Leitfaden für die schnelle Herstellung

Für jedes aufstrebende oder expandierende Unternehmen ist es von entscheidender Bedeutung, nach Lösungen zu suchen, um Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Rapid Manufacturing kann die Produktionsflexibilität beschleunigen und erhöhen und dazu beitragen, Zeit und Kosten zu senken, die mit der traditionellen Fertigung für kundenspezifische Produkte und Kleinserienteile verbunden sind.

In diesem Leitfaden erfahren Sie mehr über die verschiedenen heute verfügbaren Rapid Manufacturing-Methoden und -Lösungen und wie Sie sie verwenden können, um die richtige für Ihr Unternehmen auszuwählen.

Was ist Rapid Manufacturing?

Rapid Manufacturing steht für die verschiedenen Herstellungsverfahren, die eine schnelle und flexible Produktion von Endverbrauchsteilen für kundenspezifische Produkte, Kleinserienfertigung oder Brückenfertigung ermöglichen.

Die meisten traditionellen Herstellungsverfahren wie Spritzgießen und Gießen erfordern Werkzeuge, deren Herstellung kostspielig und zeitaufwändig ist. Im Gegensatz dazu ermöglichen Rapid Manufacturing-Prozesse die Herstellung komplexer Teile zu einem geringeren Kosten- und Zeitaufwand.

Beim Rapid Manufacturing gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse – beispielsweise Additive Manufacturing, CNC-Bearbeitung und Rapid Tooling. Die meisten dieser Methoden kombinieren auch digitales Design und Softwareautomatisierung, um den Herstellungsprozess zu beschleunigen.

Rapid Manufacturing vs. Rapid Prototyping

Rapid Prototyping ist die Gruppe von Techniken, die zur schnellen Herstellung eines maßstabsgetreuen Modells eines physischen Teils oder einer Baugruppe unter Verwendung von dreidimensionalen CAD-Daten (Computer Aided Design) während der Produktentwicklung verwendet werden. Mit Rapid Prototyping können Designer und Ingenieure schneller als je zuvor Prototypen direkt aus CAD-Daten erstellen und schnelle und häufige Überarbeitungen ihrer Designs basierend auf realen Tests und Feedback durchführen.

Da diese Teile oder Baugruppen im Gegensatz zu herkömmlichen subtraktiven Verfahren in der Regel mit additiven Fertigungstechniken hergestellt werden, ist der Begriff zum Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck geworden.

Da sich Rapid Prototyping-Tools im Laufe der Jahre weiterentwickelt haben, können Unternehmen jetzt dieselben Techniken verwenden, um Teile für den Endverbraucher herzustellen. Dank widerstandsfähiger Materialien und sinkender Kosten können Unternehmen zunehmend auf diese Werkzeuge zurückgreifen, um traditionelle Fertigungswerkzeuge zu ersetzen oder ihre Arbeitsabläufe zu ergänzen, um eine schnellere Bearbeitung der Endprodukte zu ermöglichen.

Rapid Manufacturing vs. Additive Manufacturing

Additive Manufacturing (AM) oder 3D-Druck-Technologien erstellen dreidimensionale Teile aus CAD-Modellen (Computer Aided Design), indem sukzessive Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird, bis ein physisches Teil entsteht.

AM-Technologien erfordern keine Werkzeuge und können komplexe Designs für das Prototyping oder die Fertigung erstellen, die ansonsten zu teuer oder zeitaufwändig wären, was sie ideal für eine Vielzahl von Konstruktions- und Fertigungsanwendungen macht.

Additive Fertigungstechniken sind einige der Prozesse, auf die sich die Rapid Manufacturing zur Herstellung neuer Teile stützt. Durch die Herstellung von Rapid Tooling kann die additive Fertigung auch die Vorlaufzeit und die Kosten reduzieren, die mit herkömmlichen Herstellungsprozessen verbunden sind.

Schnelle Herstellungsmethoden

Rapid Manufacturing beruht auf einer Vielzahl von Werkzeugen und Prozessen, um Produkte herzustellen. Dazu gehören additive Fertigung, subtraktive Werkzeuge wie die CNC-Bearbeitung und Rapid Tooling für traditionelle Fertigungsmethoden.

Additive Fertigung

Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM 3D-Druck, auch bekannt als Fused Filament Fabrication (FFF), ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem Teile durch Schmelzen und Extrudieren thermoplastischer Filamente hergestellt werden, die eine Druckerdüse Schicht für Schicht im Baubereich ablegt.

FDM ist die am weitesten verbreitete Form des 3D-Drucks auf Verbraucherebene, angetrieben durch das Aufkommen von Hobby-3D-Druckern. Industrielle FDM-Drucker sind jedoch auch bei Designprofis und Herstellern beliebt.

FDM hat im Vergleich zu anderen Kunststoff-3D-Druckverfahren die niedrigste Auflösung und Genauigkeit und ist nicht die beste Option zum Drucken komplexer Designs oder Teile mit komplizierten Funktionen. Durch chemische und mechanische Polierverfahren können höherwertige Oberflächen erzielt werden. Industrielle FDM-3D-Drucker verwenden lösliche Träger, um einige dieser Probleme zu mildern.

FDM arbeitet mit einer Reihe von Standard-Thermoplasten wie ABS, PLA und deren verschiedenen Blends. Industrielle FDM-Drucker bieten auch eine breitere Palette an technischen Thermoplasten oder sogar Verbundwerkstoffen. Für die Fertigung sind FDM-Drucker besonders nützlich für die Herstellung einfacher Teile, wie z. B. Teile, die normalerweise maschinell bearbeitet werden.

Stereolithographie (SLA)

SLA-3D-Drucker verwenden einen Laser, um flüssiges Harz in einem Prozess namens Photopolymerisation zu gehärtetem Kunststoff auszuhärten. SLA ist aufgrund seiner hohen Auflösung, Präzision und Materialvielfalt eines der beliebtesten Verfahren bei Profis.

SLA-Teile haben die höchste Auflösung und Genauigkeit, die klarsten Details und die glatteste Oberflächenbeschaffenheit aller 3D-Drucktechnologien für Kunststoff, aber der Hauptvorteil von SLA liegt in seiner Vielseitigkeit. Materialhersteller haben innovative SLA-Photopolymer-Harzformulierungen mit einem breiten Spektrum an optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften entwickelt, die denen von Standard-, technischen und industriellen Thermoplasten entsprechen.

SLA ist eine großartige Option für hochdetaillierte Teile, die enge Toleranzen und glatte Oberflächen erfordern, wie z. B. Formen, Muster und andere funktionale Teile für den Endverbrauch. SLA wird für die schnelle Fertigung in einer Reihe von Branchen verwendet, von der Zahnmedizin über Schmuck, Gesundheitswesen, Modellbau und zunehmend auch Konsumgüter.

Der SLA-3D-Druck kann für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich der schnellen Herstellung von kundenspezifischen Ohrhörern, medizinischen Tupfern und Schuhsohlen.

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Selektives Lasersintern (SLS)

Selektives Lasersintern ist die gebräuchlichste additive Fertigungstechnologie für industrielle Anwendungen, der Ingenieure und Hersteller in verschiedenen Branchen wegen ihrer Fähigkeit zur Herstellung starker, funktionaler Teile vertrauen.

SLS-3D-Drucker verwenden einen Hochleistungslaser, um kleine Partikel aus Polymerpulver zu verschmelzen. Das ungeschmolzene Pulver unterstützt das Teil während des Druckens und macht spezielle Stützstrukturen überflüssig. Dies macht SLS ideal für komplexe Geometrien, einschließlich Innenmerkmalen, Hinterschneidungen, dünnen Wänden und negativen Merkmalen. Mit SLS-Druck hergestellte Teile haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, mit einer Festigkeit, die der von Spritzgussteilen ähnelt.

SLS-3D-Druck kann starke, funktionale Teile für Anwendungen wie Kleinserienfertigung, maßgefertigte Konsumgüter und Ersatzteile herstellen.

In der Fertigung wird der SLS-3D-Druck für die Kleinserienfertigung, die Herstellung neuartiger Massenindividualisierungsprodukte, die Ersatzteilproduktion sowie langlebige, langlebige Vorrichtungen (z. B. Clips und Klemmen) und Werkzeuge verwendet. SLS kann auch verwendet werden, um gebrauchsfertige, patientenspezifische Medizinprodukte im eigenen Haus herzustellen, wie Prothetik, Orthesen (d. h. Gliedmaßenersatz + Zahnspangen), chirurgische Modelle und Werkzeuge.

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CNC-Tools

CNC-Werkzeuge (Computer Numerical Control) sind – im Gegensatz zu FDM, SLA oder SLS – subtraktive Fertigungsprozesse. Sie beginnen mit massiven Blöcken, Stangen oder Stangen aus Kunststoff, Metall oder anderen Materialien, die durch Entfernen von Material durch Schneiden, Bohren, Bohren und Schleifen geformt werden.

Zu den CNC-Werkzeugen gehört die CNC-Bearbeitung, bei der Material entweder mit einem rotierenden Werkzeug und einem festen Teil (Fräsen) oder einem rotierenden Teil mit einem festen Werkzeug (Drehmaschine) entfernt wird. Laserschneider verwenden einen Laser, um eine Vielzahl von Materialien mit hoher Präzision zu gravieren oder zu schneiden. Wasserstrahlschneider verwenden Wasser gemischt mit Schleifmittel und hohem Druck, um praktisch jedes Material zu durchtrennen. CNC-Fräsmaschinen und Drehmaschinen können mehrere Achsen haben, wodurch sie komplexere Konstruktionen verwalten können. Laser- und Wasserstrahlschneider sind eher für flache Teile geeignet.

CNC-Werkzeuge können Teile aus Kunststoffen, Weichmetallen, Hartmetallen (Industriemaschinen), Holz, Acryl, Stein, Glas, Verbundwerkstoffen formen. Für die schnelle Fertigung sind sie ideal für die Herstellung von kundenspezifischen oder kleinvolumigen Endverbrauchsteilen, Strukturteilen und Werkzeugen für eine Vielzahl von Branchen.

Im Vergleich zu additiven Fertigungswerkzeugen sind CNC-Werkzeuge komplizierter einzurichten und zu bedienen, während einige Materialien und Konstruktionen möglicherweise spezielle Werkzeuge, Handhabung, Positionierung und Verarbeitung erfordern. Dies macht sie für Einzelstücke im Vergleich zu additiven Verfahren teuer und für kleine Produktionsserien besser geeignet.

Rapid Tooling

Hybrid Manufacturing kombiniert Rapid Manufacturing Tools mit traditionellen Fertigungsverfahren wie Spritzgießen, Thermoformen oder Gießen. Es verbessert den Produktionsprozess, indem es seine Flexibilität, Agilität, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz verbessert. Dadurch können Hersteller schnell auf sich ändernde Geschäftsanforderungen reagieren.

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• Werkzeuge

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Auswahl des richtigen Rapid Manufacturing-Prozesses

Da sich Fertigungsprozesse ständig weiterentwickeln, verschieben sich die Wendepunkte, an denen es sinnvoll ist, von einer Technik zur anderen zu wechseln, aufgrund von Verbesserungen bei Ausrüstung, Materialien und Skaleneffekten.

Schnelle Fertigungswerkzeuge öffnen sich für eine breitere Palette von Anwendungen mit geringer bis mittlerer Stückzahl, da sich Hardware und Materialien verbessern und die Kosten pro Teil weiter sinken.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Rapid Manufacturing-Verfahrens die folgenden Faktoren:

• Formular: Haben Ihre Teile komplexe interne Merkmale oder enge Toleranzanforderungen? Abhängig von der Geometrie eines Designs können die Fertigungsoptionen eingeschränkt sein oder eine erhebliche Design-for-Manufacturing-Optimierung (DFM) erforderlich sein, um eine wirtschaftliche Produktion zu ermöglichen.

• Volumen/Kosten: Wie hoch ist das Gesamt- oder Jahresvolumen der Teile, die Sie herstellen möchten? Einige Herstellungsverfahren haben hohe Vorlaufkosten für Werkzeug und Einrichtung, produzieren jedoch Teile, die pro Teil kostengünstig sind. Im Gegensatz dazu haben Fertigungsprozesse mit geringen Stückzahlen niedrige Anlaufkosten, aber aufgrund langsamerer Zykluszeiten, weniger Automatisierung und manueller Arbeit bleiben die Kosten pro Teil konstant oder sinken bei steigendem Volumen nur geringfügig.

• Vorlaufzeit: Wie schnell benötigen Sie produzierte Teile oder Fertigwaren? Einige Prozesse erstellen die ersten Teile innerhalb von 24 Stunden, während der Werkzeug- und Einrichtungsaufbau für bestimmte Produktionsprozesse mit hohen Stückzahlen Monate dauert. In einigen Fällen kann Rapid Tooling diese Vorlaufzeit erheblich verkürzen.

• Material: Welchen Belastungen muss Ihr Produkt standhalten? Das optimale Material für eine bestimmte Anwendung wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt. Die Kosten müssen gegen funktionelle und ästhetische Anforderungen abgewogen werden. Berücksichtigen Sie die idealen Eigenschaften für Ihre spezifische Anwendung und vergleichen Sie sie mit den verfügbaren Auswahlmöglichkeiten in einem bestimmten Herstellungsprozess.

Outsourcing vs. Eigenfertigung

Unternehmen, die die Leistungsfähigkeit von Rapid Manufacturing-Tools nutzen möchten, haben die Möglichkeit, die Arbeit an ein Servicebüro auszulagern oder selbst zu produzieren.

Unternehmen wie 3D Hubs, Protolabs, Fictiv oder lokale Servicebüros bieten bedarfsgerechte Fertigungs- und Rapid-Prototyping-Services an. Diese Büros verfügen in der Regel über mehrere Technologien, einschließlich additiver und subtraktiver Verfahren.

Die Hauptnachteile der Auslagerung an Servicebüros sind Kosten und Vorlaufzeit. Einer der größten Vorteile von Rapid Manufacturing ist die Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsmethoden, die schnell nachlässt, wenn ein ausgelagertes Teil eine Woche oder sogar mehrere Wochen benötigt, um anzukommen.

Auch die Auslagerung der Teilefertigung ist oft sehr teuer. Aber abhängig von der Anzahl der Teile und dem Druckvolumen kann ein Unternehmen innerhalb weniger Monate den Break Even erreichen, indem es einfach in einen 3D-Drucker investiert und im eigenen Haus druckt.

Erste Schritte mit Rapid Manufacturing

Herkömmliche Verfahren haben nach wie vor einen Platz in der Fertigung, da sie eher für die Massenproduktion geeignet sind. Aber zunehmend wenden sich Unternehmen der Rapid Manufacturing zu, um Kleinserien zu produzieren. Technologische Fortschritte und vorteilhafte damit verbundene Prozesse – wie schnelle Produktionswerkzeuge und hybride Fertigung – haben Einfluss auf diesen Wandel.

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