Enabler der Konstruktion Prototypen schnell und unkompliziert fertigen

Durch den Einfluss der Digitalisierung wird die Produktion immer flexibler und kann am Schluss dennoch Produkte aus hochwertigen Materialien mit hoher Qualität liefern. Protolabs nutzt dafür die Additive Fertigung, die CNC-Bearbeitung und den Spritzguss.

Dass moderne Fertigungstechnologien sich zu einem wahren Lebensretter entwickeln würden, hätten zu Beginn des Jahres vermutlich nur die wenigsten Experten für möglich gehalten. Dennoch zeigt ein kurzer Rückblick auf die aktuelle COVID-19-Pandemie, wie stark zum Beispiel die additive Fertigung dazu beigetragen hat, in der Krise Menschenleben zu retten. Man konnte beobachten, dass die traditionelle industrielle Produktion Schwierigkeiten hatte, dringend benötigte Güter wie Atemschutzmasken oder Einzelteile für Beatmungsgeräte bereitzustellen.

Die Zeit, die die Industrie benötigte, um Maschinen und Produktionsanlagen umzustellen und sich auf die neuen Anforderungen einzustellen, konnte durch Fertigungstechniken wie den 3D-Druck oder die zügige Herstellung mittels Spritzguss gut überbrückt werden, wie zahlreiche Beispiele von Protolabs zeigen.

Zusammenarbeit hilft in der Krise

Besonders erwähnenswert und beispielhaft für das Engagement der gesamten Branche sind Projekte wie die Kooperationen von Protolabs mit Michelin zur Spritzgussfertigung von 10.000 Gesichtsschutzvisieren für den Einsatz in französischen Krankenhäusern, die Zusammenarbeit von Protolabs mit den italienischen Ingenieuren von Isinnovia zur Bereitstellung von dringend benötigten 3D-gedruckten Ventilen für Notfallbeatmungsmasken sowie das gemeinsame Projekt von Protolabs und AusDiagnostics zur Herstellung von Kunststoffkassetten für Tests auf Covid-19. Dabei geben diese Projekte nur einen ersten groben Eindruck in die vielfältigen und flexiblen Möglichkeiten, die moderne Fertigungstechnologien bieten.

Durch große Innovationen, wie sie innerhalb der additiven Fertigung erfolgten und durch die zunehmende Digitalisierung von Prozessen in der Fertigungsindustrie hat sich in den letzten Jahrzehnten eine gesamte Branche grundlegend verändert. Am besten kann diese Entwicklung anhand der über 20-jährigen Firmengeschichte von Protolabs nachvollzogen werden.

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Vom Garagenprojekt zum Globalplayer

Das Unternehmen, das im Mai 1999 von Larry Lukis in Long Lake, Minnesota in der USA gegründet wurde, kann auf eine lange Erfolgsgeschichte zurückblicken.

Während zu Beginn lediglich die Herstellung von Prototypen und Kleinserien mittels Spritzgussfertigung angeboten wurde, kamen bei dem Unternehmen, das zu Beginn noch Protomold hieß, recht schnell auch andere Fertigungsmethoden hinzu. Heute bietet das Unternehmen unter anderem verschiedene Methoden der additiven Fertigung, CNC-Fräsen und -Drehen und auch eine breite Palette an Optionen zur Herstellung mittels Spritzguss.

Automatisierte Machbarkeitsanalyse

Dabei war es bereits frühzeitig ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal gegenüber der Konkurrenz, dass Bauteile schnell und unkompliziert an Endkunden und Verbraucher geliefert werden konnten. Durch die automatisierte Machbarkeitsanalyse, die eine schnelle Optimierung und Überprüfung von Entwürfen ermöglicht, wurde zudem schon zu Beginn der Unternehmensgeschichte auf die Unterstützung durch Digitalisierungstechnologien gesetzt.

Eine Folge des breiten Angebotes und der stetig wachsenden Auswahl an verfügbaren Materialien war auch, dass Protolabs mittlerweile weltweit Niederlassungen betreibt, beispielsweise in Frankreich, Italien, Japan und auch in Deutschland. Entscheidend hierfür war neben den Leistungen von Protolabs auch der Boom moderner Fertigungstechnologien und der Vorteile, die sie bieten.

Eines der wichtigsten modernen Fertigungsverfahren ist wohl unbestritten die Herstellung von Bauteilen mittels des Spritzgussverfahrens. Dabei ist die Technologie selbst eigentlich bereits ein Oldtimer innerhalb der Welt der Produktion. Während die Grundprinzipien seit mehr als einhundert Jahren ähnlich geblieben sind, bot die Digitalisierung der Fertigungsmethode einen respektablen Modernisierungsschub. Durch moderne technologische Mittel können Kunden schneller und einfacher die gewünschten Produkte erhalten. Dabei spielt die Stückzahl der produzierten Spritzgussteile heutzutage nur noch eine untergeordnete Rolle.

Ein Allrounder für Kunststoffe

Insbesondere beim Spritzguss ist die automatisierte Machbarkeitsanalyse von Protolabs ein immenser Vorteil. Dadurch, dass das Design der Teile bereits vor der Produktion der Spritzguss-Werkzeuge auf mögliche verfahrenstechnische Schwächen überprüft wird, können Ingenieure und Entwickler Anpassungen am geplanten Bauteil durchführen, die dazu beitragen die benötigten Iterationsvorgänge so gering wie möglich zu halten.

Designs, die nicht oder nur bedingt für den Spritzguss geeignet sind, bei denen sich Verzüge durch eine mangelhafte Konstruktion ergeben oder bei denen mehr Ausschuss anfällt als unbedingt nötig, können so bereits vor der Produktion erkannt und verbessert werden.Für den Verbraucher bedeutet diese Dienstleistung, dass beispielsweise die Produktion einer Kleinserie am Schluss kostengünstiger ausfällt und dass Produktdesigns, auch durch die Erfahrung von Spezialisten bei den jeweiligen Fertigungsunternehmen, durchdachter und genauer auf die gewählte Spritzgussmethode ausgerichtet sind.

3D-Druck ist Bestandteil der Produktion

Wesentlich jünger als der Spritzguss ist die additive Fertigung. Das Verfahren, das ursprünglich lange Zeit ein Nischendasein führte, ist heutzutage ausdifferenzierter Bestandteil der Produktion und lässt sich fast bei allen wichtigen Projekten rund um die Herstellung von Prototypen und Kleinserien einsetzen.

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Dabei sind die unterschiedlichen Verfahren der additiven Fertigung mittlerweile vor allem durch die breite verfügbare Materialauswahl zu einem der Trendthemen unter Ingenieuren und Designern geworden. Mittels 3D-Druck lassen sich so zum Beispiel Kunststoffe unterschiedlichster Art, Elastomere, worunter auch verschiedene Silikone fallen, oder auch Metalle verarbeiten.

Die breite Materialauswahl macht die additive Fertigung zu einem Verfahren, dass heute mittlerweile in fast allen Branchen Anwendung findet. Insbesondere in Situationen, in denen ein Prototyp möglichst schnell benötigt wird, ist der 3D-Druck zu einer wahren Wunderwaffe für die Industrie geworden. Ob hitzebeständige Metallteile aus Inconel 718 benötigt werden, elektrische leitfähiges Kupfer die Grundlage für den Prototypen darstellt oder besonders kleine und detaillierte Prototypen aus dem mit ABS vergleichbarem Polymer MicroFine Green hergestellt werden sollen – die additive Fertigung kennt kaum Grenzen hinsichtlich der Materialauswahl.

Neben der breiten Palette verfügbarer Rohstoffe ist vor allem die hohe Geschwindigkeit, die durch die additive Fertigung für das Rapid Prototyping erreichbar ist, ein Grund warum der 3D-Druck ein so hohes Ansehen innerhalb der fertigenden Industrie genießt.

Bevor mit dem Druck begonnen werden kann, muss lediglich beachtet werden, dass die jeweilige Form für die additive Fertigung optimiert ist. Überhänge sollten beispielsweise für eine Minimierung der benötigten Stützkonstruktionen mit möglichst stumpfen Winkeln konstruiert werden, um Kosten zu sparen.

Beachtet man aber gängige Designhinweise, die auch durch eine automatisierte Machbarkeitsanalyse oder Spezialisten bei Unternehmen wie Protolabs erarbeitet werden können, bietet die additive Fertigung weitreichende Freiheiten, die sonst bei kaum einem Fertigungsverfahren möglich sind. So lassen sich im Werkstück befindliche Tunnel ebenso umsetzen, wie phantasiereiche Geometrien und Designs, die mit anderen Methoden schlicht nicht möglich wären.

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Enabler der Konstruktion

3D-Druck-Teile auf Machbarkeit prüfen

Die geforderte Qualität gewährleisten

Mit der eigentlichen Produktion eines Bauteils, ganz egal durch welche Fertigungsmethode oder aus welchem Material dieses auch entstanden ist, endet die moderne Produktion aber nicht. Um zu gewährleisten, dass die Endprodukte auch den optischen und mechanischen Vorstellungen der Endkunden entsprechen, erfolgt nach der Produktion der Bauteile je nach Materialauswahl zunächst eine Nachbearbeitung der entstandenen Prototypen.

Bei der additiven Fertigung werden beispielsweise die Stützstrukturen entfernt, beim Spritzguss werden Teile meist auch noch von kleineren Materialüberschüssen, die durch das Verfahren selbst an den Rändern der Werkzeugformen entstehen können, befreit. Metallteile, die zu einem späteren Zeitpunkt auch rauen Umgebungen ausgesetzt werden sollen, können zudem durch Verfahren wie die anodische Oxidation oder durch das Eloxal-Verfahren widerstandsfähiger gemacht werden.

Einsatz von Mess- und Prüfdiensten

Um am Schluss genau den Vorstellungen der Designer und Entwickler zu entsprechen, werden Prototypen und Kleinserien bei Herstellern wie Protolabs neben der Nachbearbeitung und Veredelung auch durch verschiedene Mess- und Prüfdienste auf die gewünschte Qualität getestet. Handelt es sich beim Bauteil beispielsweise um einen bereits funktio­nalen Prototyp, der später in Serie gefertigt werden soll, müssen die Abweichungen zum eigentlichen Design so gering wie möglich gehalten werden, um auch die geplante Funktionalität zu erhalten.

Messtechnische Labore sind daher bei allen Herstellern zu einer Sekundärleistung geworden, die aus dem gewohnten Portfolio nicht mehr wegzudenken sind. Mittels 3D-Laserscanning-Technologie und Koordinatenmessgeräten lassen sich Bauteile präzise vermessen und mit den zugrundeliegenden CAD-Dateien vergleichen. Moderne Messverfahren bei Protolabs können so zum Beispiel eine volumetrische Genauigkeit von bis zu 2,1 + 0,4 l/100 µm erreichen, mittels 3D-Laserscannern kann man zudem Abweichungen ab 0,01 mm erkennen.

* Tobias Fischer, Senior Marketing Manager Central European Region, Proto Labs, Germany

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