3D Metalldruck für Maschinendesign

Mit Desktop Metal^TM Maschinendesign rationalisieren

In diesem Artikel erfahren Sie:

• Wie mit 3D Metalldruck die Produktion von Ersatzteilen rationalisierten werden kann.
• Wie durch Baugruppenkonsolidierung Fertigungsprozesse vereinfacht werden.
• Wie On-Demand-Fertigung Durch- und Vorlaufzeit sowie Herstellungskosten reduziert.
• Wie 3D Metalldruck Funktionprotyping im Maschinenbau ermöglicht.
• Wie hochauflösende, komplexe Unikate in Metall gedruckt werden.
• Am Ende des Artikels die Anwender Story der Ford Motor Company.

Die Herausforderung

Aus Gründen der einfachen Funktionalität, Geschwindigkeit und vor allem der Kosten, bemühen sich Maschinenbauer, so viele Standardkomponenten wie möglich zu verwenden. Müssen jedoch einige Teile individuelle Sonderanfertigungen sein, liegt darin die größte Herausforderung für die Ingenieure.

Aufgrund der benötigten geringen Größe bzw. Stückzahl, werden kundenspezifische Teile in der Regel CNC-gefräst. Das kann sich durch begrenzte Maschinenparkressourcen und einmaliger Engineering-Zeiten (NRE) nachteilig auf wirtschaftlich relevante Faktoren wie Kosten und Zeitaufwand auswirken. Diese NRE besteht normalerweise in der Notwendigkeit, kundenspezifische Spannvorrichtungen für die Bearbeitung komplexer Teile zu erstellen. Selbst dann, wenn Teile in geringer Stückzahl hergestellt werden, was zu erheblichem Ausschuss und zusätzlichen Teilekosten führt.

Maschinenbauunternehmen können auch mit Herausforderungen angesichts bereits in Betrieb befindlicher Geräte konfrontiert werden. Wenn Teile verschleißen oder brechen bzw. beschädigt werden, müssen Unternehmen in der Lage sein, schnell Ersatzteile herzustellen. Durch diese on Demand-Fertigung können Stückkosten niedrig gehalten und der Aufwand für Lagerhaltung profitabel reduziert werden.

Die Lösung

Die additive Fertigung vereinfacht den Prozess der Herstellung kundenspezifischer Teile erheblich. Da der 3D-Druck nicht auf Werkzeuge oder Vorrichtungen angewiesen ist, können Anwender Teile oft schneller und zu niedrigeren Kosten drucken als die maschinelle Bearbeitung.

Der 3D Druck öffnet auch die Tür zu Teilen mit größerer geometrischer Komplexität. Diese komplexen Teile sind möglicherweise besser für die vorgesehene Anwendung geeignet, zumeist jedoch mit herkömmlichen Herstellungsverfahren wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen.

Eine Baugruppenkonsolidierung begünstigt zudem eine hohe Komplexität. Dieses Verfahren bedeutet das Zusammenfassen mehrerer Teile zu weniger, multifunktionalen Baugruppen und führt zu einer vereinfachten Fertigung sowie mehr Effizienz.

Der 3D-Metalldruck rationalisiert auch die Produktion von Ersatzteilen. Maschinenbauunternehmen können vor Ort genau das Teil drucken, was zum aktuellen Moment am Standort benötigt wird. Auf diesem Weg reduzieren Firmen sowohl Stillstandzeiten von Maschinen als auch Lagerkosten erheblich.

Signifikante Anwendungsfälle von 3D Metalldruck

1. Baugruppenkonsolidierung

Um Fertigungsprozesse zu vereinfachen, bestehen viele Baugruppen aus einfach herzustellenden Teilen, die entweder mit Befestigungselementen zusammengehalten oder verschweißt werden. Die additive Fertigung ermöglicht es Benutzern jedoch, mehrere Teile zu einer einzigen Baugruppe zu konsolidieren, wodurch Kosten gesenkt und die Effizienz gesteigert werden.

Der hier abgebildete Rollengewindetrieb wird in einem Linearantrieb zum Öffnen und Schließen eines Pilotventils in einem Dampfkraftwerk verwendet. Obwohl es normalerweise aus sieben Komponenten besteht, ermöglicht das Desktop Metal Studio^TM System, die Baugruppe in nur einer Komponente zu konsolidieren.

Rollengewindetrieb, von sieben Teilen auf eins reduziert

2. On-Demand-Fertigung

Das Drucken von Halterungen bzw. Fixierungen beschleunigt nicht nur ihre Herstellung, sondern gibt den Designern mehr Freiheit, sich auf die Optimierung ihrer Geometrie für die jeweilige Anwendung, statt auf die Herstellbarkeit zu konzentrieren.

Die Halterungen im Bild unten werden verwendet, um eine Vielzahl von handelsüblichen Komponenten zu fixieren: Motoren, Lager, Wellen, Zahnräder, Riemenscheiben, Sensoren, Optiken und einiges mehr. Durch das 3D Drucken dieser Teile kann ihre Geometrie für jede Anwendung optimiert werden, bei gleichzeitiger Reduzierung von Durchlaufzeit und Herstellungskosten.

Der 3D Metalldruck ermöglicht auch Flexibilität bei der Herstellung. Wenn z.B. das Design geändert werden muss, um andere Kriterien zu berücksichtigen, können Ingenieure einfach eine überarbeitete Datei an den Drucker senden. In Beispielen wie dem weiter unten gezeigten Sensorhalter, der verwendet wird, um mehrere Sensoren zu fixieren, während Messungen in einer laufenden Maschine durchgeführt werden, macht die komplizierte Geometrie des Teils es zu einem idealen Kandidaten zum Drucken auf dem Desktop Metal Shop^TM System. Dieses Teil wurde mit einer enormen Reduzierung sowohl der Fertigungsvorlaufzeit als auch der Teilekosten gedruckt.

Verschiedene Halterungen, gedruckt auf dem Desktop Metal Fiber^TM und Studio^TM Systemen

Sensorhalterung, gedruckt auf dem Desktop Metal Shop^TM System

3. Funktionsprototyping und Pilotläufe

Herstellungsverfahren wie Fräsen, Schmieden und Metallspritzgießen sind ideal für die Massenproduktion. Jedoch machen hohe Kosten und lange Vorlaufzeiten sie zu einer schlechten Wahl für Prototypen oder Kleinserien. Gedruckte Teile können oft ohne Werkzeug die gleiche Qualität wie diese Massenproduktionsmethoden erreichen, was erheblich Zeit und Geld spart. Da beim Drucken keine Werkzeuge erforderlich sind, kann das Teil problemlos am Tag gedruckt und modifiziert, und über Nacht in einer neuen Variante gedruckt werden.

Das Beispiel in der Abbildung unten ist ein vorderer Flansch eines Schneckengetriebes, der den Anschluss von Motoren unterschiedlicher Größe ermöglicht. Wenn der Drehzahlminderer in Massenproduktion geht, wird dieser Flansch gegossen, gefolgt von mehreren Bearbeitungsvorgängen.

Mit dem Desktop Metal Studio^TM System kann dieses Teil ohne Gießen, bei erheblicher Reduzierung der Teilekosten und Fertigungsvorlaufzeiten, schnell prototypisiert und iteriert werden. Durch Prototyping in Metall auf dem Studio^TM System kann der Flansch unter hohen Belastungsbedingungen hinsichtlich des Designs funktionsgeprüft werden

Befestigungsflansch für Schneckengetriebe

4. Hochauflösender Druck komplexer Unikate

Die kundenspezifische Kupplung im Bild unten dient der Kraftübertragung zwischen zwei rotierenden Komponenten und zeichnet sich durch komplizierte Details aus, die – obwohl schwer zu bearbeiten – einfach zu drucken sind.

Durch den Druck dieses Teils konnte der Konstrukteur mehrere funktionale Prototypen auf einem einzigen Druckbett erstellen. In nur einer Woche wurden eine Vielzahl von Designs getestet, und danach ein Teil mit optimaler Geometrie ausgewählt und für die Massenproduktion angepasst.

Die stark verkürzte Durchlaufzeit und die niedrigen Kosten pro Stück, die das Desktop Metal Studio^TM System ermöglicht, machen ein solches schnelles funktionales Prototyping für Teile mit sehr feinen Details möglich.

Komplexes Einzelstück, kundenspezifische Kupplung

Desktop Metal^TM Customer Story: Ford Motor Company