Bauteiloptimierung durch 3D-Druck

Quelle: © Mittelstand-Digital Zentrum Ilmenau

Im Rahmen des Projektes „Bauteiloptimierung durch 3D-Druck“ realisierten die Modellfabrik 3D-Druck und das Ingenieurbüro Weber verschiedene Beispiele, wie durch den Einsatz des 3D-Drucks bei der Herstellung von Standardbauteilen aus Kunststoff und Metall deren Einsatzbereiche und Funktionen erweitert werden können.

Problemstellung

Typische Kunden des Ingenieurbüros sind Kleinst- und Kleinunternehmen, die Hersteller unterschiedlichster Bauteile aus Kunststoff und Metall – insbesondere in den Branchen Automobilzulieferer, Medizintechnik und Verpackungsindustrie – sind. Sie suchen Unterstützung bei der Weiterentwicklung ihrer Produkte, um sich neue Anwendungsbereiche und Märkte erschließen zu können. Dabei geht es meist um die kundenindividuelle Anpassung von Bauteilen. Ein Beispiel sind Sensorgehäuse, deren Einsatzbereich erweitert werden kann, wenn die Gehäuse transparente Bereiche enthalten.

Ausgangsbasis sind entweder Konstruktionsdaten, Ideen in Form von Papierzeichnungen oder Musterteile, die ohne digitale Datenbasis erstellt wurden. Eine zentrale Rolle spielen immer Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen. Bei der Produktion von Einzelteilen und Kleinserien ist die Herstellung der Werkzeuge und Formen ein wesentlicher Kostenfaktor. Deshalb müssen Unternehmen auch Aufträge ablehnen, weil die Produktion geringer Mengen wirtschaftlich nicht möglich ist. Dafür stellen additive Fertigungsverfahren eine Alternative dar. Die Bandbreite der Anfragen an das Ingenieurbüro ist groß und erfordert es, hinsichtlich innovativer Technologien und Anwendungen fortlaufend auf dem neusten Stand zu sein. Für zwei konkrete Kundenaufträge ergab sich die Frage, ob Kleinserien von individuell angepassten Standardbauteilen durch den Einsatz von 3D-Druck-Technologien wirtschaftlich hergestellt werden könnten. Das Ingenieurbüro suchte dafür Unterstützung durch einen Partner und nahm Kontakt zum Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Ilmenau auf. Nach einer Besichtigung der Modellfabrik 3D-Druck an der EAH Jena entstand die Idee zum gemeinsamen Umsetzungsprojekt.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist es, auf Basis konkreter Anfragen des Ingenieurbüros Weber verschiedene Demonstrationsbeispiele zu erstellen, die zeigen, welche Möglichkeiten der 3D-Druck bietet, um Standardbauteile für Kleinserien so anzupassen, so dass deren Funktionalität und Einsatzbereich erweitert werden können. Dabei sollen Erfahrungswerte über die gesamte Prozesskette des 3D-Drucks gesammelt und aufbereitet werden: von der Erstellung des 3D-Modells bis hin zur Auswahl eines jeweils geeigneten 3D-Druck-Verfahrens.

Projektbeschreibung

Im ersten Schritt wurden verschiedene Möglichkeiten zur Digitalisierung von Zeichnungen der vorliegenden Bauteile erprobt und miteinander verglichen. Dazu gehörten unterschiedliche Scantechnologien und auch verschiedene Softwarelösungen zur Konstruktion sowie die Nachbearbeitung der Daten für die Herstellung mit unterschiedlichen 3D-Druckverfahren. Auf Basis dieser Daten wurden Musterdrucke erstellt und hinsichtlich ihrer Eignung und Qualität verglichen und bewertet. Gedruckt wurde mit drei unterschiedlichen Verfahren: dem Fused Deposition Modeling (FDM), der Stereolithografie (SLA) und dem Multijet-Modelling (MJM). Informationen zu den einzelnen Verfahren bietet unter anderem das von der Modellfabrik 3D-Druck entwickelte Online-Tool.

In einem Beispiel sollte an einen Bauteil eines Gehäuses an verschiedenen Stellen transparentes Material eingesetzt werden, um punktuell eine Lichtdurchlässigkeit zu ermöglichen, damit Sensorik verbaut werden kann. Die Ergebnisse zeigten, dass der 3D-Druck zwar prinzipiell zur Herstellung dieses Bauteils geeignet ist, jedoch die erreichte Lichtdurchlässigkeit noch nicht ausreichend war. Mit einer Nachbearbeitung durch Polieren konnte die erforderliche Lichtdurchlässigkeit erreicht werden. Bei der Herstellung des Gehäuseteils mit einem anderen Verfahren waren die erreichten Oberflächenqualitäten ebenfalls nicht ausreichend. Auch hier zeigte sich, dass eine Nachbearbeitung die gewünschten Ergebnisse liefert, aber sehr aufwendig ist.

In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde deshalb berechnet, für welche Stückzahlen die Fertigung im 3D-Druck kostendeckend möglich ist. Einen Schwerpunkt des Projektes bildet bei allen Beispielen die Datenaufbereitung für den 3D-Druck. Wichtige Fragestellungen sind jeweils: Wie können Fehler von Scandaten korrigiert werden? Welche Besonderheiten sind bei der Konstruktion für den 3D-Druck zu beachten? Welche Unterschiede bestehen dabei für die einzelnen Verfahren?