Additive Fertigung 12.000 Keramikbauteile additiv in Serie fertigen

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Keramische Tubes mit einer Wandstärke von nur 0,2 Millimetern, additiv gefertigt mit dem LCM-Verfahren und das mit einer Reproduzierbarkeit von 12.000 Stück pro Jahr – eine konstruktive Herausforderung. Die Steinbach AG hat sich dieser angenommen – erfolgreich.

Seit Jahren beschäftigt sich die Steinbach AG aus Detmold mit der industriellen Serienproduktion von keramischen Bauteilen. Im Sommer 2017 wurde Steinbach von einem Hersteller von Medizinprodukten angefragt, ein Keramikbauteil additiv zu fertigen. Dieses soll als Führungselement in einem OP-Roboter eingesetzt werden. Auf den Cera Fab Drucker von Lithoz fand eine erste Prüfung der hergestellten Bauteilmuster statt. Daraufhin entschied sich der Kunde für die Entwicklung und additive Serienfertigung durch Steinbach.

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Hohe Reproduzierbarkeit mit LCM-Verfahren

Die Tubes sollten mit dem Lithography-based Ceramic Manufacturing-Verfahren (LCM) hergestellt werden. Die LCM-Technologie hat Lithoz entwickelt. Im ersten Schritt des Prozesses wird das CAD-Modell für das LCM-Verfahren konstruktiv angepasst und in die Maschinensoftware geladen. Die Informationen für den Auftrag werden direkt vom Computer digital auf den CeraFab System 3D Drucker übertragen.

Die Bauteilerstellung basiert auf dem Prinzip der Photopolymerisation. Hierbei wird die keramisch beladene Flüssigkeit (Schlicker) automatisch dosiert und auf eine transparente Wanne aufgetragen. Die bewegliche Bauplattform wird von oben in den Schlicker getaucht. Die Schlickerschicht wird mit UV-Strahlung selektiv belichtet und somit ausgehärtet. Ist eine Schicht an der Bauplattform vernetzt, trennt sich die Bauplattform von der Wanne und fährt nach oben aus dem Arbeitsbereich heraus. Eine Rakel beschichtet den Wannenboden neu und die nächste Schicht kann belichtet werden, sobald die Bauplattform wieder heruntergefahren ist. Das Bauteil baut sich somit hängend an der Bauplattform Schicht für Schicht auf. „Dieses Verfahren unterscheidet sich von anderen additiven Fertigungsverfahren, weil sich besonders feine Strukturen und im Vergleich zu anderen Verfahren recht enge Toleranzen fertigen lassen. Vor allem erreichen wir mit diesem Verfahren eine hohe Reproduzierbarkeit, was die Voraussetzung für eine Serienfertigung ist“, erklärt Viktoria Lieder, Produktionsleitung bei der Steinbach AG.

Der Kunde hatte in diesem Fall einige sehr herausfordernde Zielsetzungen für seine Tubes: Ein konkreter Zielbereich für die Herstellungskosten, sowie eine straffe Zeitvorgabe von sechs Monaten bis zum Start der Serienproduktion, formten die Rahmenbedingungen des Projekts. Die Tubes mit Knick und Innenkontur sollten eine gänzlich neue Geometrie erhalten. „Die sehr dünne Wandstärke von 0,2 mm und die engen Toleranzen, wenn man bedenkt, dass das Teil einen 50 %igen Volumenschwund im thermischen Prozess mitmacht“, beschreibt Lieder eine Herausfordung. Zudem sollten die Tubes eine perfekte Oberfläche mit Rauigkeitswerten von Ramax=0,4 besitzen. Die notwendige enge Toleranz der Außengeometrie von +20µm, mit einer Reproduzierbarkeit von 12.000 Stück pro Jahr waren weitere Herausforderungen, die mit konventionellen Fertigungstechnologien wirtschaftlich nicht realisierbar sind.

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Um die vom Kunden erwartete Wirtschaftlichkeit des Fertigungsauftrags zu gewährleisten, war es für Steinbach daher klares Ziel, die mit der LCM-Technologie erzielbaren Bauteileigenschaften für First Parts verlässlich auf die Großserie zu übertragen. Das Unternehmen setzte dies in drei Phasen um.

Phase 1 – Passendes Bauteildesign für die LCM Fertigungstechnologie

Mit konsequentem Design for Manufacturing (DFM) der komplexen Geometrie legte Steinbach den Grundstein dafür, selbst unter gewinnorientierter Serienfertigung tausender Bauteile die volle Funktionalität des Tubes zu gewährleisten. Entwickelte Prototypen wurden jeweils unter seriennahen Bedingungen auf ihre Funktionalität getestet, sodass die Bauteilqualität vom ersten Stück an bereits Serienreife aufwies. Die Produktvalidierung erfolgte beim Kunden, die Freigabe der Bauteilgeometrie durch den Kunden schloss als Meilenstein jene erste Projektphase ab.

Phase 2 – Skalierung des Prozesses für die industrielle Massenfertigung

Infolge konzentrierte sich das Technical Ceramics Team rund um Viktoria Lieder auf die Details der Prozessoptimierung, zur Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften in der Serienfertigung ohne Qualitätsverlust. „Bei jeder Iteration wurden Parameteranpassungen am Drucker vorgenommen. Es wurden optimierte Ofenprogramme, zugeschnitten auf die Bauteile, geschrieben“, beschreibt Lieder. Zudem wurden Software-Upgrades durchgeführt, wie etwa pixelgenaues Ausrichten der Bauteile. Die gewonnen Daten dienten als analytische Grundlage der Qualitätssicherung, und sind gleichzeitig statistische Basis für rationale Entscheidungen in zukünftigen Projekten. Mit der Erstmusterfreigabe und einem Prozessaudit durch den Kunden erreichte man den Meilenstein der zweiten Phase.

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Phase 3: Hochfahren der Serienfertigung und Lieferkette bei wirtschaftlicher Optimierung

Bereits im Februar 2018 lieferte Steinbach termingerecht die erste Charge aus der Serienproduktion. „Ein Drucker lief durchgehend nur für diesen Kunden. Die realisierbaren Stückzahlen richten sich sehr stark nach der Größe des Bauteils“, betont Lieder. Ab Juli 2019 kam es analog zum wachsenden Kundenbedarf, um den vollen Produktionsumfang von 12.000 Tubes pro Jahr zu erreichen. Jede Anpassung unterlag dabei wiederum einer Erstmusterfreigabe durch den Kunden. Die Effizienz wurde gesteigert und auch das Material weiterentwickelt: damit schaffte es das Team wiederholt die Herstellkosten zu senken, vor allem durch die Minimierung des Ausschusses in den vorgegebenen Zielbereich. „Durch diese, unsere erste, Serienfertigung haben wir sehr viel gelernt, sodass wir bereits weitere Projekte, in einer sehr viel kürzeren Zeit, serienreif entwickelt haben und für weiter Kunden Serien produzieren“, sagt Lieder abschließend. 

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