Fallstudien für Entwicklung und Prototyping

Fallstudie 1 – Getriebemechanismus einer Galvaniklinie

 

Ausgangssituation und Aufgabenstellung

In einer Galvaniklinie aus den 1950er–1960er Jahren, für die keine Original-Ersatzteile mehr existieren, kommt es zu schnellem Verschleiß des Getriebemechanismus. Dieser Mechanismus basiert auf Gleitreibung zwischen Kunststoffbuchse und Nabe. Als Grundmaterial werden Polypropylen und Teflon verwendet, da der Mechanismus in einem Chemikalienbad der Galvaniklinie eingetaucht ist und somit keine Metallteile verwendet werden können. Derzeit wird dieser Mechanismus extern im Ausland als Nachbau gefertigt, wobei die Lebensdauer nur wenige Wochen beträgt. Ziel ist es, den ursprünglichen Mechanismus durch eine innovative Lösung mit längerer Lebensdauer zu ersetzen.

Entwicklung und Prototyping

Bei der Entwicklung wurde angenommen, dass die Gleitreibung, die hohe Temperaturen verursacht und die Lebensdauer des Mechanismus verringert, durch Wälzreibung ersetzt werden soll. Lager mit Stahlkugeln und -käfigen können jedoch ebenfalls nicht verwendet werden. Daher integriert unsere innovative Lösung den Getriebemechanismus direkt in die Baugruppe, die als untrennbare Kunststoffverbindung im 3D-Druck gefertigt wird. Dieser einzigartige Mechanismus ist nur mit additiven Technologien herstellbar und löst das Hauptproblem der Aufgabenstellung – geringe Lebensdauer und hohe Reibung. Nach der Herstellung einer Prototypenserie haben wir das Spiel in der Lagerung und die Toleranzen des Mechanismus optimiert und verschiedene Muster aus mehreren Materialien für den abschließenden Praxistest gefertigt.

Einführung in die Kleinserienproduktion

Derzeit läuft noch die Erprobung, da es sich um einen langfristigen Prozess zur Messung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit handelt. Nach der endgültigen Bestätigung können wir jedoch mehr als 50 Stück Mechanismen innerhalb von 5 Arbeitstagen liefern, was den voraussichtlichen Jahresbedarf einschließlich Ersatzmechanismen abdeckt. Darüber hinaus können wir ohne jegliche Mengenbeschränkung produzieren, also auch Einzelstücke liefern, falls erforderlich sogar express innerhalb von 24 Stunden, da es sich um ein Schlüsselelement der gesamten Galvaniklinie handelt.

Bewertung der Fallstudie

Durch die Nutzung der Möglichkeiten des additiven Designs mit minimalen Fertigungsbeschränkungen haben wir eine innovative Lösung für das kritische Bauteil des Getriebemechanismus entwickelt. Mit 3D-Druck war es möglich, Prototypen sowie wirtschaftlich und schnell Kleinserien zu fertigen, ohne den Einsatz weiterer Technologien oder Werkzeuge.

---

Fallstudie 2 – Maßgefertigte Vorrichtungen für die Produktion

 

Ausgangssituation und Aufgabenstellung

Die Aufgabe war, eine kleine Serie von Biegevorrichtungen für Aluminiumrohre zu entwickeln, die Funktion zu testen und zu fertigen, wobei die Vorrichtung kompakt und leicht sein sollte.
Das enorme Potenzial des 3D-Drucks, das bislang nur wenig genutzt wird, liegt gerade in der Herstellung von Produktionsvorrichtungen – ob Bearbeitungs-, Spann-, Messvorrichtungen usw. Mit der Entwicklung neuer Materialien, die extrem steif und fest sind, wird dieses Einsatzgebiet zunehmend in der industriellen Praxis genutzt. Es handelt sich vor allem um Verbundwerkstoffe mit Kohle- oder Glasfaserzusatz, die die nötige Steifigkeit und Maßhaltigkeit verleihen.

Geometrievorbereitung

Auf Basis der Vorgaben hatten wir klare Informationen zu den Grundmaßen der Vorrichtung und haben durch schrittweises Modellieren im CAD-System zunächst die Funktionsflächen erstellt und diese zu einer Einheit verbunden, um Gewicht zu sparen und die Herstellbarkeit für die gewählte Technologie zu gewährleisten.

Prototyping und Kleinserienfertigung

Da das Modell für die gewählte 3D-Drucktechnologie optimiert wurde, war die Herstellung des Prototyps innerhalb von 12 Stunden abgeschlossen. Die Vorrichtung bestand den Biegetest und nach der Freigabe durch den Kunden wurden weitere Stücke gefertigt.

Bewertung der Fallstudie

Wir haben das Potenzial der additiven Fertigung bereits bei der Geometrieentwicklung genutzt, was es uns ermöglichte, die Produktionskosten zu senken und die Lieferzeit zu verkürzen. Durch die technologische Optimierung des Modells konnten wir die Anforderungen an die Vorrichtung – Kompaktheit und geringes Gewicht – erfüllen.
Für eine vielfach höhere Festigkeit wird eine Verstärkung auf speziellen Dual-Extruder-3D-Druckern verwendet, bei denen neben dem verstärkten Filament das Bauteil in bestimmten Schichten auch mit kontinuierlichen Kohle-, Glas- oder Kevlarfasern verstärkt wird. … Diese können die Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils um das bis zu 20-fache erhöhen. Ein mit kontinuierlichen Kohlefasern verstärktes Produkt erreicht eine Zugfestigkeit von bis zu 800 MPa, die Biegefestigkeit liegt bei 540 MPa.

Im Vergleich zu Aluminium 6061 weisen diese Produkte ein um 50 % höheres Verhältnis von Biegefestigkeit zu Gewicht und eine bis zu dreimal höhere Zugfestigkeit auf.

---

Fallstudie 3 – Verbesserung der Kühlung einer Spritzgussform

 

Ausgangssituation und Aufgabenstellung

Die Aufgabe war, die Geometrie der internen Kühlkanäle einer bestehenden Spritzgussform zu entwerfen, um die Qualität des Spritzgusses und vor allem die Produktivität des Fertigungsprozesses bei Großserien zu steigern.

Entwicklung

Da bei der konventionellen Herstellung von Kühlkanälen in Formen gerade Kanäle gebohrt und verschlossen werden, ist eine gleichmäßige Kühlung bei komplexen Mehrfachformen grundsätzlich nicht möglich.
Deshalb haben wir die additive Fertigung von Metall mittels 3D-Druck mit der SLM/DMLS-Technologie gewählt, bei der Werkzeugstahl mit einem Laser gesintert wird. Dies bietet deutlich mehr Gestaltungsfreiheit beim Design und in der Fertigung, sodass wir beliebige Querschnitte und Formen der Kühlkanäle realisieren können.

Bewertung der Fallstudie

Aufgrund der geringeren Genauigkeit additiver Technologien im Zehntelmillimeterbereich haben wir die Form mit Materialzugaben für die konventionelle Bearbeitung der Funktionsflächen konstruiert. Der einzige Mehrwert der additiven Fertigung in diesem Projekt war die komplexe interne Geometrie, die auf andere Weise nicht herstellbar ist. Der Formeinsatzrohling wurde aus Werkzeugstahl gefertigt und auf 52–54 HRC gehärtet.
Durch die optimale Positionierung dieser Kanäle konnten wir die Produktionseffizienz steigern und den Spritzgussprozess insgesamt verbessern.

---

Fallstudie 4 – Entwicklung und Herstellung selbstverlöschender Elektronikgehäuse

 

Ausgangssituation und Aufgabenstellung

Die Aufgabe bestand darin, das Design, den Prototyp und die anschließende Serie von Elektronikgehäusen auf Basis der gelieferten Leiterplatte zu entwerfen und herzustellen. Bedingung für dieses Projekt war die Verwendung eines zertifizierten Materials gemäß UL 94-V0, das die Selbstverlöschbarkeit garantiert.

Geometrievorbereitung und Prototyping

Es wurden mehrere Designvarianten vorbereitet, die dem Kunden als Visualisierungen zur Kommentierung vor der eigentlichen Fertigung präsentiert wurden. Nach Auswahl der geeigneten Variante wurden technologische Elemente für die gewählte FDM-3D-Drucktechnologie integriert und ein Prototyp gefertigt.
Das Produkt hat Außenmaße (L x B x H) von 145 x 54 x 28 mm.

Das Design wurde so konzipiert, dass integrierte Schnappverbindungen in die Gegenstücke einrasten und beide Gehäuseteile fest zusammenhalten. Gleichzeitig können sie einfach zerlegt werden. Die Leiterplatte wurde mit 4 Schrauben und Bohrungen befestigt.

Bewertung der Fallstudie

Das Ergebnis ist ein funktionales Bauteil, das für UL 94-V0 zertifiziert ist, leicht und flexibel in der Produktion, angepasst an die aktuelle Nachfrage – und das ohne Formenbau oder Lagerhaltung großer Stückzahlen.

---

Fallstudie 5 – Reverse Engineering und Herstellung eines Wachsmodells

 

Ausgangssituation und Aufgabenstellung

Der Kunde verfügte über ein physisches Bauteil, von dem weitere Repliken benötigt wurden. Es handelte sich um einen Flansch ohne technische Dokumentation oder 3D-Modelle. Ziel war es, ein positives Wachsmodell für den Guss zu erstellen, das anschließend für die Bearbeitung von Öffnungen und kritischen Flächen verwendet werden sollte.

Reverse Engineering

Da es sich um eine komplexe Geometrie handelte, haben wir zur genauen Erfassung mit 3D-Scanning begonnen. Anschließend erfolgte das Reverse Engineering durch parametrisches Modellieren im CAD-System, um die gewünschte Form mit klar definierten Flächen und Maßen zu erhalten. In das Bauteil wurden technologische Elemente und Materialzugaben für ausgewählte Flächen integriert.

Prototyping und Kleinserienfertigung

Nach Abschluss des Modellierens begannen wir mit der detaillierten Fertigung aus auswaschbarem Wachs, das speziell für die Formenherstellung entwickelt wurde, da es sich bei etwa 270 °C leicht auswaschen lässt und nahezu rückstandsfrei verbrennt. Nach erfolgreichem Test des Prototyps fertigten wir einige weitere Stücke für die Herstellung weiterer Formen. …

Bewertung der Fallstudie

Mit den Werkzeugen des Reverse Engineerings haben wir das benötigte 3D-Modell für die Herstellung des Wachsmodells erstellt. Der Vorteil ist, dass dieser gesamte Prozess relativ schnell und wenig aufwendig in Bezug auf Werkzeuge und Maschinen ist. Das gesamte Projekt wurde innerhalb von 4 Arbeitstagen – vom Erhalt des Originalmusters bis zur Lieferung der gewünschten Anzahl an Wachsmodellen – realisiert, wobei wir zudem deutliche Kosteneinsparungen gegenüber einer vollständigen maschinellen Bearbeitung des Bauteils erzielt haben.
Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob wir Ihnen helfen können, kontaktieren Sie uns gerne – wir beraten Sie kostenlos.