Von der additiven Fertigung zum Spritzgießen: Schnelles Hochskalieren der Gesichtsschutz-Produktion

Als die COVID-19-Pandemie die Vereinigten Staaten traf, stellte unser Team bei Fast Radius einen bedeutenden Teil unserer additiven Fertigungskapazitäten schnell auf die Produktion von Gesichtsschutzschilden um. Bis heute haben wir tausende additiv gefertigte Gesichtsschutzschilde hergestellt und an vorderste Frontarbeiter versendet, um sie vor dem Coronavirus zu schützen. Der Schild ist wiederverwendbar, extrem langlebig, einfach zu montieren und bequem – doch die Nachfrage überstieg unsere additive Produktionskapazität bei Weitem.

Schnelle Design-Iteration mit Simulationswerkzeugen

Wir mussten erhebliche Modifikationen am additiven Design des Schild-„Halos“ (oder Stirnbandes) vornehmen, um es für das Spritzgießen geeignet zu machen, während wir gleichzeitig seine Leistung beibehielten. Wir wussten, dass die Steifigkeit optimiert werden musste, um dünne Stahlbedingungen zu reduzieren, die während des Formbetriebs zu Werkzeugschäden führen könnten. Da die Steifigkeit des aktuellen Halos gut funktionierte, simulierten wir die fluktuierende Verschiebung des additiven Halos und nutzten diese Verschiebung als Ziel für die Steifigkeit des spritzgegossenen Designs.

Um die Elemente zu verstehen, die zur Steifigkeit beitragen, nutzten wir die Finite-Elemente-Analyse (FEA), um die Designvariablen zu identifizieren, die bessere Ergebnisse lieferten. Wir setzten auf das Simulationspaket innerhalb von Autodesk 360 – ein Werkzeug, das wir für verschiedene Zwecke nutzen, einschließlich Design, Analyse und Simulation. Wir testeten sowohl das Kronen- als auch das Rippmuster auf der Vorderseite des Außenrings. Während die Rippen etwas Steifigkeit hinzufügten, stellten wir fest, dass die Erhöhung der Kronenhöhe ein effektiverer Weg war, die Verschiebung zu minimieren.

Die Erhöhung der Kronenhöhe konnte jedoch schlechte Werkzeugbedingungen (dünner Werkzeugstahl) zwischen Außen- und Mittelring erzeugen. Der Schlitz, in den der Schild selbst eingesetzt wird, ist sehr dünn – nur ein bis zwei Millimeter; je höher die Abschnitte in der Krone, desto mehr dünner Stahl wäre für das Werkzeug nötig, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der Werkzeugstahl während des Formvorgangs beschädigt wird.

Wir mussten die optimale Kronenhöhe finden, die dünnen Stahl reduzierte und gleichzeitig die Steifigkeit im Außenring des Halos bewahrte. Um dies zu bestimmen, führten wir 16 Simulationen durch und passten das Design jedes Mal leicht an, um die Leistung zu verbessern. In diesem Stadium des Designprozesses hatten wir unser Ziel bereits erreicht und viele Designs mit ähnlicher oder besserer Verschiebung als der additive Halo.

Schnelles Prototyping mit HP Multi Jet Fusion (MJF)

Aus den simulierten Konzepten wählten wir drei aus, die wir mit HP MJF druckten, da dies die Technologie war, mit der wir unseren ursprünglichen additiven Halo produzierten. Normalerweise dauert es drei Tage, bis ein MJF-Teil ausreichend abgekühlt ist, um nutzbar zu sein. Unser Team aus Fertigungsingenieuren packte den Build jedoch so, dass wir die Teile bereits am nächsten Tag in den Händen hielten.

Das Operationsteam in der Fast Radius Chicago-Fabrik trug die drei Konzept-Halos und verglich sie mit der ursprünglichen additiv gefertigten Version hinsichtlich Komfort und Montagefreundlichkeit. Konzept 10 (siehe oben, drittes Design) nahm den Schild am einfachsten auf, aber das Team schlug mehrere Modifikationen vor, um Komfort und Montage zu verbessern. Das resultierende Design (siehe unten) wurde verwendet, um das Spritzgießwerkzeug herzustellen, das die nächste Version unseres Gesichtsschutz-Halos fertigen wird.

Letztlich wird der Wechsel von der additiven Fertigung zum Spritzgießen den Halo für diejenigen, die ihn benötigen, viel zugänglicher machen. Wir konnten den Preis um 55 % senken.

Als wir begannen, additive Halos herzustellen, deckten wir eine Nachfrage ab, die wir nicht vorhersagen konnten. Als klar wurde, dass wir unser Produkt zugänglicher machen konnten, modifizierten wir unser additives Design für das Spritzgießen und brachten ein Werkzeug in nur drei Tagen in die Produktion.

Unser Team arbeitete rund um die Uhr, um dieses wichtige Produkt auf den Markt zu bringen. Wir erreichten diesen bemerkenswerten Zeitplan vor allem dank Simulationssoftware, digitaler Fertigung und unserem agilen Arbeitsmodell. Diese Pandemie hat uns gezwungen, flexibler mit Produktentwicklungszyklen umzugehen – ein Trend, der unserer Meinung noch lange nach der Pandemie anhalten wird.

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