann. 
 
In einem anderen Beispiel haben die Ingenieure bei Ford kürzlich eine elektrische Feststellbremsenhalterung aus Kunststoff für den Ford Mustang Shelby GT500 in 3D gedruckt. Diese Halterung ist 60 Prozent leichter als eine zuvor gestantze Stahlversion. 
 
Die Möglichkeit, Metall durch Kunststoff oder Komposit zu ersetzen 
 
Für einige Anwendungen kann 3D Druck auch verwendet werden, um die Halterungen aus Kunststoff anstelle von Metall herzustellen. Kunststoffhalterungen eignen sich möglicherweise besser für Anwendungen wie Verbraucherprodukte mit begrenzter Lebensdauer oder Produkte mit empfindlichen elektronischen Bauteilen, bei denen Metallhalterungen nicht funktionieren würden.
 
Ein Beispiel stammt von einem Hersteller von Kommunikationsgeräten, Boyce Technologies. Das Unternehmen baut Kunststoffteile im 3D Druck für die NYC Transit-Totems. Jedes dieser Systeme verfügt über eine grüne Acrylkappe auf der Oberseite, die einen LED-Streifen für die Beleuchtung sowie ein empfindliches Antenneninstrument enthält.
 
Um eine Störung des Antennensignals zu vermeiden, sollte sich davor kein Material  aus Metall befinden. Das bedeutet, dass das Unternehmen die Halterungen für den LED-Streifen und das Gehäuse für die Antenne aus Kunststoff herstellen musste. Das Boyce-Team hatte nur kurze Zeit für Design, Engineering und Produktion zu Verfügung, sodass der 3D Druck die geeignete Lösung war. 
 
Mit dem BigRep Studio-System war Boyce in der Lage, den Prototyp für gebogene Montagehalterungen für die LED-Leuchte zu erstellen um die Kappe zu beleuchten, und ging dann dazu über diese Teile direkt auf derselben Plattform herzustellen. 
 
Der 3D-Druck dieser Halterungen ermöglichte eine schnelle und kostengünstige Herstellung als Spritzguss oder spanende Bearbeitung und erfüllte gleichzeitig die Anforderungen keine Metallteile über der Antenne zu haben.
 

Weitere Beispiele von 3D gedruckten Halterungen

 

Luft & Raumfahrt

 
3D gedruckte Halterungen aus Titan für  die Boeing 787
 
3D gedruckte Halterungen aus Titanlegierungen werden in der Flugzeugkonstruktion immer häufiger eingesetzt. Ein Beispiel ist eine Halterung für eine Zugangstürverriegelung für die Boeing 787, die von Spirit AeroSystems installiert wurde. 
 

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[Bildnachweis: Additive Manufacturing Media]

 
Der zuvor maschinierte Türverriegelungsbeschlag wird jetzt von Norsk Titanium mithilfe der patentierten RPD-Technologie (Rapid Plasma Deposition) in 3D gedruckt. Der Name beschreibt den Prozess: Ein Plasmabogen ermöglicht die kontrollierte Abscheidung von Titan mit hohen Aufbauraten. Die Technologie ist angeblich 50 bis 100 Mal schneller als Systeme auf Pulverbasis und verbraucht 25-50 Prozent weniger Titan als die vorher benutzten Schmiedeprozesse.
 
Der Hauptgrund für die Umstellung auf den Titan 3D Druck ist die Möglichkeit, die Herstellungskosten zu senken. Titan ist teuer, und bei der Bearbeitung eines Teils aus einem Titanblock wird viel dieses teuren Materials verschwendet. Das zweite Problem ist die große Menge an Maschinenzeit und Schneidwerkzeugkosten, die bei der Bearbeitung des Metalls anfallen und die Produktionskosten in die Höhe treiben. 
 
Durch den 3D-Druck einer Halterung kann Spirit diese Kosten erheblich senken und gleichzeitig die Markteinführungszeit für neue Teile um mindestens 60 Prozent verkürzen. 
 
Liebherr-Aerospace 3D Druck von Halterungen für Airbus
 
In einem weiteren Beispiel aus der Luft- und Raumfahrtindustrie hat Liebherr-Aerospace mit dem 3D-Druck von Bugfahrwerkhalterungen für den Airbus A350 XWB begonnen.
 
Diese Halterungen sind die ersten qualifizierten 3D gedruckten Titanteile, die in das Airbus System eingeführt werden. 
 

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[Bildnachweis: Liebherr Aerospace ]

 
Im Gegensatz zu Spirit AeroSystems konnte Liebherr das Teil neu konstruieren, um eine Gewichtsreduzierung von 29 Prozent zu erreichen. Der Einsatz von 3D Druck trug auch dazu bei, die Festigkeit des Bauteils um 100 Prozent zu erhöhen. 
 
Im Jahr 2019 erreichte Liebherr-Aerospace einen wichtigen Meilenstein: Das Luftfahrtbundesamt gab dem Unternehmen grünes Licht für die Herstellung von Bauteilen mit AM. Liebherr druckt seitdem Teile aus Titan, einschließlich Halterungen, in 3D, in Serienfertigung. 
 

Automobilindustrie 

 
Eine Dachhalterung, optimiert und in 3D gedruckt von BMW 
 
Im Jahr 2018 veröffentlichte BMW seinen legendären i8 Roadster mit seinem preisgekrönten in 3D gedruckte Dachhalterung aus Metall.
 
Die Dachhalterung, eine kleine Komponente, die beim Ein- und Ausklappen des Fahrzeugdaches hilft, musste neu konstruiert werden, um die Leistung des Dachklappmechanismus zu maximieren. Um dieses Ziel zu erreichen, kombinierten die Ingenieure von BMW den 3D-Druck mit einer Software zur Topologie Optimierung. 
 

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Eine Weiterentwicklung des Designs einer 3D gedruckten Dachhalterung [Bildnachweis: BMW] 

 
Mithilfe der Software konnten die Ingenieure Parameter wie das Gewicht, die Größe des Bauteils und die Belastung eingeben. Die Software erstellte dann ein Design, das die Materialverteilung des Teils optimierte. 
 
Das vom Ingenieurteam erzielte Design war nicht zu gießen. Das Team stellte fest dass dieses Design einzige durch den Metall 3D Druck zu ermöglichen war. 
 
Dank der SLM-Technologie (Selective Laser Melting) haben die Ingenieure eine Metalldachhalterung entwickelt, die zehnmal steifer und um 44 Prozent leichter ist als die herkömmliche Alternative. 
 
Bugattis leichte Halterungen 
 
Die Fahrzeuge von Bugatti sind außerdem mit einer Reihe von 3D gedruckten Halterungen ausgestattet. Eine davon ist eine Spoiler Halterung aus Titan, die in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAPT hergestellt wurde. Dieser Spoiler soll das aerodynamische Design von Bugatti-Fahrzeugen wesentlich verbessern.
 

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Eine 3D gedruckte Spoiler Halterung [Bildnachweis: Bugatti]

 
Ein weiterer Partner im Projekt Spoiler Halterung war Siemens, mit dessen Hilfe die Halterung für die Produktion optimiert wurde. Am Ende wies das endgültige Teil eine Zugfestigkeit von 1.250 Mpa auf, eine Materialdichte von über 99,7 Prozent und eine Gewichtsreduzierung von 53 Prozent. 
 
Mithilfe des 3D-Drucks wurde auch eine kleine Motorhalterung mit integrierter Wasserkühlung für den Super Car Bugatti Chiron neu erfunden. Das Teil dient als aktives Hitzeschild und reduziert die vom Motor übertragene Wärme erheblich. Die innovative Komponente, die in AlSi10Mg auf einem SLM280 Twin 3D Drucker von SLM Solutions gedruckt wurde, wurde seit der Veröffentlichung des ersten Bugatti Chiron in alle Serienfahrzeuge eingebaut.
 

3D gedruckte Halterungen: Kleine Bauteile mit großen Möglichkeiten 

 
Halterungen sind eher kleine und banale Teile, die in der Vergangenheit schwer zu optimieren waren, da die Ingenieure durch traditionelle Fertigungsmethoden eingeschränkt wurden. Heute können die Ingenieure Halterungen entwerfen die auf ihre Bedingungen Maßgeschneidert sind und diese mithilfe des 3D Drucks zum Leben erwecken. 
 
Dank der Technologie können Halterungen leichter, aber dennoch steifer und haltbarer gemacht werden. Die obigen Beispiele zeigen auch, dass durch die Nutzung des 3D Drucks die Lebensdauer der Komponenten und die Gesamtleistung verbessert werden können. 
 
Zwar sind wir immer noch weit von der Massenproduktion von 3D gedruckten Halterungen entfernt. Spezialanwendungen wie Flugzeughalterungen und Halterungen, die in kleinen Stückzahlen hergestellt werden, werden jedoch auch in Zukunft für die Technologie ein guter Nischenmarkt bleiben.