Vorrichtungen und Halterungen: 6 Wege zur Verbesserung der Produktionseffizienz durch 3D Druck

26 Mai 2021
3d printing for jigs and fixtures and manufacturing tooling and aids

Ob es sich um Halterungen, Spannwerkzeuge oder Griffe handelt, diese Werkzeuge sind ein wichtiger, wenn auch scheinbar alltäglicher Teil eines Fertigungsprozesses. Unabhängig von der Komplexität Ihrer Produkte hängt die Produktivität und Effizienz Ihrer Produktion jedoch von der Verfügbarkeit hochwertiger Hilfsmittel ab. 

In den letzten Jahren haben wir in der Herstellung dieser Hilfsmittel einen radikalen Wandel gesehen: Von Volkswagen über Boeing bis hin zu Jabil haben führende Hersteller die Vorteile des 3D Drucks zur Herstellung von Werkzeugen erkannt.

Wie kann also der 3D Druck dieser Hilfsmittel für die Fertigung den Herstellern helfen, einen effizienteren Fertigungsprozess zu erreichen?

Die Bedeutung von Vorrichtungen und Halterungen 


Die Maximierung der Effizienz und Produktivität in der Fertigung ist eines der Hauptanliegen der Hersteller. Vorrichtungen sind Hilfsmittel, die zur Erhöhung der Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Qualität des Fertigungsprozesses bei gleichzeitiger Minimierung der Produktionszykluszeiten und Verbesserung der Arbeitssicherheit eingesetzt werden. 

Grundsätzlich besteht der Zweck von Vorrichtungen und Fertigungshilfsmitteln darin, einen genauen, wiederholbaren und austauschbaren Fertigungsprozess zu ermöglichen und gleichzeitig die Produktionszeit und auch menschliche Fehler zu reduzieren. 

Vorrichtungen

Eine Vorrichtung ist ein Werkzeug, das das Werkstück hält und unterstützt, während es das Schneid- oder Bearbeitungswerkzeug für einen bestimmten Vorgang führt. Die häufigste Art von Vorrichtungen sind Bohrvorrichtungen, die den Bohrer an die gewünschte Stelle führen.  

Halterungen/Befestigungen

Befestigungen halten, stützen und positionieren das Werkstück (führen aber nicht das Schneidwerkzeug) während des Bearbeitungs- oder Montageprozesses. Befestigungen werden in der Regel an der Maschine befestigt, und jede Befestigung muss passend für ein bestimmtes Teil oder eine bestimmte Form gebaut werden. 

Vorrichtungen und Befestigungen sind für die Optimierung von Fertigungsprozessen unerlässlich und bieten unter anderem folgende Vorteile:

  • Reduzierung von Ausschussmaterial 
  • Verbesserung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit von Prozessen 
  • Verringerung der erforderlichen Fähigkeiten (zum Bedienen von Vorrichtungen) 
  • Erhöhte Produktivität

3D gedruckte Werkzeuge: Mit der Tradition brechen 


Herkömmliche Fertigungsmethoden erfordern, dass Vorrichtungen durch CNC bearbeitet oder sogar manuell geschweißt und montiert werden müssen. Dieser Prozess kann Tage dauern (oder Wochen, wenn er ausgelagert wird), nicht zuletzt, weil die Bearbeitung der Teile eine intensive Planung und qualifizierte Werkzeugmacher erfordert. 

Es überrascht also nicht, dass die Verwendung traditioneller Fertigungsmethoden zu langen Vorlaufzeiten und hohen Produktionskosten führt und wenig Flexibilität bei neuen Designänderungen bietet. 

Der 3D Druck ist jedoch eine ideale Alternative. Mit einem 3D Drucker können Sie ihre Vorrichtungen nach Bedarf und zu einem Bruchteil der Materialkosten herstellen und bei Bedarf iterieren.

Warum 3D Druck?


1. Schnellere Durchlaufzeiten

3d printed tooling

Ein wesentlicher Vorteil des 3D Drucks ist die Geschwindigkeit, mit der Teile produziert werden können. Da der 3D Druck ein digitales Fertigungsverfahren ist, das 3D CAD Modelle verwendet, muss nur das besagte CAD Modell hochgeladen werden, und Ihr Teil kann möglicherweise innerhalb weniger Stunden gedruckt werden. 

Dies bringt erhebliche Vorteile für die Herstellung von Vorrichtungen mit sich. Bei der traditionellen Fertigung kann die Herstellung von Werkzeugen oft Tage oder manchmal sogar Wochen dauern und umfasst mehrere Bearbeitungsschritte. Mit dem 3D Druck wird jedoch ein Großteil des Fertigungsprozesses automatisiert, wodurch weniger menschliche Eingriffe erforderlich sind und der Produktionsprozess beschleunigt wird. 

Beispiele aus der Praxis gibt es viele: Volkswagen Autoeuropa, Portugals größtes Automobilwerk, berichtet von Zeiteinsparungen von 89 % durch den 3D Druck von Vorrichtungen. Eine von Stratasys durchgeführte Studie erzählt eine ähnliche Geschichte: Laut dem Hersteller kann der 3D Druck von Vorrichtungen zu einer Reduzierung der Durchlaufzeit von bis zu 90 % führen.       

Die Geschwindigkeit mit der Vorrichtungen mittels des 3D Druckes hergestellt werden können, bedeutet, dass dieser auch ideal für die Herstellung mehrerer Wiederholungen eines Gegenstandes ist – was innovative, neue Designänderungen erheblich erleichtert. 

Oftmals können mehrere Ausführungen noch am selben Tag entworfen und gedruckt werden. Vergleicht man das mit den hohen Kosten und der langen Zeitspanne, die bei der Verwendung eines externen Zulieferers anfallen, werden die Vorteile der additiven Fertigung deutlich.

Diese Vorteile bedeuten, dass Ingenieure nicht weiter durch verlängerte Entwicklungszyklen und lange Vorlaufzeiten durch die Maschinenwerkstatt leiden müssen bis sie ihre Ausführungen erhalten. Sie haben die Freiheit und Flexibilität, Konstruktionsänderungen bis kurz vor der Produktion einzubeziehen. 

2. Kostenreduzierungen

Neben der Zeitersparnis bietet der 3D Druck auch eine deutliche Reduzierung der Produktionskosten. Oft wird die Herstellung von Vorrichtungen und anderen Werkzeugen an externe Zulieferer vergeben. 

Im Gegensatz dazu stellt der 3D Druck diesen Ansatz völlig in Frage, indem er es den Herstellern ermöglicht, die Technologie ins Haus zu holen.  Diese neue Strategie – die Herstellung von Werkzeugen in kleinen Stückzahlen im eigenen Haus – bedeutet, dass Hersteller ihre Ausgaben für das Outsourcing reduzieren können. 

Liberty Electronics, ein Auftragsfertiger, der in Pennsylvania hochwertige Baugruppen für die Militär- und Luftfahrtindustrie herstellt, konnte beispielsweise 85 % der Kosten für ein kundenspezifisches Werkzeug einsparen, indem diese intern 3D gedruckt wurden, anstatt diese auszulagern.  

Die Lagerhaltung ist ein weiterer Bereich, in dem Hersteller mit 3D Druck ihre Ausgaben drastisch reduzieren können. Anstatt Werkzeugausrüstung zu lagern, ermöglicht die additive Fertigung eine On-Demand Fertigung, sodass Werkzeuge bei Bedarf produziert werden können. 

Da es sich beim 3D Druck um einen additiven und nicht um einen subtraktiven Prozess handelt, können Hersteller den Materialverschnitt leicht minimieren und so die Materialkosten senken.

3. Verbesserte Ergonomie 

Da Vorrichtungen und Halterungen von den Beschäftigten in der Produktion physisch gehandhabt werden müssen, sollte die Entwicklung leichter Teile, die einfach zu handhaben sind, eine Priorität für Hersteller sein. 

Hier kann der 3D Druck durch Gewichtsreduktion immens helfen. Hochleistungsfähige Materialien sind zum Beispiel eine großartige Alternative zu spanabhebenden Verfahren und bieten eine leichtere Variante an. Leichtere Werkzeuge bedeuten auch eine größere Benutzerfreundlichkeit für die Beschäftigten in der Produktion. 

Die additive Fertigung ermöglicht es Ingenieuren, verbesserte Werkzeuge zu erstellen, die genau auf die Anforderungen der Arbeiter zugeschnitten sind.

Eckhart wiperinstall Stratasys
[Image credit: Eckhart]

Arbeiten in der Montageumgebung ist rau und sich wiederholende Aufgaben können für die Mitarbeiter unglaublich anstrengend sein, sagt Bob Heath, AF Anwendungstechniker bei Eckhart, einem der führenden Unternehmen für fortschrittliche Industrielösungen. Die Entwicklung maßgeschneiderter, ergonomischer Werkzeuge, die zudem viel leichter sind als herkömmlich konstruierte Werkzeuge, wird bei Eckhart als einer der Vorteile des additiven Verfahrens gesehen.  

Das Unternehmen verbessert mittels des 3D Druckes ständig die Ergonomie von Werkzeugen, besonders indem es das Feedback der Endbenutzer einbezieht und gleichzeitig die Aufgaben für die Arbeiter am Fließband leichter, sicherer, wiederholbarer und genauer macht. 

Es ist. z. B. ein ergonomischer Albtraum für einen Monteur, der alle 45 Sekunden ein Wischerblatt an einem neuen Fahrzeug anbringen muss, das in die Station einfährt.

Daher hat Eckhart zusammen mit Stratasys eine mittels 3D gedruckte Vorrichtung entwickelt, die neben dem Motorgehäuse des Scheibenwischers angebracht wird und den Bediener unterstützt, indem sie das Werkzeug an die Windschutzscheibe des Fahrzeugs saugt. 

Die aus der neuen Vorrichtung resultierende feste Positionierung ermöglicht eine konsistente Installation des Wischerblatts durch den Monteur und eliminiert jegliche im Anschluss erforderliche Nacharbeit oder andere Qualitätsprobleme.  

Lesen Sie hier zu: Interview with Eckhart’s Additive Manufacturing Application Engineer on 3D Printing, Automation and Industry 4.0

4. Größere Werkstoffvielfalt  

Im 3D Druck steht eine breite Palette von Materialien zur Verfügung, von Kunststoffen und Metallen bis hin zu Gummi und Wachs. Der 3D Druck mit Multiwerkstoffen ist ein schnell wachsendes Interessengebiet, bei dem Materialien kombiniert werden, um neue Werkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu schaffen. So können 3D gedruckte Teile beispielsweise chemikalien- und hitzebeständig sein oder UV-Stabilität besitzen. 

Eine der wichtigsten Auswirkungen auf den Vorrichtungsbau ist die Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen wie PEKK oder ULTEM und Verbundwerkstoffen, mit denen starke, leichte Werkzeugteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können. 

5. Verbesserte Leistungsfähigkeit 

Der 3D Druck kann dazu beitragen, die Leistung von Vorrichtungen zu verbessern, indem er einen einfacheren Weg zur Erstellung neuer und verbesserter Designs bietet. Bisher war dies aufgrund des Aufwands und der Kosten, die für die Herstellung neuer Fertigungsvorrichtungen mit herkömmlichen Methoden erforderlich sind, eine Mammutaufgabe. 

AF ermöglicht das Hinzufügen von Merkmalen wie Seriennummern, Herstellungsdaten und anderen wichtigen Daten, was eine verbesserte Bestandsverwaltung und Bestandsverfolgung ermöglicht. 

Komponenten, die bei der Bearbeitung getrennt werden würden, können beim 3D Druck kombiniert werden. Dadurch werden Spalträume und unerwünschte Ansammlungen von Staub und Spänen (z. B. bei einem Bearbeitungswerkzeug) minimiert. 

6. Individualisierung 

Schließlich erleichtert der 3D Druck die Erstellung von kundenspezifischen Produkten. Gekoppelt mit der Fähigkeit, komplexe Geometrien zu erzeugen, kann die Technologie leicht zur Herstellung komplexer, kundenspezifischer Werkzeuge verwendet werden, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht erreichbar wären. 

Und die Möglichkeiten der Individualisierung haben in einer Reihe von Branchen Vorteile geschaffen, zum Beispiel im Bereich der medizinischen Geräte. Hier wird der 3D Druck bereits eingesetzt, um chirurgische Anleitungen zu erstellen, die die Operationszeit verkürzen und den Patienten ein besseres Erlebnis bieten.  

3D gedruckte Vorrichtungen in Aktion 


Viele Hersteller nutzen bereits die wirtschaftlichen und Produktivitätsvorteile des 3D Drucks für die Werkzeugherstellung zu ihrem Vorteil. 

Fertigung

Jabil 

3d printed manufacturing aids Jabil
3D-printed manufacturing aids [Image credit: Jabil]

Jabil ist ein globales Unternehmen für Fertigungsdienstleistungen mit 100 Standorten in über zwanzig Ländern weltweit. Mit seinem Arsenal an Ultimaker AF-Systemen erforscht das Unternehmen bereits den 3D Druck für die Herstellung von Vorrichtungen. Das Werk in Auburn Hills im US-Bundesstaat Michigan ist ein Pionier in der Herstellung von Werkzeugen mithilfe der additiven Fertigung.  

“Mir scheint, dass auf Dauer alle Vorrichtungen und Lehren in 3D gedruckt werden, einige werden aus Kunststoff sein, andere aus Metall, aber letztendlich macht es einfach Sinn.” John Dulchinos, Jabil.

Mit der Technologie kann das Unternehmen einmalige Chargen von Vorrichtungen mit mehreren Design-Iterationen ohne Kostenbeschränkungen herstellen. Der Betrieb kann nun die Kosten für die Werkzeuge um bis zu 30 % senken und die benötigte Zeit um 80 % reduzieren und gleichzeitig die Kundenzufriedenheit erhöhen.

“3D gedruckte Werkzeuge und Vorrichtungen sind ein Bereich, von dem die meisten Hersteller profitieren können, wenn sie den 3D Druck in ihre bestehenden Prozesse integrieren”, so der Director of Additive Manufacturing bei Jabil, Tim DeRosett.

Luft – und Raumfahrt

Moog Aircraft Group

Der Luft- und Raumfahrthersteller sowie Hersteller in der Verteidigungsindustrie Moog Aircraft Group nutzt die Fused Deposition Modelling (FDM) Technologie für den 3D Druck von Vorrichtungen für Koordinatenmessgeräte (KMG). Nach Angaben des Unternehmens führte die Fremdvergabe der Produktion von KMG-Vorrichtungen zu einer Vorlaufzeit von vier bis sechs Wochen, von der Konzeption bis zum fertigen Teil. Mit dem 3D Druck hingegen kann das Unternehmen die gleichen Vorrichtungen in etwa 20 Stunden selbst herstellen. Auch der Preis für die 3D gedruckten KMG-Vorrichtungen ist von GBP 2.000 auf ein paar hundert GBP gesunken. 

Boeing

Der 3D Druck ist jedoch nicht nur für kleine Fertigungshilfen von Vorteil. Im Jahr 2016 wurde in einem Gemeinschaftsprojekt zwischen Boeing und dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des Energieministeriums in Tennessee ein beeindruckend großes 3D gedrucktes Trimm- und Bohrwerkzeug für das Boeing-Flugzeug 777X hergestellt – und damit ein Weltrekord für das größte 3D gedruckte Objekt aufgestellt. 

Das Trimm- und Bohrwerkzeug, das zuvor mit traditionellen Fertigungsmethoden aus Metall hergestellt wurde, wurde in nur 30 Stunden mit kohlenstofffaserverstärktem ABS 3D gedruckt. Die schnelle Produktion wurde dank der firmeneigenen Big Area Additive Manufacturing (BAAM)-Maschine erreicht, die vor allem für großflächige AF-Anwendungen entwickelt wurde.

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Automobilindustrie

BMW

BMW 3d printed tools for assembly lines
[Image credit: BMW Group]

3D gedruckte Werkzeuge sind auch in der Automobilbranche weit verbreitet. Ein bemerkenswertes Beispiel ist BMW: Der deutsche Automobilhersteller nutzte Fused Deposition Modelling zur Herstellung von Handwerkzeugen für die Montage und Prüfung als Alternative zu traditionellen spanenden Fertigungsmethoden wie Fräsen oder Drehen.  Dank des 3D Drucks konnte das Gewicht der ergonomisch gestalteten Werkzeuge um 72 % reduziert werden, was die Handhabung für die Arbeiter erleichtert und die Funktionalität des Geräts erhöht.  

Renault Sport F1

Der 3D Druck war auch eine wertvolle Lösung für die Herstellung von Werkzeugen bei Renault Sport F1. Unter den vielen Anwendungen des 3D Drucks hat das Unternehmen Stereolithografie (SLA) eingesetzt, um Vorrichtungen für die Auspuffanlage seines Rennwagens herzustellen. 

Vor der Einführung der additiven Fertigung nutzte Renault die CNC-Bearbeitung zur Herstellung seiner Vorrichtungen, was Tage dauern konnte – und der Zusammenbau der vorbearbeiteten Teile konnte eine Woche dauern. Im Gegensatz dazu können mit der additiven Fertigung 15 Vorrichtungen über Nacht hergestellt werden – eine erhebliche Zeitersparnis. 

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Wie Sie das Beste aus dem 3D Druck von Vorrichtungen und Werkzeugen herausholen 


Werkzeugdesign optimieren  

Der erfolgreiche 3D Druck von Fertigungshilfsmitteln beginnt bereits bei der Konstruktion. Nehmen Sie sich etwas Zeit, um bereits in der Entwurfsphase zu überlegen, welche zusätzlichen Funktionen in die Vorrichtung oder das Spannmittel eingebaut werden können, um die Designflexibilität von AF zu nutzen. Kleine Merkmale, die schwer zu bearbeiten wären, und Geometrien, die aufgrund des Werkzeugspiels beim Fräsen oder Drehen als unmöglich gelten, all das liegt im Bereich der AF-Prozesse. 

Spannend ist, dass die AF-Unternehmen jetzt aktiv automatisierte Lösungen entwickeln, um den Designprozess zu beschleunigen und es den Ingenieuren zu ermöglichen, Designoptionen schnell zu bewerten, bevor sie etwas auf der Maschine drucken. Ein solches Tool könnte für die Konstruktion von Werkzeugen von Vorteil sein. 

Ford hat zum Beispiel gezeigt, wie die Automatisierung die Zeit für die Konstruktion von Werkzeugen von Stunden auf Minuten reduzieren kann.

Durch die Zusammenarbeit mit dem deutschen Softwareunternehmen Trinckle erhielt der Automobilhersteller Zugang zu einer Software, die automatisch die Geometrie des Werkzeugs generieren konnte, um es an die Kontur des Autos anzupassen und die Basis der neuen Vorrichtung zu bilden. Mit einem einfachen Klick konnten die Ingenieure auch Elemente wie Griffe, Magnethalterungen zur Fixierung und Kantenführungen hinzufügen. 

Durch die Automatisierung des Konstruktionsprozesses für dieses Teil konnten mehrere Arbeitsstunden eingespart und der Konstruktionsprozess auf nur 10 Minuten reduziert werden. Ford glaubt, dass dieser Ansatz das Potenzial hat, Tausende von Euro pro Werkzeug zu sparen. 

Der Hardwarehersteller Stratasys entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Softwareunternehmen nTopology ebenfalls Lösungen zur Automatisierung der 3D Werkzeugkonstruktion. 

Diese neue Lösung mit dem Namen Fixture Generator ermöglicht es Ingenieuren, Werkzeugteile auf einfache Weise per Drag-and-Drop zu erstellen. Dies geschieht durch den Einsatz der Topologie Optimierungs Software Engine von nTopology, die das Design der Teile mit Blick auf die Endanwendung optimiert. Sie können den Zugang zum Fixture Generator hier anfordern

Digitalisieren Sie das Inventar für die einfache Nachbestellung von 3D gedruckten Werkzeugen

AMFG digital catalogue
A digital part catalogue can significantly simplify the ordering and re-ordering of parts [Image credit: AMFG]

Wenn Sie regelmäßig viele Werkzeuge drucken, dann sollten Sie darüber nachdenken, den Workflow für deren Bestellung zu rationalisieren. 

Viele Unternehmen, die 3D gedruckte Vorrichtungen implementieren, speichern Konstruktionsdateien oft in gemeinsamen Ordnern, während Ingenieure E-Mail Anfragen senden müssen, um ihre Werkzeuge zu bestellen. Gleichzeitig müssen die Manager der 3D Abteilung die E-Mails sortieren und durch die Ordner und Tabellen jagen, um die angeforderten Dateien und ihre Produktionsanforderungen zu finden, um sie zur Produktion zu senden.  

Es liegt auf der Hand, warum dieser Arbeitsablauf nicht sehr effizient ist: Er ist nicht benutzerfreundlich für die jenigen, die Teile bestellen, und er ist zeitaufwändig und fehleranfällig für 3D Drucktechniker.  

Eine alternative, effizientere Lösung wäre die Erstellung eines digitalen Katalogs komplett mit 3D Konstruktionsdateien UND Produktionsanforderungen. Indem sie ihn den Ingenieuren zur Verfügung stellen, können Unternehmen die Bestellung und Produktionsplanung vereinfachen, wenn der Katalog auch in ein additives MES-System integriert ist.

Hierzu auch:4 Ways Digital Inventory Can Support Your AM Operations

Die Zukunft des Werkzeugbaus ist der 3D Druck 


Obwohl Vorrichtungen nicht der glamouröseste Aspekt der additiven Fertigung sein mögen, sind sie für den Fertigungsprozess entscheidend. AF ist eine ideale Alternative, um einen effizienten Produktionsprozess zu gewährleisten und hilft dabei, Vorrichtungen und andere Hilfsmittel in einem Bruchteil der Zeit und Kosten herzustellen. 

Mit Blick auf die Zukunft werden Hersteller, die den 3D Druck bereits eingeführt haben, von den Vorteilen eines rationelleren Fertigungsprozesses profitieren und enorme Effizienz- und Qualitätsverbesserungen innerhalb der Produktions- und Montagelinien erfahren, da die Werkzeugherstellung immer mehr zu einem kundenspezifischen Unterfangen wird. 

 

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