Gießerei-Innovation: Produktentwicklung beschleunigen mit 3D-Druck

Wie Gießereien 3D-Drucker für schnelles Produktdesign nutzen

Produktentwicklung ist ein aufregender Entdeckungsprozess. Investitionen in neue Produkte zeigen das Engagement eines Unternehmens für die Bedürfnisse seiner Kunden. Forschung und Entwicklung kann lange dauern, Iterationen von Bau und Anpassung von Modellen und Prototypen. Es braucht Zeit zu lernen, was funktioniert – und was nicht. 3D-Druck ist ein sehr nützliches Werkzeug, um das Design vieler Fertigungsgüter, einschließlich Metallprodukten, zu beschleunigen.

Warum Prototypen bauen?

Prototyping ist eine wesentliche Phase in der Produktfertigung, die die erhebliche Lücke zwischen theoretischem Design und dem endgültigen funktionsfähigen Produkt schließt. Es gibt Produktdesignern die Möglichkeit, mit realen Modellen zu arbeiten und daraus zu lernen. Es ermöglicht ihnen, neue Ideen zu testen und auszuprobieren, mit dem Ziel, diese in Richtung eines Endprodukts zu verbessern und zu verfeinern.

Beim Design eines neuen Produkts können Form und Funktion in verschiedenen Phasen getestet werden. Einige Prototypen werden ausschließlich hergestellt, um Größe und Erscheinung zu prüfen. Andere können entworfen werden, um spezifische Eigenschaften für Funktion und Passform zu testen.

Was Sie über Rapid Prototyping wissen müssen

Es gibt mehrere Standardprototypen. Traditionell sind die einfachsten Prototypen Mockups aus Papier, Holz oder Schaum, die von Handwerkern nach Zeichnungen oder digitalen Designs erstellt werden. Weitere Prototyping-Phasen können mit steigender Komplexität während des Designprozesses folgen. Bevor ein Produktionslauf gestartet wird, führen Fabriken einen Testlauf durch und erstellen einen Produktionsprototyp, um die Produktqualität zu bewerten und den Prozess in der Fabrik zu beurteilen.

Rapid Prototypes verbessern den Nutzen und die Effizienz vieler der ersten Prototyping-Phasen. Da Handwerker traditionell Mockups erstellten und Produktionsprototypen normalerweise individuelles Werkzeug erforderten, war Prototyping allgemein langsam und kostspielig. Die Möglichkeit, Prototypen auf Knopfdruck zu drucken und anzupassen, kann diese iterativen Designphasen erheblich verkürzen. In einigen Fällen kann ein Kunststoffprototyp helfen, den Produktionsprozess zu straffen. Gussmethoden erfordern insbesondere oft die Verwendung eines Modells und/oder einer Form, was teuer sein kann – und nur gerechtfertigt, wenn die Großserienproduktion Rendite auf die Investition bringt – und die Erstellung von Modell-Mockups auf einem 3D-Drucker kann es einem Designer ermöglichen, Probleme zu erkennen, bevor man zu größeren Holz- oder Metallmodellen übergeht.

Natürlich sind diese Prototypen keine Produktionsprototypen. Das Ersetzen von Metall durch Kunststoff in dieser Phase bedeutet, dass einige Metalleigenschaften nicht geprüft werden können. Einen Poller in Originalgröße aus Kunststoff auf einem 3D-Drucker zu drucken, ist auch auf Einzelstückebene weit teurer als ihn zu gießen. Allerdings geben maßstabsgetreue Drucke Designern etwas, das sie untersuchen und manipulieren können, und alle daraus resultierenden Änderungen erfordern nichts weiter als eine Anpassung der digitalen CAD-Datei und einen schnellen Neudruck.

Viele Prototypen werden auch in kleineren Maßstäben und/oder mit weniger Details als das Endprodukt hergestellt. Obwohl sie nur einen Teil oder Aspekt des endgültigen Designs darstellen, können sie dennoch wertvoll sein, um früh in der Designphase Entscheidungen zu treffen – statt später, wenn Verfeinerung kostspieliger wird.

Rapid Prototyping mit 3D-Druckern

Rapid Prototyping durch 3D-Druck nutzt additive Fertigungstechnologien. Digitale Designs oder CAD-Modelle werden typischerweise vom Computer-Algorithmus in viele winzige horizontale Schichten „geschnitten“, die dann nacheinander gedruckt werden.

3D-Druck gibt es in verschiedenen Formen seit den 70ern und 80ern, aber erst kürzlich hat er sich so entwickelt, dass er im kommerziellen Maßstab nützlich ist. Obwohl es Einschränkungen gibt, entwickelt sich die Technologie rasant. Die fortschrittlichsten 3D-Drucker können mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und Farben drucken. Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Drucker können sogar Metallprodukte drucken.

Größenbeschränkungen und Oberflächenqualität von 3D-gedruckten Prototypen haben sich über die Jahre stark verbessert, was sie besonders nützlich für Designer macht, während sie durch die initialen Entwicklungsphasen iterieren.

Metallteile mit 3D-Druck erstellen

Werden DMLS-Drucker die Metallguss- oder Bearbeitungsindustrien herausfordern? Die 3D-Industrie ist dynamisch, mit fast täglichen neuen Entwicklungen. Großprojekte wie die 3D-gedruckte Brücke von MX3D in Amsterdam zeigen, dass es großes Potenzial sogar in der strukturellen Fertigung gibt. Doch diese Druckform steht nicht in Konkurrenz zur traditionellen Metallfertigung. Selbst mit diesen Entwicklungen wird 3D-Druck in den nächsten Jahrzehnten eher die traditionelle Metallfertigung im großen Maßstab verbessern als ersetzen – selbst Amsterdams Brücke wird mit traditionellem Rohstahl gestützt, der das Deck trägt.

3D-Metalldruck ist natürlich nicht generell das Gießen und Schichten von flüssigen Metallen. Heutige Technologien drucken Metall, indem sie ein Metallpulver in einer nicht-metallischen Matrix einbauen, die erhitzt und in Form gepipet wird. In einigen Prozessen (aber nicht bei der oben genannten Brücke) wird das Metall dann so erhitzt, dass die Matrix verdampft.

Dieses gedruckte Metall kann mehr Festigkeit bieten als Kunststoff, aber nicht die breite Palette möglicher Legierungen, die in einer traditionellen Gießerei verfügbar sind. Die unglaublich hohe Hitze und kontrollierten Abkühlbedingungen, die für viele spezifische Stahl- und Eisengüten benötigt werden, bedeuten, dass das Erreichen einer Güte vs. einer anderen ein kniffliges Gleichgewicht aus Temperatur und Druck ist. Weiterhin kann Metallspannung entstehen, wenn ein Teil eines Gussstücks schneller abkühlt als ein anderer – und muss an der Nahtstelle kontrolliert werden. 3D-Druck baut ein Objekt durch schichtweises Ablagern auf: Auch wenn dies mit traditionellem nahezu flüssigem Stahl möglich wäre, der für einige ferrolegierte Legierungen erforderlich ist, würden die durch unterschiedliche Abkühlung verursachten Spannungen die Eigenschaften des Metalls grundlegend verändern im Vergleich zu einem vollgegossenen Stück.

Trotzdem ist das von Metalldruckern gedruckte Material Stahl näher als Kunststoff. Aufregend für die Gießerei ist, dass diese Metalldrucktechnologie eines Tages funktionales Testen eines Rapid Prototyps ermöglichen könnte. Vielleicht könnte ein Metallteil günstig gedruckt und unter relativer Belastung getestet und dann durch den Produktionsprozess verfeinert werden.

Rapid Prototyping für die Gießerei, heute

Gussausrüstung und -techniken wurden durch Jahrhunderte des Lernens und der Entwicklung verbessert. Sandguss gibt Herstellern viel Kontrolle über das Verhalten von Metall im flüssigen und abkühlenden Zustand, was die mechanischen Eigenschaften des Metalls verändert. Metall, das unterschiedlich durch den Gussprozess behandelt wird, kann in verschiedenen Formen kristallisieren, von denen jede für zusätzliche Eigenschaften bearbeitet werden kann. Dies erklärt die Bandbreite mechanischer Eigenschaften, die einem Kunden durch Metallguss zur Verfügung stehen.

Doch die Herstellung der Modelle für diese Gussstücke bedeutete mühsames Hand-Schnitzen von Holzmodellen, um sie in den Sand zu formen. Diese Modelle müssen ohne Stellen erstellt werden, an denen Metall „sammeln“ und daher langsamer abkühlen könnte, was interne Spannungen am Teil erzeugt. Sie müssen glatt genug sein, um aus dem Sand herausgezogen zu werden, in den sie eindrücken. Die Erstellung eines gedruckten Objekts kann es dem Designer und der Gießerei ermöglichen, Änderungen am Objekt zu betrachten, die bei der Erstellung des effizientesten, am besten geformten Modells für das Projekt helfen.

Wachsausschmelzverfahren (Investment Casting) ist ein vielseitiger Prozess, ideal für Hochvolumenproduktion – besonders für komplexe Designs und wo Oberflächenqualität wichtig ist. Beim Wachsausschmelzverfahren wird meist eine Form (Die) hergestellt, um Wachsmodelle zu produzieren, die dann beschichtet werden, um Keramikformen zu bilden. Wachsmodelle lassen sich leicht wegschmelzen und hinterlassen Formhöhlen bereit für flüssiges Metall.

Formen können jedoch teuer in der Herstellung sein, was die Stückkosten in der frühen Designphase erheblich erhöhen kann. Was viele Hersteller tun, ist, Wachsmodelle für Prototypen 3D-zudrucken – wodurch der Bedarf an individuellen Formen entfällt. Designer können ihr Teil prüfen und auf eine endgültige Version hinarbeiten, bevor sie sich zu teurerem Werkzeug für die Langzeitproduktion verpflichten. Das Drucken von Modellen ist auch ökonomischer für Kleinserien und Einzelproduktionen. Beim Wachsausschmelzverfahren können 3D-Drucker daher das endgültige Modell für den Einsatz erstellen.

Eine Rapid Prototyping Revolution

3D-Druck ist eine Revolution im Metallguss, auch wenn er die traditionelle Metallfertigung nicht ersetzt. Traditionelle Sektoren sind nur durch ihre Vorstellungskraft begrenzt, wenn sie darüber nachdenken, wie die Zukunft dieser schnell wachsenden Technologie traditionelle Produktionspraktiken verbessern kann. Die Einsparungen im Prototyping ermöglichen mehr Anpassungen und Änderungen, zusätzliche Iterationen vor dem Eintritt in die Vollproduktion. Was auch als Nächstes in der Zukunft des 3D-Drucks kommt, es wird sicherlich ein hilfreiches Werkzeug für all jene Designer sein, die die besten Produkte für ihre Klienten schaffen wollen.