5 Wege wie der 3D-Druck die traditionelle Fertigung ergänzt

09 Januar 2020

Es wurde vorausgesagt, dass der 3D-Druck traditionelle Fertigungstechnologien ersetzen wird. Die eigentliche Stärke der Technologie liegt jedoch möglicherweise nicht in der Konkurrenz, sondern in der Ergänzung und Unterstützung herkömmlicher Herstellungsverfahren.
 
Um diese Behauptung zu untermauern, untersuchen wir im Folgenden fünf wichtige Möglichkeiten, wie der 3D-Druck die traditionelle Fertigung unterstützen kann.
 

1. 3D-Druck erstellt leistungsfähigere Spritzgussformen

 
Das Spritzgießen umfasst das Schmelzen und Einspritzen von Kunststoff in ein spezielles Formwerkzeug, das wie das gewünschte Objekt geformt ist. Wenn der Kunststoff aushärtet, nimmt er einen Formhohlraum an. Spritzguss ist der beste Weg, um hochpräzise und komplexe Produkte und Teile in Serie zu produzieren.
 
Der Prozess bringt jedoch auch einige Herausforderungen mit sich. Zum Beispiel werden die Spritzgussteile durch Bauteilekanäle – im Wesentlichen also Durchgänge, die sich nahe der Oberfläche der Form befinden – in allen Formen gekühlt. Diese Kanäle sind in der Regel gerade Linien, die manchmal zu ungleichmäßiger Kühlung führen und somit das Risiko einer Teileverformung erhöhen.
 
Eine effiziente Kühlung kann mit konformen Kühlkanälen erreicht werden, die der Form des Teils entsprechen. Diese Art von Kanälen ist jedoch mit herkömmlichen Verfahren schwierig herzustellen, so dass der 3D-Druck eine attraktive Alternative für die Herstellung von Spritzgussformen darstellt.
 
Die Herstellung von Formen mit konformen Kühlkanälen trägt nicht nur zur Qualitätssteigerung der Formteile bei, sondern auch zur deutlichen Verkürzung der Abkühlzeit.
 

Der 3D-Druck hilft bei der Optimierung der Spritzgusslinien

 
Ein Beispiel dafür ist die Alfred Kärcher GmbH & Co. KG, ein Unternehmen, das jährlich weltweit Millionen seiner K2-Hochdruckreiniger verkauft. Bei dem Versuch, eine solche Nachfrage zu befriedigen, war das Unternehmen mit einem Engpass in der Produktion konfrontiert, wodurch die Produktion des Laufradgehäuses gesteigert werden musste.
 
Anstatt mehr Spritzgießmaschinen zu kaufen, suchte Kärcher nach Möglichkeiten, die Produktivität der vorhandenen Maschinen zu steigern. Das Unternehmen fand die Lösung im Metall-3D-Druck.
 
Kärcher wandte sich an LBC Engineering, ein Unternehmen der Renishaw GmbH, und stellte fest, dass die Formzykluszeit durch die Ineffizienz des Kühlprozesses beeinflusst wurde. Die Gehäuseformen waren mit traditionellen Kühlsystemen ausgestattet, die in geraden Linien gebohrt wurden und Hot Spots erzeugten, die die Zykluszeit verlängerten.
 

 

LBC Engineering änderte das Design der Form, indem zwei 3D-gedruckte Kerne erstellt wurden, um an den identifizierten Hotspots eine gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten.
 
Durch 3D-gedruckte, konforme Kühlkanäle konnte die Wandtemperatur in den Formen von 100 ° C auf 70 ° C gesenkt und die Abkühlzeit von 22 auf 10 Sekunden verkürzt werden, was einer Reduzierung von 55 % entspricht.
 
Zusammen mit einigen Anpassungen an den peripheren Komponenten, wie dem Materialzufuhr- und Handhabungssystem, ist die Zykluszeit für Gehäuse von 52 auf 37 Sekunden gesunken. Der 3D-Druck trug zu dem Löwenanteil dieser Reduzierung bei und ermöglichte es Kärcher, die Produktivität seiner Linie zu steigern und die Produktionsziele für Gehäuse zu erreichen.
 
In einem weiteren Beispiel hat der Spritzgussprofi Pat Zaffino eine mehrschichtige Roboter-Abscheidungstechnologie entwickelt, mit der konforme Kühlkanäle auf die Oberfläche von Spritzgussformen gedruckt werden.
 
Anfang dieses Jahres gründete Zaffino ein neues Unternehmen, Conformal Cooling Solutions Inc. (CCS), um die Vorteile der Verwendung von konformen Kühlkanälen zu fördern.
 
„Die Schaffung von konformen Kühlkanälen, die der Form des Hohlraums und des Kerns folgen, fördert die Temperaturgleichmäßigkeit der zu formenden Kunststoffe, und Formen, die diese Technologie verwenden, erzielen bemerkenswerte Ergebnisse: kürzere Zykluszeiten, verbesserte Qualität der Kunststoffteile und vor allem Kosteneinsparungen “, sagte er in einem Interview mit canplastics.com.
 
Da die Technologie billiger und einfacher anzuwenden ist, könnten Formen mit 3D-gedruckten, konformen Kühlkanälen letztendlich zu einem neuen Standard in der Branche werden.
 

2. 3D-Druckmuster für den Feinguss

 
Beim Feinguss werden Wachsmodelle und Keramikschalen verwendet, um komplexe und detaillierte Teiledesigns zu erstellen. Traditionell werden diese Muster spritzgegossen. Die Kosten für Spritzgusswerkzeuge können jedoch mehrere Tausend US-Dollar betragen, wobei die Vorlaufzeiten zwischen einer und vier Wochen liegen. Dies macht den Prozess für Menschen unerschwinglich, die möglicherweise nicht so viel Kapital oder kurze Lieferfristen für Teile haben.
 

 
Aus diesem Grund können Unternehmen 3D-Druckmuster in einem für den Feinguss geeigneten Material auswählen. Viele Hersteller von 3D-Druckern haben für das Gießen spezielle 3D-bedruckbare Materialien entwickelt, darunter Wachs, Gießharze und einige Thermoplaste auf der Basis von PLA und ABS.
 
Diese Materialien werden typischerweise mit Stereolithographie (Harze) und FDM (Kunststoffe) Technologien verwendet, um hochpräzise Muster mit hervorragenden Ausbrenneigenschaften zu erzeugen.
 
Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist das relativ geringe Risiko, das mit dem Versuch verbunden ist. Muster können mit professionellen Desktop-3D-Druckern gedruckt werden, die weniger als 5.000 US-Dollar kosten – ein Bruchteil der Kosten teurerer industrieller 3D-Druckgeräte.
 

Der 3-D Druck beschleunigt die Vorlaufzeiten für Gussteile

 
3D-gedruckte Feingussmuster werden zunehmend verwendet, um nach Maß gefertigten Schmuck mit komplizierten Designs und in kürzeren Vorlaufzeiten herzustellen. In einem Beispiel konnte das kanadische Schmuckunternehmen Vowsmith, das auf kundenspezifische Ringe spezialisiert ist, seine Produktions- und Lieferzeiten durch die Integration der 3D-Wachsdrucker von 3D Systems in seinen Workflow um 50% reduzieren. Das Unternehmen produzierte in einem einzigen Druck zwischen 35 und 40 personalisierte, gussfertige Ringmuster.
 
Die Technologie wird zunehmend auch in Gießereien eingesetzt, um komplexe Muster für eine Vielzahl industrieller Anwendungen zu erstellen. Beispielsweise hat Invest Cast, Inc. kürzlich die neue digitale Gießereilösung von 3D Systems in die Musterherstellung integriert.
 
Die Möglichkeit, fertige Gussteile ohne Werkzeugherstellung herzustellen, gibt den Kunden von Invest Cast die Freiheit, mehrere Iterationen schnell und kostengünstig zu testen, um letztendlich zu besseren fertigen Teilen zu gelangen.
 
Laut Invest Cast hat der 3D-IC ProJet MJP 2500 von 3D Systems den Zeitaufwand für den Feinguss erheblich verkürzt. Die Technologie ermöglicht es dem Unternehmen, innerhalb von 2-5 Tagen vom Modell zum Metall zu wechseln. Dies entspricht einer durchschnittlichen Vorlaufzeit von ca. 6-12 Wochen im Feingussformenverfahren.
 

3. Steigerung der Produktivität mit 3D-gedruckten Schneidwerkzeugen

 
Mit dem 3D-Druck können Schneidwerkzeuge erstellt werden – kleine Wendeschneidplatten aus Hartmetall, die das Material von dem programmierten Werkzeugweg entfernen.
 
Einige Hochleistungswerkstoffe wie ultrahochfeste Stähle, Titan und Nickellegierungen sind möglicherweise schwer zu bearbeiten und können zu schnellem Verschleiß des Werkzeugs führen.
 
3D-Druckwerkzeuge mit benutzerdefinierten Geometrien und eingebauten Kühlkanälen, mit denen überschüssige Wärme, die während der Bearbeitung in der Nähe der Schneidzone entsteht, effektiv abgeführt werden kann, können die Lebensdauer und Leistung des Werkzeugs erhöhen.
 

 
Der Werkzeugspezialist LMT Tools Inc. hat die Technologie verwendet, um interne Kühlmitteldurchlässe in einem Fräswerkzeugkörper zu erzeugen, der zuvor gerade Löcher aufwies. Durch die Freiheit des 3D-Drucks, gekrümmte Kanäle bereitzustellen, kann das Fräswerkzeug von LMT Kühlmittel genau dort abgeben, wo dieses benötigt wird. Laut LMT konnte beim Fräsen von Titan dank dieser Konstruktionsänderung beim Probeschneiden eine Standzeitverbesserung von 50 Prozent erzielt werden.
 

Die Komet Group erhöht die Werkzeugproduktivität durch den 3D-Druck

 
Einer der weltweit führenden Anbieter von Präzisionswerkzeugen, die Komet Group, setzt den 3D-Metalldruck auch im Werkzeugbau ein.
 
Mit der Aluminiumlegierung und der laserbasierten Technologie des britischen Spezialisten Renishaw konnte Komet dem Werkzeug mehr Schneiden hinzufügen und seine Geometrie optimieren, um die Werkzeugproduktivität zu steigern.
 
Beispielsweise optimierten die Ingenieure die Kühlmittelkanäle des Werkzeugs, um sicherzustellen, dass jede Schneide über einen separaten Kanal präzise mit Kühlmittel versorgt wird. Dank dieser Konstruktionsverbesserungen kann die Bearbeitungszeit pro Einheit um bis zu 50 Prozent reduziert werden.
 
AM bietet auch das Potenzial, das Bauteilgewicht zu reduzieren, da das Material nur dort eingesetzt werden kann, wo es für die optimale Funktionalität des Bauteils erforderlich ist. Es wird auch berichtet, dass die von Komet-Kunden benötigten Spezial- oder Versuchswerkzeuge in Bezug auf die Lieferzeit die herkömmlichen Produktionsmethoden übertreffen.
 

3D-Druck für einen effizienteren Fräskopf

 
Darüber hinaus hat der schwedische Werkzeugsystemhersteller Sandvik Coromant kürzlich einen neuen Fräser mit einem Metall-3D-Druckkopf vorgestellt. Die Komponente ist eine Premiere für das Unternehmen und markiert einen Schritt in Richtung des Engagements des Unternehmens im 3D-Druck für die Endanwendungsproduktion.
 

 
Der neue Lightweight CoroMill 390 von Sandvik Cormorant ist ein Metallfräskopf, der auf dem CoroMill 390-Design basiert. Das aus Sandviks Markenzeichen Titanlegierung Osprey-Pulver hergestellte Werkzeug wurde speziell entwickelt, um Vibrationsprobleme beim Metallfräsen mit langen Überhängen zu überwinden.
 
Solche Merkmale sind eine häufige Anforderung an Komponenten, die in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Öl- und Gasindustrie verwendet werden. Tiefe Hohlräume in einem CNC-gefrästen Teil können durch Vibrationen beeinträchtigt werden, was zu einer langsameren Produktion, einer kürzeren Standzeit und einer schlechten Oberflächengüte führt. In Kombination mit den Silent Tools-Fräsadaptern des Unternehmens kann die Produktivität durch die Bearbeitung mit dem 3D-gedruckten Werkzeug um 50 Prozent gesteigert werden.
 

4. Reparatur von abgenutzten und beschädigten Werkzeugen

 
Mit dem 3D-Druck können nicht nur neue Werkzeuge und Formen erstellt, sondern auch beschädigte Werkzeuge repariert werden. Unternehmen in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau und in der Industrie setzen AM-Verfahren wie Direct Energy Deposition (DED) ein, um Komponenten wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen.
 
Der DED, auch als Laser-Cladding bekannt, erzeugt mithilfe eines Lasers ein Schweißbad auf der Bauteiloberfläche. Das Material wird dann als Pulver oder Draht in das Schmelzbad gegeben. Die geschmolzenen Partikel verschmelzen und verfestigen sich, während die Düse manipuliert wird, um der Komponente die gewünschte Struktur zu verleihen.
 
Anfang dieses Jahres startete ein Konsortium von 7 britischen Unternehmen und Organisationen ein 1,2 Millionen Pfund teures Projekt namens DigiTool, um die kostengünstige Reparatur von Werkzeugen und Matrizen mithilfe von AM-Technologien zu ermöglichen.
 
Mit dem 3D-Druck können Unternehmen im Werkzeug- und Formenbau die Kosten für den Austausch und die Reparatur von Formen senken und so den Wartungsprozess beschleunigen. Dies hilft Unternehmen, Kosten und Material einzusparen und gleichzeitig ihre Nachhaltigkeit bei weniger Verschwendung zu verbessern.
 

Schnellere Reparatur eines Formeinsatzes

 
Der deutsche Werkzeug- und Formenbauer HWF hat einen Werkzeugeinsatz im 3D-Druck repariert. Eine der Herausforderungen, denen sich HWF gegenübersah, war der Aufbau einer 300 x 20 x 20 mm großen Struktur auf einem typischen Formmaterial.
 
In der Vergangenheit wurden solche Strukturen mit einem manuellen Draht-Laser-Beschichtungsverfahren hergestellt, um die Risiken von Rissen, Verformungen und veränderten metallurgischen Eigenschaften zu vermeiden. Es kann jedoch zwischen 60 und 80 Stunden dauern, bis ein Schweißer die Aufgabe erledigt hat
 
Heute verwendet HWF die DED-Technologie von OR Laser, die es ihm ermöglicht, dieselbe Struktur durch Aufbringen von 250 µm dicken Schichten mit einer Geschwindigkeit von 5000 mm³ pro Stunde zu erzeugen. Die Produktionszeit kann daher auf 24 Stunden reduziert werden.
 
Dank dieses Verfahrens wird auch das Grundmaterial wesentlich weniger belastet als zuvor, wodurch die Gefahr von Rissen und Materialunterschneidungen, die häufig durch herkömmliche Reparaturmethoden verursacht werden, erheblich verringert wird.
 

5. Mit hybriden Prozessen mehr Flexibilität erreichen

 
Die Kombination von additiven und subtraktiven Fähigkeiten in einem Hybridsystem ist eine weitere Möglichkeit, mit der AM die traditionelle Fertigung ergänzen kann. In diesem Szenario eröffnen additive und subtraktive Technologien eine Reihe von Möglichkeiten für eine verbesserte Fertigung aus einer Hand.
 
Die Hybridfertigung nutzt die wertvollsten Fähigkeiten beider Technologien: die geometrische Komplexität von AM und die hohe Präzision subtraktiver Methoden. Dies bedeutet, dass ein Teil in einem Arbeitsgang additiv erstellt und bearbeitet werden kann, wodurch der Produktionsprozess beschleunigt wird.
 
Auf dem Markt sind inzwischen mehrere kommerzielle Hybridsysteme erhältlich. Zum Beispiel kombiniert DMG MORI DED mit fünfachsiger CNC-Fähigkeit in seinem hybriden Fertigungssystem.
 
Währenddessen verfolgten Matsuura und Sodick einen anderen Ansatz und kombinierten die Powder Bed Fusion (PBF) -Technologie und die CNC-Fähigkeit in ihren hybriden Fertigungssystemen. Um mit der Konkurrenz mithalten zu können, hat DMG MORI kürzlich mit einem eigenen PBF- und CNC-Hybridsystem reagiert.
 
Neben einem eigenständigen Hybridsystem besteht auch die Möglichkeit, ein bestehendes CNC-Bearbeitungszentrum mit dem Ambit-Pulver-Laser-Abscheidekopf von Hybrid Manufacturing Technologies nachzurüsten.
 
Mit der Technologie von 3D Hybrid können Unternehmen einer CNC-Maschine auch eine Kombination aus Pulver- und Drahtvorschubfunktionen hinzufügen. Dies ermöglicht es, ein herkömmliches subtraktives System mit relativ geringem Aufwand in ein hybrides Fertigungssystem umzuwandeln.
 
Obwohl das Versprechen der Hybridfertigung aufkommt, haben wir gerade erst begonnen zu lernen, wie diese Technologie effizient und rentabel eingesetzt werden kann.
 

Den 3D-Druck als ergänzende Technologie verstehen

Der 3D-Druck kann ein wertvolles Kapital für Hersteller werden, die ihre traditionellen Herstellungsprozesse optimieren möchten.
 
Mit dieser Technologie können leistungsstärkere Formen und komplexe Gussmuster hergestellt sowie die Effizienz von Bearbeitungswerkzeugen gesteigert werden. Darüber hinaus bieten Hybridmaschinen Unternehmen mehr Freiheit und Flexibilität bei der Konstruktion und Fertigung.
 
Daher sollten Hersteller die additive Fertigung nicht als konkurrierende Technologie betrachten, sondern als weiteres Werkzeug in der Toolbox aufnehmen und die damit verbundenen Vorteile nutzen.