Der Weg zur Kosteneinsparung und Individualisierung: Labconcos strategischer Umstieg auf 3D-Druck

Labconcos Produktlinie Glassware Washer umfasst hochmoderne Lösungen der Ingenieurtechnik, unter anderem Bauteile aus additiver Fertigung. Eine Komponente, nämlich eine Halterung für einen Füllsensor, dient als Sicherung für den Überlaufschutz. Der konventionelle Ansatz wäre, diese Komponente mittels Spritzguss zweier separater Bauteile zu produzieren, die dann mithilfe eines Stiftes zusammengebaut werden.

Tim Grove, ein Produktingenieur bei Labconco, erkannte jedoch das Potenzial zur Kosten- und Zeiteinsparung durch die Fertigung mit SLS-3D-Druck. Inspiriert durch das Scharnierdesign in Formlabs' standardmäßigem Probeteil aus Nylon 12 Powder begann Grove, die Halterung für den Füllsensor neu zu konzipieren, wobei er darauf abzielte, die Montage effizienter zu machen und die Kosten für die Bestellung von Werkzeug zu senken.

Im Zuge iterativer Kollaboration mit Griffith entwickelte Grove mehrere Designversionen, um eine reibungslose Funktion und vorbehaltlose Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.

„So wie das Teil aus dem Drucker kommt, ist das Scharnier bereits funktionsfähig und einsatzbereit. Das spart uns also Kosten ein und bringt Flexibilität in die Produktion. Das Nylon 12 Powder stellt für uns im frisch gedruckten Zustand ein gutes Polymer der Mittelklasse dar. Wir haben eine Menge Einsatzbereiche dafür und es funktioniert gut für uns“, berichtet Griffith.

Für das Produkt Kjeldahl von Labconco, das zur Kornanalyse dient, arbeitete das Team mit einem externen Zulieferer zusammen, der ein Werkzeug für eine kritische Komponente des Gebläselaufrads herstellte. Da das Teil in niedrigen Stückzahlen gebraucht wurde, entschied sich der Zulieferer, dessen Produktion einzustellen, als das Produktionswerkzeug das Ende seiner Lebensdauer erreichte.

Labconco sah sich damit konfrontiert, einen neuen Zulieferer suchen zu müssen, auf Design und Produktion eines neuen Spritzgusswerkzeugs zu warten und hohe Kosten für Material und Arbeitszeit zu zahlen. „Wir sahen uns Dutzende verschiedene Lösungen an, aber keine erfüllte unsere Anforderungen auch nur annähernd, besonders in Bezug auf die chemische Kompatibilität. Also nahm ich mir am Ende ein Exemplar, betrieb Reverse Engineering, optimierte das Design und druckte es aus Rigid 10K Resin“, erzählt Griffith. „Nachdem wir durch Tests überprüften, dass es den Anforderungen standhält, stellte das für uns die beste Lösung dar.“

Der neue großformatige SLA-Drucker des Teams, der Form 3L, war gerade rechtzeitig angekommen – 40 Tage am Stück druckte das Team darauf das durch Reverse Engineering konzipierte Laufrad, um seinen Bestand dieser Komponente aufzustocken. 

„Rigid 10K Resin ist unser Material der Wahl für mehrere Komponenten. Seine chemische Kompatibilität in Bezug auf Säuren entspricht dem, was wir benötigen – in diesem Fall vor allem hinsichtlich verdampfter Schwefelsäure. Durch den Umstieg auf additive Fertigung sparen wir Hunderte von Arbeitsstunden, die wir ansonsten vergeblich zur Verifizierung von Zulieferern und Materialien aufgewandt hätten. In der Hinsicht ist der geschäftliche Nutzen sehr hoch“, erklärt Griffith.

Auch wenn ein Bauteil relativ simpel sein mag, kann seine Herstellung mit traditionellen Methoden dennoch kostspielig sein. Eine Metallwerkstatt machte für ein Bauteil, nämlich eine Lagerkäfig-Komponente, die zwei Lager abtrennt und deren Zusammenschieben verhindert, einen Kostenvoranschlag von etwa 500 € pro Stück. Dieses Bauteil wurde für ein neues Produkt benötigt. Da Labconco den Nutzen seines 3D-Drucklabors bereits belegt hatte, begann Griffith sofort mit dem Druck dieser Trennkomponente auf dem Fuse 1+ 30W und reduzierte den Preis auf etwa 45 € – also ein Zehntel dessen, was das Outsourcing an die Metallwerkstatt gekostet hätte.

Doch damit hörte die Optimierung des Prozesses noch nicht auf. Griffith wandte die Kenntnisse an, die er im Studium an der Pennsylvania State University zu additiver Fertigung und Design erworben hatte, und konzipierte den Prozess neu – aus einem einfachen Bauteilaustausch wurde ein komplettes Optimierungsprojekt.

Er experimentierte damit, mithilfe von generativem Design den Materialbedarf des gesamten Teils zu vermindern, wobei die schützenden Sicherheitsfunktionen des Lagerkäfigs erhalten blieben. Innerhalb eines Tages hatte Griffith ein überarbeitetes, optimiertes Design erstellt und Labconco begann, die Teile für etwa 20 € pro Stück intern durch SLS-3D-Druck zu produzieren.

„Der 3D-Druck liefert uns riesige Vorteile im Hinblick auf Geometrie. Wenn man eine leichte Version eines Teils erstellt oder verschiedene Designtechniken anwendet, lassen sich Komponenten auf noch nie dagewesene Weise kombinieren. Wir können die Fertigung in den eigenen Betrieb verlagern und eine Menge Geld sparen“, so Griffith. 

Labconcos unermüdliches Streben nach Exzellenz erstreckt sich auch auf das Testen kritischer Komponenten, die in einem seiner zentralen Produkte zum Einsatz kommen: den biologischen Sicherheitswerkbänken. Diese Werkbänke spielen eine essenzielle Rolle beim Schutz des Personals und der Produkte, die in ihnen bearbeitet werden, und bauen auf bestimmten Luftstrommustern und HEPA-Filtern auf. Um ein höchstes Maß an Leistung zu gewährleisten, werden diese Filter strengsten Tests und Zertifikationsprozessen unterzogen, bevor sie für fertiggestellt erklärt werden.

In der Vergangenheit waren diese Prüfverfahren auf menschliche Arbeitskräfte angewiesen, wodurch es zu Uneinheitlichkeit und Einschränkungen kommen konnte. Labconco entschied sich jedoch für einen transformativen Ansatz und macht sich die Leistung robotischer Systeme zunutze, um das Scannen der Filter mit fehlerfreier Präzision zu automatisieren. Für diesen Umstieg auf Automatisierung war die Entwicklung von individuellem Werkzeug und Endeffektoren für die Roboterarme notwendig, welche die Tests durchführten. Mit traditionellen Fertigungsmethoden wäre das ein extrem kostspieliges Unterfangen gewesen, das Monate in Anspruch genommen hätte. Angesichts der niedrigen Stückzahlen, die benötigt wurden, war der 3D-Druck dieser Teile auf den Geräten der Fuse-Serie ein wichtiger Schritt in diesem transformativen Ansatz. 

Dank der betriebsinternen Produktion der SLS-Teile auf dem Fuse 1+ 30W hat Labconco eine bemerkenswerte tägliche Nutzung der Komponenten erzielt und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit seiner Produktsicherheitstests gesteigert. Diese entscheidende Implementierung additiver Fertigung hat nicht nur den Betrieb effizienter gemacht, sondern Labconco auch die Möglichkeit verliehen, eine vorbehaltlose Sicherheit und Leistungsfähigkeit seiner Produkte zu gewährleisten.

Labconco war das erste Unternehmen, das die Produktion von Dunstabzugshauben kommerzialisierte – heute eine seiner bedeutendsten Produktklassen. Dunstabzüge sind in großangelegten chemischen, pharmazeutischen oder landwirtschaftlichen Anlagen unverzichtbar.

Ein Bauteil dafür – ein Stopper, der verhindert, dass der Abdeckungsflügel über einen bestimmten Punkt hinaus geöffnet werden kann (und somit Energiekosten spart) – wurde zuvor mittels Spritzguss hergestellt. Da große Mengen des Teils bestellt werden mussten, die mit derselben Spritzgussform produziert wurden, konnte Labconco kaum Änderungen vornehmen oder Aufträge für große Kunden anpassen. Produktionswerkzeug verschleißt, und Zulieferer ersetzen dieses nicht immer zuverlässig. Um Lieferkettenproblemen entgegenzuwirken, begann das Team, die Stopper auf dem Fuse 1+ 30W zu drucken. Mittlerweile produziert Griffith pro Woche zwischen 50 und 100 Stück davon aus Nylon 12 Powder.

„Wenn man das Teil spritzgießt, kann man es nicht so leicht überarbeiten. Das kommt zwar erwartungsgemäß selten vor, aber wir hatten in der Vergangenheit bereits Komponenten, bei denen uns die Entscheidung für Spritzguss teuer zu stehen kam, denn als wir sie geliefert bekamen und einsetzten, gingen sie kaputt oder funktionierten nicht wie gewünscht. Jetzt ist den Ingenieuren bewusst, dass die Umstellung einiger Teile auf 3D-Druck Neuentwürfe viel weniger umständlich machen würde, falls das notwendig werden sollte, und dass mehr Optionen für Anpassungen offenstehen. Der Wert davon lässt sich nicht immer in Geldbeträge übertragen, und die additive Fertigung hat entscheidende ‚nicht greifbare' Vorteile, die meiner Meinung nach oft übersehen werden“, erklärt Griffith.

Ein weiterer Vorteil davon, 3D-Drucktechnologien in den eigenen Betrieb zu holen, ist das Vertrauen, dass es jungen Mitarbeitenden am Anfang ihrer Laufbahn verleiht. Wenn nicht der Anspruch besteht, bei der Bestellung eines neuen Werkzeugs absolute Perfektion zu erreichen, probieren Mitarbeitende bereitwilliger neue Dinge aus oder bringen Ideen hervor. „Die jüngeren Ingenieure haben keine 20-jährige Erfahrung, anhand derer sie entscheiden könnten, ob ein Teil funktioniert. Wenn es ihnen offen steht, ihre Ideen mit 3D-Druck auszuprobieren, sodass es keinen so großen oder überhaupt keinen Schaden verursacht, wenn es nicht funktioniert – das bekräftigt sie“, meint Griffith. „Die Möglichkeit zu haben, für jedes Problem die beste, kreativste Lösung zu suchen – das ist genau die Herangehensweise, die wir wollen, und da spielt der 3D-Druck eine zentrale Rolle.“