Vorrichtungen und Werkzeuge für die additive Fertigung optimieren

Trotz des rasanten Wachstums der additiven Fertigung haben viele Unternehmen diese noch nicht vollständig für die Vorrichtungskonstruktion übernommen. Traditionelle Vorrichtungen werden nach wie vor durch die Einschränkungen von 3-Achs-CNC-Maschinen und manueller Bearbeitung geprägt – den gängigsten Werkzeugen in den meisten Fertigungsbetrieben.

Um wettbewerbsfähig zu bleiben, bauen Hersteller oft sperrige und teure Vorrichtungen. Das Ziel: Maschinenzeit minimieren und den Fokus auf die Fertigung von Kundenprodukten legen. Folglich wird der Vorrichtungsbau als nicht wertschöpfende Tätigkeit gesehen, obwohl er für die Endausgabe kritisch ist.

Die häufigsten Herausforderungen betreffen Maschinenzeit – oft gemessen in Wochen – und einen Mangel an qualifizierten Bedienern. Selbst wenn eine Maschine verfügbar ist, erfordert das Einrichten von Code oder das manuelle Bearbeiten einer Vorrichtung einen hochqualifizierten Zerspaner, was die Personalkosten in die Höhe treibt.

Obwohl wir auf komplexe Teile mit organischen Geometrien spezialisiert sind, bleibt die Standard-„Blöcke-auf-einer-Platte“-Vorrichtung weit verbreitet. Dieser Status quo führt zu langen Lieferzeiten, großem Lagerbedarf und einem hohen Kosten-pro-Teil-Verhältnis, wenn man Arbeitszeit und Maschinenzeit einrechnet.

Die additive „Schnelllösung“

Als Reaktion darauf haben viele Hersteller die additive Fertigung als schnelle Lösung für interne Zeit- und Ressourcenengpässe entdeckt. Durch den direkten Druck von Vorrichtungen beseitigen sie Warteschlangen, verkürzen Lieferzeiten und ermöglichen eine kontinuierliche, unbeaufsichtigte Produktion rund um die Uhr.

Dieser Ansatz senkt auch die Vorrichtungskosten und befreit die Werkstatt von manueller Arbeit, während er ergonomische Vorteile gegenüber massiven Metallalternativen bietet. Unsere Umfragen unter FDM-Anwendern zeigen zahlreiche solche Designs.

Ein Kunde fertigt jährlich 12 Aluminiumvorrichtungen. Mit traditionellen Methoden kostet jede Vorrichtung über 3.000 $ und die Beschaffung dauert 4–6 Wochen. Outsourcing ist in solchen ausgelasteten Werkstätten üblich.

Im Gegensatz dazu kostet eine massive ABS-3D-gedruckte Vorrichtung 190 $ und ist in etwa 19 Stunden fertig – also knapp unter einem Tag.

Die Anwendung von Design-for-Additive-Prinzipien kann die Kosten weiter auf 76 $ und die Druckzeit auf 11 Stunden senken – eine Kostensenkung von 60 % und Zeitersparnis von 42 % gegenüber dem traditionellen Design.

Häufige Fehler beim Design für die additive Fertigung

Bevor wir Best Practices skizzieren, ist es wichtig, den Begriff „Design für additive Fertigung“ zu klären. Es ist ein umfassendes Konzept, das auf den spezifischen Drucker und das Material zugeschnitten werden muss. Jede 3D-Drucktechnologie – FDM, SLA, PolyJet, Binder Jetting, DMLS usw. – hat einzigartige Einschränkungen und Best Practices.

Einige Designer glauben fälschlicherweise, die additive Fertigung löse alle Probleme. Obwohl vielseitig, ist sie kein Allheilmittel. Beispielsweise können günstige Standardteile – Schrauben, Muttern – oft noch wirtschaftlicher eingekauft als gedruckt werden.

Häufige Fehler

Zwei häufige Fallstricke sind das Ausschalen und Aushöhlen von FDM-Teilen. Anstatt den Infill zu minimieren, erstellen Designer oft große innere Hohlräume, um Material zu sparen.

Das Aushöhlen reduziert das Material nur geringfügig, kann aber die Druckzeit drastisch erhöhen und Stützmaterial einschließen, das nicht entfernt werden kann.

6 Design-for-Additive-Regeln für FDM

Im Folgenden finden Sie sechs klare Regeln, die Druckzeit, Materialverbrauch und Kosten für FDM-Teile drastisch senken können.

1. Selbsttragende Winkel

Die 45-Grad-Regel besagt, dass Überhänge unter 45° von der Vertikalen keine Stützen benötigen. Diese einfache Anpassung spart Stützmaterial und beschleunigt den Druck. Beachten Sie, dass der Grenzwert je nach Material variieren kann, typischerweise zwischen 40° und 60°.

2. Materialentfernung bei massiven Merkmalen

Das Ausschalen kann Gewicht reduzieren, muss aber strategisch erfolgen. Konzentrieren Sie sich auf Passflächen – designen Sie Kontaktpunkte zuerst, optimieren Sie dann die umgebende Geometrie, um Festigkeit beizubehalten und unnötiges Volumen zu entfernen.

3. Selektive Festigkeit nach Flächen

Werkzeuge wie GrabCAD Print erlauben die Zuweisung von Infill-Dichten und Wandstärken zu spezifischen Flächen oder Körpern. So lassen sich nur die kritischen Bereiche verstärken, während der Rest des Teils leicht bleibt.

4. Selektive Festigkeit nach Körpern

Ebenso können Sie für separate CAD-Körper unterschiedliche Infill-Level festlegen. Das Hinzufügen dünner Rippen oder interner Strukturen bietet mechanische Unterstützung ohne Volumenzuwachs.

5. Metalleinsätze

Wenn ein gedrucktes Teil Verschleiß ausgesetzt ist, betten Sie Metallmuttern, Unterlegscheiben oder heat-set Gewindeeinsätze ein. Konstruieren Sie eine Kavität, pausieren Sie den Druck zum Einlegen des Teils und setzen Sie fort. Achten Sie auf einen kleinen Materialüberstand um das Loch für sicheren Halt.

Für heat-set Einsätze lassen Sie eine dünne Wand um das Loch und nutzen einen Lötkolben, um den Einsatz nach dem Druck zu fixieren.

6. Konsolidierte Baugruppen

Der Druck einer einzelnen integrierten Vorrichtung eliminiert die Montage mehrerer Teile, reduziert Arbeitsaufwand und potenzielle Fehlausrichtungen. Hybride Werkzeuge, die 3D-gedruckte Komponenten mit Metallbefestigungen oder Hydraulik kombinieren, steigern die Leistung weiter bei gleichzeitigem Gewichtsverlust.

Fallstudien: Genesis Systems ersetzte ein schweres End-of-Arm-Tool durch eine leichte 3D-gedruckte Version, was den Einsatz eines kleineren, günstigeren Roboters ermöglichte. Ford entwickelte eine sperrige Aluminium-Vorrichtung für Fenstermontage zu einer 7,5 lbs (3,4 kg) leichten 3D-gedruckten Alternative, die Luftleitungen und Befestigungen integriert und die strukturelle Integrität wahrt.

Design-for-Additive Zusammenfassung

Zusammenfassend:

• Traditionelle Fertigung bestimmt das Vorrichtungsdesign, aber additive Fertigung kann Lieferzeiten, Kosten drastisch senken und Ergonomie verbessern.
• Missverständnisse über additives Design führen zu Ineffizienzen; das Verständnis des spezifischen Druckers und Materials ist entscheidend.
• Vermeiden Sie Fallstricke beim Ausschalen und Aushöhlen, die Stützmaterial und Druckzeit erhöhen.
• Wenden Sie die sechs obigen Regeln an, um Materialverbrauch, Druckzeit zu reduzieren und die Teileleistung zu verbessern.

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