Was Sie über die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien wissen müssen

In der Welt der Fertigung bezieht sich „komplexe Geometrien“ auf Teile mit dreidimensionalem Design mit Merkmalen wie Hinterschnitten, Hohlräumen oder komplizierten inneren Strukturen. Komplexe Geometrien können rundere, organischere Strukturen widerspiegeln, was ihre Herstellung mit traditionellen Herstellungsmethoden wie Gießen, CNC-Fräsen oder CNC-Drehen, die alle auf geraden Werkzeugen zum Abtragen von Material beruhen, in der Vergangenheit extrem schwierig oder teuer gemacht hat.

Die Problemumgehung bestand darin, Teile mit mehreren Komponenten zu erstellen, die nach der Herstellung aneinander befestigt werden. Diese zusätzlichen Schritte im Fertigungsprozess können die Produktionskosten sowie die Kosten pro Teil bei der Markteinführung schnell in die Höhe treiben.

Additive Fertigungsverfahren erweisen sich jedoch als weitaus effektiveres Mittel, um geometrisch komplexe Teile herzustellen. Dies liegt daran, dass additive Fertigungsmethoden Teile erzeugen, indem Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird, sodass Ingenieure und Designer Teile mit komplizierten Geometrien – sogar solche mit offenen Innenräumen – als Einzelstück herstellen können.

Minderung von Kosten-, Zeit- und Ressourcenverlusten durch Additive

Da bei additiven Verfahren Teile von Grund auf neu erstellt werden, indem Materialien in einem konstitutiven Zustand wie Flüssigkeiten oder Pulver verwendet werden – und nicht aus einem Materialblock – können Teile mit komplexen Geometrien mit erhöhter Effizienz und oft in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden.

Daher verlassen sich viele Märkte heute auf die additive Fertigung, um geometrisch komplexe Teile herzustellen. Die FAA genehmigte 2015 das erste 3D-gedruckte Teil für den kommerziellen Einsatz in Strahltriebwerken, und seitdem nutzt die Luft- und Raumfahrtindustrie die Fähigkeit von Additiven zur effizienten Herstellung von Raketeninjektoren, Treibstoffdüsen und anderen Strukturkomponenten auf eine Weise, die die Festigkeit von erhöht des Teils bei gleichzeitiger Reduzierung des Gesamtgewichts.

Auch bestimmte medizinische Implantate und Geräte lassen sich mithilfe der additiven Fertigung effizienter und kostengünstiger herstellen. Einige Gelenkersatzteile, wie künstliche Knie und Hüften, verwenden komplexe Gitterstrukturen, um die Osseointegration zu fördern – Konstruktionen, die mit herkömmlichen Herstellungsmethoden höchst ineffizient, wenn nicht gar unmöglich herzustellen wären.

Geräte, die Schläuche zum Transport von Luft oder Flüssigkeiten benötigen, können auch durch additive Prozesse hergestellt werden, wodurch der Bedarf an überschüssigen Schläuchen und Ventilen entfällt, indem mehrere Komponenten zu einem einzigen Teil kombiniert werden. Solche Prozesse reduzieren Kosten, Zeit und Ressourcen, die für die Herstellung medizinischer Geräte und Produkte erforderlich sind.

Um realisierbare, qualitativ hochwertige Teile mit komplexen Geometrien herzustellen, müssen Ingenieure mehrere Schlüsselfaktoren bewerten, darunter das Produktionsverfahren, die Produktionskosten und die Designoptimierung.

Herstellungsverfahren und -kosten

Traditionelle Herstellungsverfahren sind subtraktiv, was bedeutet, dass Werkzeuge verwendet werden, um Material von einem Werkstück zu entfernen, um das Teil oder die Komponente zu formen. Daher gibt es bestimmte inhärente Einschränkungen in Bezug auf die Arten von Teilen, die erstellt werden können.

Bei Verwendung traditioneller Methoden steht die zum Schneiden komplizierter Geometrien aus Materialblöcken benötigte Zeit in direktem Zusammenhang mit den Produktionskosten, was besonders für Metallteile gilt, die tendenziell längere Produktionszyklen haben.

Der Vorteil additiver Fertigungsverfahren besteht darin, dass sie die Vorstellung auf den Kopf stellen, dass geometrische Komplexität zwangsläufig höhere Kosten bedeutet. Tatsächlich ist genau das Gegenteil der Fall:Da beim 3D-Druck Teile von Grund auf neu erstellt werden, geht bei der Herstellung einer komplexen Geometrie weniger Material als Abfall verloren, was zu weniger Zeit in der Maschine und niedrigeren Produktionskosten führt.

Prototyping von Teilen mit komplexen Geometrien

Die Prototyping- und Testphasen der Produktion für Teile mit komplexen Geometrien sind tendenziell kostspielig, wenn sie mit traditionellen Herstellungsmethoden ausgeführt werden. Die additive Fertigung garantiert jedoch oft von Anfang an niedrige individuelle Produktkosten und lockert die Beschränkungen für Hersteller während des Designzyklus.

Die Verwendung traditioneller Herstellungsmethoden für Prototyping-Zwecke erfordert einen intensiven Zeit- und Kostenaufwand über den gesamten Designzyklus. Die additive Fertigung ermöglicht es Designern und Ingenieuren, Prototypen schneller und mit größerer Flexibilität in Bezug auf Designmerkmale zu erstellen.

Der Unterschied in der additiven Fertigung

Bei der Herstellung geometrisch komplexer Teile ist die additive Fertigung im Großen und Ganzen zeit-, ressourcen- und kostengünstiger als herkömmliche Methoden. Additive Verfahren beschleunigen das Rapid Prototyping und die End-to-End-Produktionszeiten und senken so die Kosten.

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