Fallstudien zu Funktionsbauteilen für den 3D-Druck von Stepanek3D

Hydraulikverteiler

• Die Aufgabe bestand darin, die Fertigung eines Hydraulikverteilers aus Stahl zu optimieren und effizienter zu gestalten,
• Dieser wies mehrere konstruktive Mängel auf, und aufgrund der Einschränkungen der spanenden Bearbeitung war es unwirtschaftlich, diese Änderungen mit den bisherigen Technologien umzusetzen,
• Nach eingehender Prüfung der Aufgabenstellung und Rücksprache mit dem Kunden entschieden wir uns für den 3D-Druck. Wir schlugen die additive Fertigung mittels FDM/FFF-Technologie vor, die bei richtiger Materialwahl und Konstruktion hinsichtlich Funktionalität und Genauigkeit ausreichend ist.
• Nach Abschluss der Neukonstruktion konnten wir das Bauteil sofort in die Fertigung geben. Die gesamte Fertigungszeit betrug weniger als 24 Stunden. Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung, die ca. 10 Tage dauert (abhängig von der Auslastung und den aktuellen Kapazitäten, wobei es sich angesichts der verfügbaren Möglichkeiten der CNC-Maschinen des Kunden um eine relevante Angabe handelt), entspricht dies einer Verkürzung der Lieferzeit um 90%.
• Nicht weniger interessant ist jedoch auch der wirtschaftliche Vergleich der ursprünglichen und der heutigen Kosten. Bei der spanenden Bearbeitung von Stahl betrugen die Gesamtkosten für die Fertigung des Bauteils ca. 5000 EUR. Bei der Fertigung aus Thermoplast ca. 150 EUR. Damit erzielten wir eine Einsparung von 97%.
• Ähnliche Projekte und Anwendungen sind in der additiven Fertigung weit verbreitet, da es sich um eine universelle Technologie mit minimalen Fertigungseinschränkungen handelt. Sie eignet sich insbesondere für komplexe Geometrien und relativ geringe Fertigungsstückzahlen (von 1 Stück bis zu Hunderten oder Tausenden von Stück).

Funktionsbaugruppen

• Für Funktionsbauteile wird üblicherweise die Technologie des Sinterns von Polymerpulver (SLS/MJF) eingesetzt, wobei Nylon PA12 das am weitesten verbreitete Material ist,
• Der Vorteil ist eine nahezu 100%ige Isotropie, was bedeutet, dass die Bauteile in allen Richtungen gleich fest sind, unabhängig von der Ausrichtung des Bauteils im Bauraum,
• Deshalb können sie in vielen Fällen spritzgegossene oder spanend bearbeitete Kunststoffbauteile ersetzen,
• Der Mehrwert des 3D-Drucks liegt jedoch in seiner Flexibilität und Vielseitigkeit. Das bedeutet, dass Bauteile bereits ab 1 Stück mit kurzen Lieferzeiten gefertigt werden können (in der Größenordnung von Tagen), ohne den Einsatz jeglicher Werkzeuge,
• Darüber hinaus setzt sich derzeit zunehmend die Gestaltungsfreiheit durch, die es ermöglicht, den Mehrwert der Bauteile weiter zu steigern und durch ihre Optimierung ihr Gewicht zu reduzieren,
• Durch den Einsatz des 3D-Drucks konnten wir bei einer Funktionsbaugruppe gegenüber der konventionellen Bearbeitung Kosten und Fertigungszeit einsparen.

Hydraulische Vorschubeinheit

• Der 3D-Druck metallischer Werkstoffe findet auch dank seiner Flexibilität und Vielseitigkeit immer größere Verbreitung. Darüber hinaus kann er in vielen Fällen Einsparungen ermöglichen. Im Durchschnitt liegt der Preis gegenüber der CNC-Bearbeitung um bis zu 30-40% niedriger (bei hinsichtlich Form und Abmessungen geeigneten Bauteilen).
• Zur Einhaltung enger Toleranzen können die Bauteile mit konventionellen Methoden nachbearbeitet werden, wie auch im Fall dieser hydraulischen Vorschubeinheiten.
• Sie sind aus Edelstahl gefertigt. Dank additiver Technologien konnten innenliegende Kanäle für die hydraulische Betätigung der Vorschubeinheit integriert werden.

Pumpengehäuse

• Da das Pumpengehäuse eine sehr komplexe Form aufweist und in geringen Stückzahlen gefertigt wird, war der 3D-Druck eine geeignete Wahl,
• Um die komplexe Form umzusetzen, wurde die Technologie des Sinterns von Polymerpulver eingesetzt, die von allen additiven Technologien die geringsten geometrischen Einschränkungen aufweist,
• Um Wasserdichtheit zu erreichen, wurde das Modell nach dem Druck imprägniert und chemisch poliert, wobei die Oberfläche fixiert wurde,
• Die Fertigung ist von 1 Stück bis zu Tausenden von Stück innerhalb von Tagen bis Wochen möglich.

Bauteilsatz eines funktionsfähigen Mechanismus

Der wirtschaftliche Aspekt des 3D-Drucks (additiver Technologien) hängt mit der Erfüllung mehrerer Voraussetzungen zusammen:
1. Relativ geringe Fertigungsstückzahlen (im Vergleich zur CNC-Bearbeitung wird eine Grenze von 100 Stück angegeben, im Vergleich zum Spritzgießen 5000 Stück)
2. Relativ hohe Formkomplexität (je komplexer, desto größer der Mehrwert des 3D-Drucks)
3. Relativ kleine Abmessungen (standardmäßig können 3D-gedruckte Bauteile bis zu Abmessungen von 300 x 200 x 200 mm in einem Stück gefertigt werden).

Wenn eines und idealerweise alle oben genannten Merkmale erfüllt sind, sind additive Technologien nicht nur sinnvoll, sondern sogar in wirtschaftlicher und zeitlicher Hinsicht vorteilhafter.

Die Bauteile auf dem Foto sind Bestandteil eines funktionsfähigen Mechanismus, wobei der 3D-Druck angesichts der genannten Anforderungen das am besten geeignete Fertigungsverfahren war. Verwendet wurden Nylon PA12 in Pulverform und die Technologie Multi Jet Fusion.