Additive Fertigung 3D-Druck-optimiertes Redesign eines Sauggreifers

Durch Neukonstruktion eines Greifers für die Additive Fertigung konnten die Funktion optimiert, das Gewicht reduziert und die Herstellkosten halbiert werden.

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MISSION ADDITIVE

Materialise GmbH

Produktionswerkzeuge zählen zu den Anwendungsbereichen, in denen die Additive Fertigung (AF) ihre Stärken oft voll ausspielen kann. Ein anschauliches Beispiel dafür liefert die Neugestaltung eines Sauggreifers, der in einer Serienproduktionsanlage leichte, zylindrische Objekte anhebt. Durch das Redesign, bei dem Materialise eng mit dem Greiferanwender zusammenarbeitete, wurden mehrere erhebliche Verbesserungen erzielt. Unter anderem wurden die Herstellungskosten pro Greifer halbiert. Ursprünglich war der Sauggreifer so konstruiert, dass er vollständig mit herkömmlichen Verfahren zu fertigen war. Für die notwendigen innenliegenden Kanäle wurden mehrere gerade Bohrungen aus unterschiedlichen Richtungen so gesetzt, dass sie miteinander verbunden waren. Öffnungen wurden durch Blindstopfen verschlossen. Um die Bauteilkosten nicht weiter zu steigern, wurde auf weitere Fräsarbeiten zur Reduzierung des Greifervolumens verzichtet.

Designfreiheit als Ziel

Der Anwender des Greifers hatte bereits Erfahrung mit der additiven Fertigung von Kunststoffteilen und kannte ihre Vorteile in Bezug auf Kosten und Effizienz insbesondere bei Produktionswerkzeugen. Trotzdem musste auch er sich – wie bei allen Redesign-Ideen – zunächst die Frage stellen, ob sich der 3D-Druck auch bei diesem Produktionswerkzeug wirklich lohnen würde. Ein Abgleich seiner Anforderungen an den Greifer mit den Möglichkeiten des 3D-Drucks führte jedoch zu einem eindeutigen Ergebnis: Geringere Herstellungskosten, geringeres Gewicht, Ausführung schnellerer Bewegungen, kürzere Greifzyklen, eine bessere Unterdruckverteilung sowie weniger Leckagen sind allesamt Ziele, die sich mit AF und der damit verbundenen Designfreiheit erzielen lassen.

Eigenentwicklung nicht optimal

Bei der Wahl des Materials entschied sich der Greiferanwender für Aluminium. Zum einen ist das Metall deutlich verschleißfester als Kunststoff und trotzdem leicht. Zum anderen ermöglicht es glatte, einfach zu reinigende Oberflächen. Dies war ihm wichtig, um den Greifer auch während der laufenden Produktion leicht sauber halten zu können. Weiterhin eignet sich Aluminium in wirtschaftlicher Hinsicht sehr gut für kleine bis mittelgroße Bauteile mit hohem Wert und geringer Stückzahl. Nachdem der Greiferanwender selbst ein Design für die AF entwickelt hatte, nahm er mit Materialise Kontakt auf, um das Bauteil dort produzieren zu lassen. Schnell erkannte das Expertenteam des 3D-Druck-Dienstleisters und Software-Herstellers, dass die Gestaltung noch weiter zu verbessern war. Zwar bot die vorhandene Konstruktion bereits eine signifikante Gewichtsreduzierung, jedoch lagen die Produktionskosten gegenüber der ursprünglichen Fertigungsweise höher und auch die internen Kanäle des Sauggreifers waren aerodynamisch nicht optimiert.

Keine Supportstrukturen im Inneren

In Absprache mit dem Greiferanwender machten sich die Experten von Materialise an die weitere Optimierung des 3D-Druck-Designs. Für das Redesign nutzten sie das Siemens NX-Realize-Shape-Modul, mit dem eine Freiformmodellierung möglich ist. Mithilfe der Magics-Software von Materialise optimierten die Experten zudem die Geometrie in Abhängigkeit zum Druckprozess. Dazu nutzen sie eine Vorschaufunktion, die alle notwendigen Supportbereiche für ein Bauteil in der jeweils gewählten Bauteilorientierung anzeigen kann. So konnten sie sicherstellen, dass im Innern des Bauteils keine Supportstrukturen nötig waren, um die zusammenwachsenden Wände zu drucken.

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Das Design-Team richtete die Teile im Bauraum so aus, dass einerseits die Anzahl der benötigten Supportstrukturen weiter minimiert und andererseits die Qualität der Kontaktflächen im Saugbereich optimiert wurde. Ganz wesentlich war zudem, dass die neue Formgebung eine homogene Verteilung des Unterdrucks an den Saugpunkten sicherstellte. Die Aufnahme des zylindrischen Körpers erfolgt dadurch zuverlässiger. Weiterhin verringerte das Expertenteam von Materialise die Spannungslinien, indem Übergänge zwischen dünnen und dicken Materialstärken langsamer, fließender erfolgten. Das war wichtig, da Spannungslinien nicht nur das äußere Erscheinungsbild negativ beeinflussen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften.

Gewicht auf ein Minimum reduziert

Auf diesem Weg wurden das Gesamtvolumen und das Gewicht des Bauteils auf ein notwendiges Minimum reduziert. Dies hat direkten Einfluss auf die Materialkosten, da beim 3D-Metalldruck – anders als bei spangebenden Verfahren – nicht verwendetes Material weitgehend zurückgewonnen und direkt wiederverwendet werden kann. Nennenswerte Kosten fallen somit nur für das Material an, das für Bauteil und Stützstrukturen tatsächlich benötigt wird. Die geringe Anzahl der Supports und ihre minimale Kontaktfläche mit dem Bauteil in unkritischen Bereichen wirken sich zudem positiv auf die Nachbearbeitung aus. Dadurch lassen sich die Stützstrukturen ohne großen Zeit- und Arbeitsaufwand entfernen. Als finaler Schritt mussten dann nur noch die Gewinde für die Montage geschnitten werden. Gegenüber dem ersten 3D-Druck-Modell wurde sogar noch ein weiterer Zeit- und Kostenvorteil erzielt: die Erhöhung der Anzahl der Bauteile pro Baujob von 28 auf 46. Die neue Bauteilgeometrie erlaubt eine deutlich effizientere Anordnung auf der Bauplattform, was sich zusätzlich positiv auf den Preis pro Teil auswirkt.

Kosten halbiert

Ein Vergleich von Volumenwerten und Herstellungskosten zwischen Ursprungsgreifer, dem ersten 3D-Druck-Modell und der finalen Konstruktion zeigt, welche beachtlichen Fortschritte gemacht wurden: Während das erste 3D-Druck-Modell bereits 79 % weniger Volumen besaß als der gefräste und gebohrte Ursprungsgreifer, besitzt der von Materialise optimierte Greifer sogar nur noch 6 % des Volumens des Originalbauteils. Die Kosten pro Sauggreifer wurden von 300 Euro für das traditionelle Werkzeug auf 150 Euro für das Materialise-Modell gesenkt. Die erste 3D-Druck-Konstruktion des Greiferanwenders wäre dagegen sogar 6 % teurer in der Herstellung gewesen.

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