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3D-Druck: Die Brücke zwischen Prototyp und Serienfertigung

3D DruckerKaum eine technische Innovation hat in den letzten zehn Jahren für dermaßen viel Furore gesorgt, wie der 3D-Druck. Die ungeheure Faszination, jedes beliebige Gedankenmodell in ein haptische Form bringen zu können, war schon groß genug.

Mit dem rapiden Preisverfall der Hardware und der Filamente folgte eine massenhafte Verbreitung dieser innovativen Technologie, sowohl im professionellen wie privaten Sektor. Und so kamen viele auf die Idee, dass 3D Drucker eigentlich auch für die Serienfertigung von Kunststoffteilen eine Alternative zum herkömmlichen Spritzguss sind. Aber hier muss man klar Grenzen ziehen.

Limitierte technische Eigenschaften des additiven Verfahrens

Beim 3D-Druck werden die Kunststoffschichten Strang für Strang und Schicht für Schicht aufeinander gelegt und durch Wärme miteinander verschmolzen. Gerade beim FDM Verfahren gibt es aber auch Probleme. Das Ergebnis lässt sich zwar tatsächlich anfassen und vermittelt einen nahezu vollständigen Eindruck des geplanten Serienprodukts. Mehr kann ein Modell aus dem Drucker jedoch nicht leisten. Was die Aufnahme von Scher- und Zugkräften angeht, sind die nur vergleichsweise leicht miteinander verklebten Schichten aus Kunststoff kaum belastbar. Hinzu kommt, dass auch bei höchster Auflösung und feinster Strangbildung, keine wirklich glatte Oberfläche am fertigen Produkt erzielt werden kann. Eine Nachbehandlung durch Ätzen oder Polieren ist deshalb in den meisten Fällen unumgänglich. Bei anderen additiven Verfahren, wie beispielsweise beim SLS-Verfahren ist die Qualität deutlich höher und auf dem Niveau einer klassischen Serienproduktion.

Nachteile der klassischen Serienfertigung

Kunststoff-Spritzguss ist ein etabliertes und sparsames Verfahren, um beliebig hohe Stückzahlen von Produkten aus Plastik herzustellen. Bei aller Effizienz in der Großserie sind in jedem Fall jedoch sehr hohe Anfangsinvestitionen fällig, um überhaupt produzieren zu können. Eine Spritzgussmaschine kostet zehntausende von Euros, hinzu kommen sehr hohe Aufwendungen für Betriebsmittel (beispielsweise Hydrauliköle) und Energie. Das Teuerste an einer Spritzgießmaschine ist jedoch das Werkzeug. Dies kann, je nach Komplexität, durchaus den Preis einer Spritzgießmaschine überschreiten. Hinzu kommt die enorme Empfindlichkeit der Werkzeuge: Kleinste Fehler multiplizieren sich gnadenlos auf die gesamte Serie und sind nur sehr aufwändig wieder zu reparieren, wenn es denn überhaupt möglich ist. Hier lockt natürlich der besondere Charme der 3D-Drucker: Natürlich braucht ein Print wesentlich länger als ein Schuss in einer Spritzgießmaschine. Angesichts der hohen Kosten für Maschine und Werkzeug liegt aber die Idee nahe, eben etliche 3D-Drucker gleichzeitig laufen zu lassen, um die Nachteile der Produktivität auszugleichen. Wenn da nicht die mangelhaften technischen Eigenschaften der 3D Prints wären.

Lösung: Preiswerte Werkzeuge aus Aluminium

Aluminium ist im Werkzeugbau ein bislang vollkommen ignorierter Werkstoff. Zu schnell verschleißen die weichen Oberflächen des Materials, so dass schon nach wenigen Schüssen die geforderten Toleranzen nicht mehr eingehalten werden können. So war bislang die einhellige Meinung im Werkzeugbau über dieses Leichtmetall. Doch neue Entwicklungen und Fortschritte in der Werkstofftechnik können heute hochfeste Legierungen anbieten. Diese geben dem Aluminium eine so hinreichende Festigkeit, dass für Kleinserien eine Werkzeugfertigung durchaus sinnvoll sein kann. Die gutmütige Bearbeitbarkeit des Werkstoffs wird dabei aber erhalten. Damit ermöglicht die Verwendung von Aluminium Fertigungskosten, welche weit unter denen des klassischen Werkzeugbaus mit Stahl liegen. Zusammen schließen die neuen Spritzguss-Werkzeuge aus Aluminium die Lücke zwischen dem 3D-Druck Prototyping und der Großserie aus der Spritzgießmaschine. Die einfache und preiswerte Bearbeitbarkeit von Aluminium bietet deshalb eine Fülle von Vorteilen:

  • Preiswerte Herstellung von Werkzeugen
  • Einfache Nachbearbeitung und Anpassung der Werkzeuge
  • Anwendbarkeit auf herkömmlichen Spritzgießmaschinen
  • Volle technische Belastbarkeit der Endprodukte

Entrepreneur aus den USA

Einer der Anbieter dieses besonderen Services ist das Unternehmen Proto Labs aus den USA. Mit der Aluminium Legierung 7075-T651 steht dem Unternehmen ein hochfestes Leichtmetall zur Verfügung, welches für eine Werkzeugfertigung ausreichend gute Festigkeitswerte anbieten kann. Damit ist das Unternehmen einer der Pioniere in der Werkzeugherstellung mit Aluminium.
Das Unternehmen ist in den USA, in Europa und in Japan vertreten. Für alle Hotspots der Kunststoff-Spritzguss-Fertigung steht somit ein ortsnaher Partner für die Umsetzung einer Kleinserie bereit. Schnelle Reaktionszeiten und kundennahe Kommunikation sind dabei die Kernkompetenzen im Service von Proto Labs.

Perfektes Trio

Mit dem 3D-Druck und den Aluminium-Werkzeug basierten Kleinserien werden dem klassischen Kunststoff-Spritzguss zwei leistungsstarke Partner zur Seite gestellt. Eine Produktionsplanung findet in der Kombination dieser drei Anwendungen einen perfekten Weg für Ausfallsicherheit und Konstruktion. Einige wenige 3D-Druck Modelle können den haptischen Eindruck vermitteln. Die preiswert umgesetzte Kleinserie mit Aluminium-Werkzeug legt letzte mechanische Schwächen des Produktes offen. Erst wenn das endgültige Design fest steht und eine hinreichend große Serienfertigung gewünscht wird, ist die Umsetzung des klassischen Stahlwerkzeugs angezeigt. Damit sind die Gefahren von Konstruktionsfehlern beseitigt und die Investitionssicherheit garantiert.

Bild: Scanrail / istockphoto.com