3D-Druck als Alternative zur Zerspannung

Moderne Produktionssysteme zeichnen sich durch eine intelligente Vernetzung von Maschinen und Abläufen durch Verwendung von Informations- und Kommunikationstechnologien aus. Diese intelligente Vernetzung ist für Unternehmen notwendig, um in dem sich wandelnden Wettbewerbsumfeld mithalten zu können. Für den effizienten Ablauf in einem Unternehmen, das selbst Produkte entwickelt ist ein 3D-Drucker ein Must-have. In jeder Entwicklungsabteilung ermöglicht dieser das schnelle und kostengünstige Herstellen von Bauteilen oder das Testen und Evaluieren von Bauteiliterationen. Hierbei redet man vom Rapid-Prototyping. Darüber hinaus findet ein 3D-Drucker auch Einsatz in der Herstellung von Adaptern, Halterungen, Designelementen etc. und ermöglicht so eine kreative Gestaltung der Büroumgebung oder einfach eine schnelle Lösung in der Produktionsumgebung, ohne erst aufwendig und teuer das benötigte Bauteil mit konventionellen Verfahren herzustellen. Dabei ist der Kreativität keine Grenze gesetzt. Im 3D-Druck gibt es unterschiedlichste Verfahren, die aus Filament, Resin oder Pulvern das gewünschte Bauteil herstellen. Auch die verfügbaren Materialien reichen von einfachen Kunststoffen, über flexible Kunststoffe bis hin zu Edelmetallen, Kupfer und Keramik.

Vorteile der Lösung

Ein 3D-Drucker bringt enorme Flexiblität in Unternehmen die eigene Produkte entwickeln. Er beschleunigt den Entwicklungsprozess, indem Bauteile, Baugruppen oder die jeweiligen Iterationen schnell und kostengünstig hergestellt und evaluiert werden können. Dabei sind ganz andere Strukturen und Geometrien als mit konventionellen Herstellungsverfahren möglich. So findet man z.B. in einem Porsche GT2 RS,  Motorkolben mit innen liegenden Kühlkanälen, welche mit einem 3D-Drucker hergestellt werden. Weitere Anwendungen findet man bspw. bei Badamaturen oder Fräswerkzeugen mit innenliegenden Kühlkanälen. Hinzu kommt die Möglichkeit der Topologieoptimierung, die nur überall dort das Material verstärkt, wo es aufgrund der Spannungsverläufe wirklich benötigt wird. Das ermöglicht hochfeste leistungsstarke Bauteile, die mit konventionellen Herstellungsverfahren nicht herstellbar sind. Die Anwendungsmöglichkeiten und Materialien sind im 3D-Druck nahezu unbegrenzt. Hier können sich Entwicklungsingenieure voll auf die Funktion konzentrieren, ohne den aufwendigen Einsatz einer Vielzahl von verschiedenen Werkzeugen und Maschinen berücksichtigen zu müssen.

Genutzte Technologien/ Demonstrationsszenarien

In der Roadshow des Kompetenzzentrums kommt ein klassischer FDM Drucker der deutschen Firma InnovatiQ zum Einsatz. FDM steht für Fused Deposition Modeling und bezeichnet ein Fertigungsverfahren, bei dem ein Material, in Form von Filament, aufgeschmolzen und schichtweise auf einer Ebene aufgetragen wird. Dieses Prinzip wird für die Herstellung eines Teufelsknoten verwendet, ein Knobelspiel, das aus 6 Teilen besteht. Das Besondere hierbei ist, dass der 3D-Drucker für die Serienfertigung der Bauteile eingesetzt wird. Normalerweise werden 3D-Drucker bisher nur für die Herstellung von Prototypen, Einzelstücken oder Kleinserien eingesetzt. Im Zuge der Roadshow benötigt ein kompletter Teufelsknoten (100x100x100mm), bestehend aus 6 Einzelteilen, ca. 2 Stunden und 8 Minuten. Im Gegensatz zu seinem Padon aus Holz, wiegt der Teufelsknoten durch seine Hohlkörperstruktur rund ... % weniger. Am Beispiel des gedruckten Teufelsknoten wird ein Polylactid mit 40% Holzanteil verwendet. Dadurch werden die Druckeigenschaften von Polylactid deutlich verbessert und womit eine höhere Druckgeschwindigkeiten ebei niedrigeren Temperaturen ermöglicht werden. Gleichzeitig erhalten die Bauteile durch den Holzfaseranteil einen natürlichen Look, ein besseres Feeling und sind sogar biologisch abbaubar!

Neben dem Beispiel aus der Roadshow gibt es weitere Technologien im Bereich des 3D-Drucks. So wird beim Stereolithografieverfahren (SLA) bzw. Digital Light Processing (DLP) ein Harz mit UV-Licht an den erforderlichen Stellen ausgehärtet und erzeugt so Schicht für Schicht komplexe maßhaltige Geometrien. Beim selektiven Lasersintern bzw. Laserschmelzen (SLS/SLM) liegt das Material als Pulverform vor. Dieses wird an- bzw. aufgeschmolzen und erzeugt so Geometrien aus Metall oder Keramik. Womit je nach Anwendungsfall unterschiedliche Technologien eingesetzt werden können. So bietet u.a. das SLA-Verfahren im Gegensatz zum FDM-Verfahren aus der Roadshow eine deutlich bessere Detailgenauigkeit.

Der 3D-Druck lässt sich optimal für die Herstellung von Bauteilen nutzen, die nur aufwendig oder gar nicht mit konventionellen Methoden hergestellt werden können. Zudem lassen sich mit diversen Optimierungen die Bauteile im Hinblick auf Festigkeit und Gewicht optimieren. Denn neben der freien Gestaltungsvielfalt können die Bauteile auch mit Infill gedruckt werden, da das Innenleben nicht aus Vollmaterial gedruckt werden muss. Je nach Infillstruktur und -dichte können die Bauteile somit leichter und günstiger werden, ohne an Festigkeit zu verlieren.

Aufgrund der vielfältigen Ausführungsvarianten von 3D-Druckern gibt es je nach Anforderungsbereich, auch im Hinblick auf die Arbeitssicherheit, die passenden Geräte. Es gibt welche in offener und geschlossener Bauweise, mit Sensorik und ohne. Mit Sensorik ausgestattete geschlossene 3D-Drucker sind besonders für die Einhaltung von Arbeitssicherheitsrichtlinien geeignet, ermöglichen es aber auch schwer zu druckende Materialien wie bspw. glas- oder kohlefaserverstärkte Materialien zu verarbeiten, da die Umgebung keinen Einfluss mehr auf die Temperatur in der Bauteilumgebung während des Drucks hat.

Einsatzgebiete/ Branchen

Die im Demonstrationsszenarium vorgestellte Technologie eignet sich für jedes Unternehmen, das kleinere Produkte herstellt oder kontinuierlich neue Produkte entwickelt und bestehende Produkte optimiert. Aufgrund der nahezu unbegrenzten Gestaltungsvielfalt und der Vielzahl an verfügbaren 3D-Druckverfahren und Materialien eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten und Businesskonzepte. Lassen Sie sich von den folgenden Beispielen inspirieren:

• Ersatzteile für alte Gasturbinen
• Ansaugbrücken
• Turbolader
• Halterungen aus Kunststoff/Metall
• Fleisch
• Organe
• flexible Bauteile aus Silikon (z.B. Kabeldurchführungen, Ansaugschläuche etc.)
• Zahnprothesen
• Gussformen bzw. negativ Formen für den Gussbereich
• Hausbau

Wenn sie herausfinden wollen, welche Möglichkeiten der 3D-Druck in ihrem Unternehmen eröffnet, wenden Sie sich gerne an unseren Ansprechpartner, der Sie direkt mit den fachkundigen Ingenieuren in Verbindung bringt.