Was haben Formel-1-Rennwagen und Marine One gemeinsam? Viele ihrer leistungsstarken Antriebs- und Motorenkomponenten fanden ihren Anfang in Kapfenberg, einem beschaulichen Städtchen in den österreichischen Alpen.
Pankl Racing Systems ist spezialisiert auf die Entwicklung und Herstellung von Motor- und Antriebskomponenten für Rennwagen, leistungsstarke Fahrzeuge und Luftfahrtanwendungen. Sie haben mehr als 1500 Mitarbeiter und weltweite Niederlassungen in Österreich, Deutschland, dem Vereinigten Königreich, den Vereinigten Staaten, der Slowakei und Japan.
Jedes einzelne Teil, das Pankl herstellt, benötigt eine Reihe von maßgefertigten Haltevorrichtungen, Befestigungen und weiterer Werkzeugbestückung, die speziell für dieses Teil entworfen und hergestellt wurden. Das Ergebnis ist eine Vielzahl individueller Werkzeuge, die den Fertigungsprozess erheblich teurer und komplexer machen.
Um knappen Fertigungsterminen gerecht zu werden, führten Verfahrenstechniker Christian Joebstl und sein Team Stereolithografie 3D-Druck ein, um maßgefertigte Haltevorrichtungen und andere Teile mit wenig Volumen direkt für ihre Fertigungslinie in der neuen 36 Millionen € teuren Produktionsstätte des Unternehmens herzustellen.
Obwohl 3D-Druck ursprünglich skeptisch betrachtet wurde, stellte er sich als idealen Ersatz zur Zerspanung einer Vielzahl dieser Werkzeuge heraus und überraschte sogar Pankls anspruchsvolle Ingenieure. In einem Fall reduzierte er die Vorlaufzeit für Haltevorrichtungen um 90 Prozent – von zwei bis drei Woche auf weniger als einen Tag – und verringerte die Kosten um 80-90 Prozent, was zu einer Ersparnis von 150.000 € führte. Lesen Sie weiter, um herauszufinden, wie Joebstl und sein Team ihren neuen auf 3D-Druck basierten Prozess implementierten.
Pankl ist seit mehr als 30 Jahren im Geschäft. Ist der 3D-Druck ein langjähriger Bestandteil Ihrer Vorgehensweise?
Erstaunlicherweise nicht. Bis vor weniger als einem Jahr hatten wir überhaupt keine 3D-Drucker. Einer meiner Kollegen bekam eine Anfrage eines Kunden für eine maßgefertigte Haube, um einige Bereiche einer Kugelstrahlmaschine vor einem Aufprall zu schützen. Normalerweise kauften wir solche Teile von einem externen Lieferanten. Solches Werkzeug kostet etwa 1.200 €. Ich dachte: „Es muss einen anderen Weg geben.“
Durch meine Ausbildung war ich mit 3D-Druck vertraut. Ich begann zu suchen und fand den Form 2 3D-Drucker, nachdem ich online einige Reviews gelesen hatte. Jetzt verstehen meine Kollegen den Nutzen von 3D-Druck, aber am Anfang waren sie sehr skeptisch. Sie dachten, 3D-Druck wäre eher ein Spielzeug.
In unserem Geschäft erwarten wir, dass gute Ausrüstung auch unvermeidlich teuer ist. Die meisten unserer Geräte starten bei 100.000 € und es geht noch deutlich weiter. Als meine Kollegen sahen, dass der Form 2 nur etwa 3.900 € kostet, fragten sie mich: „Warum sollten wir ein Spielzeug kaufen?“
Wir bestellten mehrere maßgefertigte Muster, um Tests durchzuführen. Es zeigte sich, dass die 3D-gedruckten Teile durchaus geeignet waren. Löcher und Längentoleranzen lagen im Bereich von ±0,1 mm. Ich recherchierte die Materialkosten für meine Amortisationsrechnung und bemerkte, dass ein 3D-gedruckter Satz der Werkzeugbestückung zum Kugelstrahlen nur 45 € kostet. Ich fasste dies in einer Präsentation für den Vorstand zusammen und nahm die Teile mit zum Kickoff-Meeting für das neue Getriebewerk. Sie ließen sich schließlich überzeugen und wir entschieden uns dazu, unseren ersten Form 2 zu kaufen, der wenig später auf drei Geräte ausgeweitet wurde.
In welchen Fällen half der 3D-Druck, Produktionszeiten zu verkürzen und Kosten zu sparen?
Pankl erhielt im Jahre 2016 den Zuschlag für die Herstellung von Getriebebaugruppen für bekannte Motorradhersteller und wir begannen zügig mit der Einrichtung der neuen Produktionsstätte. Die Herstellung dieser Getriebe ist ein aufwändiger Prozess. Bauteile aus geschmiedetem Stahl durchlaufen mehrere Phasen der Zerspanung mithilfe von automatisierten Drehbänken, gefolgt von Spannungsarmglühen.
Jede Phase der Bearbeitung durch die automatisierten Drehbänke erfordert maßgefertigte Haltevorrichtungen für jeden einzelnen Getriebetyp. Diese Teile zu zerspanen ist teuer und erhöht die Komplexität und das Risiko des Fertigungsprozesses erheblich.
Der Zeitplan war sehr eng, da wir viel mehr Getriebetypen als erwartet produzieren mussten. Zum Zeitpunkt als wir uns mit dem Design und der Werkzeugbestellung befassen konnten, sollten wir schon längst damit begonnen haben, die ersten Annahmelose zu produzieren. Wir konnten die maßgefertigten Haltevorrichtungen nicht einfach entwerfen und sie am nächsten Tag erhalten. Hätten wir an traditionelle Zerspanungsdienstleister auslagern müssen, hätten wir weitere sechs Wochen warten müssen, bevor wir mit der Produktion beginnen konnten. Also entschieden wir uns dafür, die Teile vor Ort auf unseren Form 2 3D-Druckern herzustellen.
Durch 3D-Druck sind wir in der Lage einfach das gleiche Design heranzuziehen und es an den Drucker zu senden, sodass es bereits am nächsten Morgen fertig ist. Dadurch bleibt Zeit, das Teil auf der Fertigungslinie zu überprüfen und nötige Änderungen vorzunehmen. Es vereinfacht zudem den Designprozess, da es uns den gestalterischen Freiraum zur Herstellung von Haltevorrichtungen in allen Formen verleiht. Beim konventionellen CNC-Fräsen oder Drehen ist man dadurch eingeschränkt, dass man zerspanbare Teile entwickeln muss, wobei jede zusätzliche Krümmung, Bohrung oder Fase den Prozess komplexer macht.
Mit einem einzigen Form 2 können wir eine einzelne Haltevorrichtung innerhalb von 5-9,5 Stunden drucken. Mit allen drei unserer Maschinen schaffen wir es, etwa 40 Haltevorrichtungen pro Woche herzustellen.
Eine einzige gefräste Haltevorrichtung kostet etwa 40 bis 50 €, wobei komplexere Teile bis zu 300 € kosten können. Durch den 3D-Druck lassen sich diese Kosten auf 8,5-25 € reduzieren, wodurch erheblich geringere Festkosten in puncto Design, Erwerb und Lagerung entstehen, die sich in einer gesamten Kostenreduzierung von mehr als 90 % niederschlagen. Bedenkt man, dass wir über die ganze Produktion hinweg mehr als 1000 Haltevorrichtungen produzieren müssen, hilft der 3D-Druck dabei mehr als 150.000 € einzusparen.
Wie schlugen diese Teile sich in der Fertigungslinie?
Wir sahen uns in der Vergangenheit großen Problemen ausgesetzt, da das Kühlmittel der Drehbänke sehr aggressiv gegenüber Kunststoffteilen ist und diese nach einer Weile brüchig macht. 3D-gedruckte Teile aus Tough Resin wiesen jedoch Beständigkeit gegenüber unserem Kühlmittel auf. Darüber hinaus sind sie stark genug, der Wechselbelastung standzuhalten, die diese Bauteile aushalten müssen. Die Toleranzen hinsichtlich von Öffnungen und Längen liegen in der Regel innerhalb eines Intervalls von ±0,1 mm, das den Anforderungen für unsere Haltevorrichtungen gerecht wird.
Wir produzierten bereits mehr als 300 3D-gedruckte Haltevorrichtungen, um kleine Chargen von 200 Teilen jedes Getriebes für den Testlauf der Produktion herzustellen. Bald werden wir die Produktion auf 1000-2000 Teile pro Charge ausweiten und die Produktionskapazität der Einrichtung wird auf mehr als 1,5 Millionen Getriebe pro Jahr steigen.
Was sind einige der anderen Anwendungen, für die Sie 3D-Druck nutzten?
Prototypenentwicklung, Kugelstrahlen, Maskieren und für die Herstellung von verschiedenen Vorrichtungen und Werkzeugbestückungen. Wenn wir zum Beispiel ein neues Design für eine Pleuelstange haben, 3D-drucken wir Prototypen, um komplexe Eigenschaften an dem Teil zu besprechen. Es ist viel einfacher, wenn man sich das Teil anschauen und es in den Händen halten kann.
Einmal mussten wir eine maßgefertigte Pleuelstange für einen Kunden entwickeln, der überprüfen wollte, ob sie in das Gehäuse des Zylinders passt und beim Drehen nicht an die Kammer oder den Zylinderkopf selbst stößt. Wir 3D-druckten einen Prototyp und schickten ihn an sie. Als sie bestätigten, dass das Design funktionierte, konnten wir mit der Produktion beginnen. Die Alternative wäre gewesen, ein abgespantes Teil herzustellen, was für den Kunden teurer gewesen wäre und acht Wochen Wartezeit erfordert hätte.
Passung: Optimierung des Designs für funktionale 3D-gedruckte Baugruppen
Das Entwerfen für die richtige Toleranz und Passung verkürzt die Nachbearbeitungszeit und vereinfacht die Montage. Zudem werden die Materialkosten für die Iteration verringert.
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Wir 3D-druckten auch spezielle Adapter für Greifer an einem automatisierten Handhabungssystem. Um den perfekten Halt zwischen dem Greifer und dem Teil zu erhalten, muss man ein Negativ des Teils erstellen und die Finger des Greifers gemäß der Form des Teils formen. Normalerweise hätten wir ihn gefräst oder gegossen, was deutlich teurer gewesen wäre.
Vor Kurzem nutzten wir Flexible Resin in einer Kugelstrahlmaschine, um die Reibung zwischen den selbstreinigenden Haltevorrichtungen und einigen anderen Teilen zu erhöhen. Die Reibung zwischen den Metallteilen war zu gering, um die Drehbewegung zu übertragen. Ich fügte ein paar 3D-gedruckte elastische Bremsen zu der Werkzeugbestückung hinzu, um die Reibung zu erhöhen, damit die Drehbewegung von unten nach oben übertragen wurde. Diese Teile von einem externen Lieferanten zu bekommen, hätte Wochen gedauert.
Haben Sie weitere Pläne, um 3D-Druck bei Prankl zu nutzen?
Eines meiner Ziele ist es, mehr Aufträge von anderen Abteilungen innerhalb von Prankl zu erhalten. Wir hatten mit 3D-gedruckten Teilen in unserer eigenen Fertigungslinie Erfolg und ich sehe unzählige andere Anwendungen, die von 3D-Druck profitieren könnten. Ich will anderen Ingenieuren die Teile zeigen, die wir machen, und die Anwendungen, in denen wir sie nutzen, um sie darüber in Kenntnis zu setzen, dass ihnen diese Technologie vor Ort zur Verfügung steht.
Ich startete dieses Projekt, als ein anderer Kollege Interesse an unseren neuen Prozessen zeigte. Ich verschickte Informationen über die Materialien für den 3D-Druck, wie ihre mechanischen Eigenschaften, wie sie aussehen und die bestimmten Anwendungsfälle, für die sie sich eignen. Ich druckte auch Muster für andere Abteilungen, beschrieb die Designspezifikationen und wie sie etwas bestellen können.
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Wir druckten bereits Teile für die Luftfahrt- und Antriebsabteilungen. Sie schicken uns die Entwürfe, wir produzieren die Teile für sie und sie erhalten die fertigen Teile, die bereit für den Einsatz in ihren Maschinen sind. Prankl ist aber ein großes Unternehmen, weswegen es ein langsamer Prozess ist. Wir müssen die gleichen Hürden überkommen, wie ursprünglich in unserer eigenen Abteilung, und ich glaube, dass viele andere Unternehmen die gleichen Bedenken beim 3D-Druck haben. Sieht man sich allerdings unsere Resultate an, bin ich mir sicher, dass sie den Nutzen dieser Technologie erkennen werden.