Die Metallverarbeitung ist der Prozess der Formgebung und Umformung von Metallen zur Herstellung von Metallprodukten. Bauteile aus Metall werden wegen ihrer Haltbarkeit, Festigkeit, Zuverlässigkeit, Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit sehr geschätzt, was die Metallverarbeitung zu einem entscheidenden Element in der globalen Fertigung macht. Sie spielt eine zentrale Rolle in der Herstellung von Teilen für die Endverwendung, etwa in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, dem Baugewerbe, der Energiewirtschaft und der Konsumgüterindustrie. Diese sind in hohem Maße auf Metallbauteile für Anwendungen wie Fahrzeugrahmen, Flugzeugkomponenten, Schwermaschinen und Medizinprodukte angewiesen. Mit dem Wachstum dieser Sektoren hat der Druck zugenommen, qualitativ hochwertige Metallteile schnell und kostengünstig herzustellen. Die Forderung nach Präzision, Effizienz und Skalierbarkeit hat die Entwicklung von Werkzeugen und Verfahren vorangetrieben und sie zu einem wesentlichen Teil der Metallverarbeitung gemacht.

Zu den gängigsten Metallverarbeitungstechniken gehören die Zerspanung, das Schweißen, das Umformen und das Gießen. Da sie häufig mit hoher Kraft-, Hitze- oder chemischer Einwirkung verbunden sind, erfordert jeder dieser Prozesse spezielle Vorrichtungen, um die Metallteile an Ort und Stelle zu halten, die Werkzeuge zu führen und Präzision, Sicherheit und Reproduzierbarkeit in der Fertigung zu gewährleisten. So helfen beispielsweise Haltevorrichtungen bei der Führung von Schneidwerkzeugen, um einheitliche, präzise Schnitte zu gewährleisten, während andere Vorrichtungen die Werkstücke während der Zerspanung oder des Schweißens sicher fixieren, um Fehler durch Bewegungen zu vermeiden. Traditionelle Werkzeugbauverfahren wie CNC-Bearbeitung, Guss oder manueller Zusammenbau sind zeitaufwendig und teuer. Die Zeit für die Sonderanfertigung eines Werkzeugs kann je nach Komplexität des Teils mehrere Tage bis Wochen betragen, und die Kosten liegen in der Regel im Hunderter- oder Tausenderbereich pro Werkzeug.

Da Werkzeug häufig an die jeweilige Teilgeometrie angepasst werden muss, führt die Herstellung dieser individuellen Werkzeuge mit konventionellen Methoden zu langen Durchlaufzeiten und hohen Kosten. Außerdem kann jede Änderung des Designs oder des Prozesses die Fertigung eines völlig neuen Werkzeugs erfordern, was die Kosten weiter erhöht und die Fertigung verzögert. Branchen, die häufiges Prototyping, Kleinserienfertigung oder schnelle Designiterationen erfordern, stellt diese Ineffizienz vor eine Herausforderung; die Kosten für die Herstellung von Werkzeug behindern den iterativen Prozess und schränken die Flexibilität ein. Die Herausforderungen, die mit herkömmlichen Produktionswerkzeugen verbunden sind, werden durch den Bedarf an präziser Ausrichtung, Wiederholbarkeit und Steifigkeit in Metallbearbeitungsprozessen verschärft, denn diese Anforderungen machen die Fertigung kostengünstiger, hochwertiger Halterungen und Vorrichtungen schwierig.

3D-Drucktechnologien, insbesondere die Stereolithografie (SLA) und das selektive Lasersintern (SLS), bieten eine überzeugende Alternative für die Fertigung von Halterungen und Vorrichtungen in der Metallverarbeitung. Im Vergleich zur konventionellen Fertigung ist der 3D-Druck wesentlich schneller und kostengünstiger, insbesondere bei Sonderanfertigungen oder komplexen Designs. Eine maßgefertigte Haltevorrichtung, deren Zerspanung zwei bis drei Wochen dauern und vierstellige Beträge kosten könnte, kann mit einem SLA- oder SLS-Drucker in wenigen Stunden zu einem Bruchteil der Kosten gedruckt werden.

Formlabs-Drucker bieten die erforderliche Präzision für die genaue und wiederholbare Herstellung von Halterungen und Vorrichtungen, und die beim SLA- und SLS-Druck verwendeten Materialien sind robust genug, um den rauen Umgebungsbedingungen in der Metallverarbeitung standzuhalten. Der Einsatz von 3D-Druck für Produktionswerkzeug in der Metallverarbeitung bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, die viele der Proble herkömmlicher Fertigungsmethoden lösen:

Kürzere Durchlaufzeiten: Mit 3D-Druck können Halterungen und Vorrichtungen wesentlich schneller hergestellt werden als mit herkömmlichen Methoden, wodurch sich die Durchlaufzeiten oft um bis zu 90–95 % verkürzen.

Niedrigere Kosten: Der Wegfall teurer Ausrüstung und manueller Arbeit, wie sie bei konventionellem Werkzeugbau anfallen, führt zu erheblichen Kosteneinsparungen von bis zu 90–95 %.

Fertigung auf Abruf und digitale Lagerhaltung: 3D-Druck ermöglicht eine Fertigung auf Abruf, was den Bedarf an physischen Lagerbeständen minimiert und schnelle Anpassungen oder Ersatz ermöglicht.

Designfreiheit und Individualisierung: Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren unterstützt der 3D-Druck komplexe Geometrien und ermöglicht eine einfache Anpassung, was schnelle Änderungen für verschiedene Teile oder Projekte zulässt.

Präzision und Wiederholbarkeit: Im Vergleich zu manuellen Verfahren oder FDM-3D-Druck (Schmelzschichtung) bieten SLA- und SLS-3D-Druck eine höhere Genauigkeit. Dadurch wird sichergestellt, dass die Fertigungshilfsmittel über mehrere Iterationen hinweg präzise Abmessungen und durchgehender Qualität aufweisen.

Leicht und ergonomisch: 3D-Druck ermöglicht die Herstellung leichter Werkzeuge ohne Einbußen bei der Festigkeit, verbessert die Ergonomie für das Bedienpersonal und senkt die Materialkosten.

Formlabs ist in der Lage, mit Maschinen in Industriequalität auf erschwinglichem Preisniveau die Bedürfnisse der Metallverarbeitungsbranche zu erfüllen. Mit hochauflösenden SLS- und SLA-Druckern, robusten Materialoptionen und intuitiver Software können Unternehmen den 3D-Druck in den eigenen Betrieb verlagern, was die Abhängigkeit von Zulieferern verringert und die Produktion beschleunigt. Formlabs bietet außerdem automatisierte Nachbearbeitungslösungen, um den gesamten Prozess vom Design bis zum fertigen Werkzeug zu optimieren.

In diesem Whitepaper werden Methoden und Fallstudien vorgestellt, die zeigen, wie Unternehmen die 3D-Drucker von Formlabs nutzen, um auf Abruf individuelle Halterungen und Vorrichtungen zu produzieren und so ihren Werkzeugbau-Prozess zu optimieren.

Die Zerspanung ist ein subtraktiver Fertigungsprozess, bei dem mithilfe von Werkzeugen wie Drehmaschinen und Fräsmaschinen Material von einem Werkstück abgetragen wird. Für die Herstellung von Präzisionsbauteilen ist dieses Verfahren entscheidend. Halterungen und Vorrichtungen spielen eine wichtige Rolle beim sicheren Fixieren von Werkstücken und bei der genauen Ausrichtung während der Bearbeitung. Zu den technischen Anforderungen an diese Vorrichtungen gehören eine hohe Steifigkeit, um den Schnittkräften standzuhalten, präzise Abmessungen, um die Ausrichtung beizubehalten, Hitzebeständigkeit, um Verformungen durch die bei der Zerspanung erzeugte Hitze zu widerstehen, Vibrationsdämpfung und Beständigkeit gegen Kühlmittel, Schneidflüssigkeiten und Reinigungsmittel, die in den Maschinen laufen.

Das Schweißen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Materialien durch Erhitzung und Druck zusammengefügt werden, um starke Verbindungen zu erstellen. Zu den gängigen Techniken gehören Lichtbogenschweißen, Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) und Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), die im Bauwesen und in der Fertigung für dauerhafte Verbindungen weit verbreitet sind. Halterungen und Vorrichtungen sind für die genaue Positionierung von Werkstücken und die Einhaltung der Ausrichtung beim Schweißen unerlässlich. Diese Werkzeuge müssen hochgradig hitzebeständig, steif und langlebig sein, um wiederholte Zyklen ohne Verziehen zu überstehen. Präzises Ausrichten und einfaches Einspannen sind wichtig für genaue, wiederholbare Schweißnähte, während Sicherheitsmerkmale und Zugänglichkeit für den Schutz des Personals entscheidend sind.

Dieses Whitepaper befasst sich mit 3D-gedruckten Halterungen und Vorrichtungen für die Bearbeitung von Metallteilen, insbesondere für das Schweißen und die Zerspanung. Die Fallstudien enthalten auch Beispiele für Robotergreifer und Montagevorrichtungen. Formlabs-Kunden drucken bereits heute Fertigungshilfsmittel direkt im Werk, um ihre Arbeitsabläufe zu optimieren, sowie Rapid Tooling, um die Produktion von Kleinserien zu ermöglichen. Weitere Informationen über den 3D-Druck von Werkzeugen finden Sie in folgenden Dokumenten:

• Fertigungshilfsmittel für Montage, Prüfungen, Ersatzteile etc.
• Formwerkzeuge für die Blechumformung
• Modelle für den Feinguss
• Formen für Spritzguss, Silikonformen, Blasformen und Thermoformen

Informieren Sie sich in den Leitfäden von Formlabs für SLS und SLA über die einzelnen Technologien. Beide Verfahren sind leistungsstarke Lösungen für die Herstellung von Halterungen und Vorrichtungen, unterscheiden sich jedoch in ihren Materialeigenschaften, Arbeitsabläufen und Fertigungskapazitäten und sind somit komplementäre Werkzeuge für verschiedene Herausforderungen in der Metallverarbeitung.

Wählen Sie Formlabs' SLS-Ecosystem für Folgendes:

• Starke, haltbare, hochbelastbare Werkzeuge: Teile, die hoher Krafteinwirkung und wiederholter Belastung standhalten müssen, wie z. B. stoßfeste Vorrichtungen für die Zerspanung.
• Vielseitigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Umweltstabilität: Nylon 12 Powder ist die erste Wahl für den 3D-Druck für allgemeine Zwecke. 3D-gedruckte Teile aus Nylon nehmen nur wenig Feuchtigkeit auf und sind resistent gegen Licht, Hitze und Chemikalien. Dies ist besonders wichtig für Zerspanungswerkzeuge, da diese Kühllösungsmitteln ausgesetzt sind. Formlabs empfiehlt Nylon 12 Powder als Standardmaterial. Für spezifischere Anwendungsfälle ziehen Sie bitte den SLS-Materialkatalog zurate.
• Komplexes Design und leichte Teile: Der SLS-Druck verzichtet auf Stützstrukturen und bietet mehr Designfreiheit beim Erstellen komplizierter oder hohler Geometrien. Dies ermöglicht Designs mit Gitterstrukturen, die den Materialverbrauch reduzieren, aber gleichzeitig die Festigkeit erhalten – hervorragend für große, leichte Haltevorrichtungen, die in der Blechumformung oder als Ersatzteile für Maschinen eingesetzt werden.
• Hoher Durchsatz: SLS ist ideal für die Fertigung mittlerer Volumen. Da keine Stützstrukturen vorhanden sind, können die Teile im Fertigungsvolumen übereinander gestapelt werden und die Nachbearbeitungszeit verkürzt sich. Die Konstruktionskammer von Formlabs' Fuse 1+ 30W ermöglicht die Verschachtelung von Teilen im gesamten Fertigungsvolumen, was den Durchsatz maximiert und die Effizienz erhöht. Der Fuse Sift und Fuse Blast von Formlabs vereinfachen die Pulverrückgewinnung und automatisieren die Reinigung und Fertigstellung von Teilen.

Wählen Sie Formlabs' SLA-Ecosystem für Folgendes:

• Hohe Präzision, feine Details und glatte Oberflächen: Anwendungen wie Positioniervorrichtungen für die Zerspanung, Haltevorrichtungen, Messvorrichtungen oder ergonomische Halterungen. Merkmale wie z. B. maßgefertigte Griffe für höheren Komfort sind leicht zu integrieren.
• Große Bandbreite an Materialeigenschaften mit einfachem Wechsel zwischen Kunstharzen: Erstellen Sie Produktionswerkzeuge mit unterschiedlichen Spezifikationen, etwa elastische, ESD-sichere oder flammhemmende Teile, um spezialisierte Anwendungen zu ermöglichen. Weitere Informationen finden Sie im SLA-Materialkatalog. Rigid 10K Resin wird in der Metallverarbeitung häufig verwendet, insbesondere für Schweißvorrichtungen; es ist ein starrer und temperaturbeständiger Werkstoff mit einer Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) von 218 °C bei 0,45 MPa und einem Elastizitätsmodul von 10 000 MPa.
• Schnelle Kleinserienfertigung dank eines zugänglichen Ecosystems: SLA ist einfach zu handhaben, sobald der Umgang mit Kunstharz verstanden wurde. Formlabs' SLA-Ecosystem ist erschwinglich, erfordert nur minimale Ausrüstung und kann reibungslos in jeden Produktionsprozess integriert werden. Es ist eine schnelle und einfache Lösung für die Produktion kleiner Stückzahlen von Werkzeugen, die keine extreme Haltbarkeit erfordern.

In der folgenden Tabelle sind einige der wichtigsten Überlegungen zusammengefasst, um für den 3D-Druck von Fertigungshilfen zwischen SLA und SLS zu wählen. Weitere Details erhalten Sie in Formlabs' tiefgehendem Technologievergleich. Beide Technologien können in einer Werkstatt ergänzend eingesetzt werden und ermöglichen die Herstellung präziser, haltbarer und individualisierter Halterungen und Vorrichtungen für eine Vielzahl von Anwendungen in der Metallverarbeitung.

Digitalisieren Sie bestehende Werkzeugdesigns mit Reverse Engineering, um sie in ein digitales Inventar zu überführen, oder ermitteln Sie den Werkzeugbedarf und entwerfen Sie neue Modelldateien. Bei der Konstruktion von Halterungen und Vorrichtungen mit 3D-Druck gibt es einige wichtige Designüberlegungen, die sich von denen herkömmlicher zerspanter Metallwerkzeuge unterscheiden, was die Umsetzung einzigartiger Merkmale ermöglicht, die nur mit additiver Fertigung erreicht werden können:

Komplexe Geometrien ausnutzen: Verwenden Sie 3D-Druck, um komplizierte interne Strukturen wie Kanäle, Hinterschnitte und Hohlräume zu erstellen, die sich durch Zerspanung von Metall nur schwer umsetzen lassen. SLA eignet sich am besten für feine Details und glatte Oberflächen, während SLS sich hervorragend für robuste, komplexe Formen eignet, die mechanischer Belastung standhalten.

Für leichte Strukturen optimieren: Nutzen Sie die Vorteile von SLS, um leichte Haltevorrichtungen mit Gitter- oder Wabenstrukturen zu erstellen. Diese reduzieren das Gewicht, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen, was bei traditionell hergestellten massiven Metallteilen schwer zu erreichen ist.

Designs mit präziser Wandstärke erstellen: SLA ermöglicht präzise, komplizierte Designs mit Wandstärken von etwa 2–3 mm. SLA erreicht zwar keine dünneren Teile als Metallzerspanung, ermöglicht aber komplexere Formen und glattere Oberflächen ohne zusätzliche Bearbeitung, was die Leistung verbessern und die Kosten senken kann.

Mehrere Funktionalitäten integrieren: 3D-Druck ermöglicht die Integration von Merkmalen wie Klammern, Positionierern und Schablonen in ein einziges Teil. Dies vereinfacht das Design und reduziert den Bedarf zur Montage mehrerer Bauteile.

Glatte Abrundungen für mehr Festigkeit einfügen: Verwenden Sie SLA, um glatte Abrundungen (Radien von 1–2 mm) an Belastungspunkten anzubringen, wodurch das Risiko von Rissen und Belastungskonzentrationen vermindert wird. Abrundungen sind in zerspantem Metall zwar ebenfalls möglich, doch der 3D-Druck ermöglicht effizientere, belastungsresistentere Designs mit weniger Fertigungsschritten.

Ergonomie verbessern: Fügen Sie ergonomische Merkmale wie maßgefertigte Griffe oder konturierte Kanten direkt in Ihre SLA-Designs ein. Diese Details verbessern die Nutzererfahrung und sind einfacher und kostengünstiger umzusetzen als bei herkömmlichen zerspanten Metallwerkzeugen.

Für Modularität und Individualisierung entwerfen: Verwenden Sie SLS, um modulare Halterungen und Vorrichtungen zu erstellen, die leicht angepasst oder aktualisiert werden können. Diese Flexibilität ermöglicht ein schnelleres Anpassen und Ersetzen im Vergleich zu Metallwerkzeugen, die komplett neu gefertigt werden müssen, sodass Zeit und Kosten gespart werden.

Mit einteiligen Designs Montage vermeiden: Konsolidieren Sie komplexe Baugruppen in einem einzigen 3D-Druckteil, minimieren Sie die Montagezeit und verringern Sie das Risiko von Fluchtungsfehlern. SLA und SLS können Arbeitsabläufe in der Fertigung optimieren, da im Vergleich zu mehrteiligen Vorrichtungen aus Metall weniger Teile zu verwalten und auszurichten sind.

SLA- und SLS-Teile von Formlabs können mit fortgeschrittenen Methoden nachbearbeitet werden, um die Ästhetik, die mechanischen Eigenschaften und die Gesamtleistung der Teile zu verbessern. Nach dem Reinigen von SLA-Teilen mit Isopropylalkohol können Techniken wie Schleifen, Lackieren oder Beschichten angewendet werden, um die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit zu erreichen. SLS-Teile können durch Sandstrahlen oder chemisches Glätten eine bessere Oberflächenbeschaffenheit erhalten. Weitere Informationen erhalten Sie in Formlabs' Leitfaden zur Nachbearbeitung.

Die folgenden Fallstudien illustrieren den Einsatz von SLA- und SLS-Teilen aus Formlabs-Druckern als Schweißvorrichtungen, Produktionswerkzeuge und leichte Robotergreifer, die erhitzte (80 °C) Metalleinsätze halten. Die Beispiele zeigen, dass Teile aus Formlabs' Rigid 10K Resin und Nylon 12 Powder für die Metallverarbeitung bei hohen Temperaturen geeignet sind und im Vergleich zu alternativen Methoden Einsparungen im drei- bis fünftstelligen Bereich pro Werkzeug ermöglichen.

Der Hauptsitz von Formlabs in Somerville, Massachusetts (USA), verfügt über eine 278 Quadratmeter große Maschinenhalle, in der Prototypen für das F&E-Team hergestellt werden. Es handelt sich um eine Fertigungsumgebung für Kleinserien mit hohem Mischungsgrad, die mit mehreren CNC-Fräsmaschinen, CNC-Drehmaschinen, manuellen Bridgeport-Fräsmaschinen, Wasserstrahlschneidern, Schneidlasern, WIG-Schweißstationen und speziellen Bereichen für Inspektion und Metrologie ausgestattet ist. Das Team verwendet 3D-gedruckte Halterungen und Vorrichtungen für alle Arten von Metallbearbeitungsschritten: Klemmbacken, Haltevorrichtungen für die Zerspanung, Formwerkzeuge für die Blechumformung, Schweißvorrichtungen und vieles mehr.

Bei den meisten Anfragen, die das Team abwickelt, handelt es sich um Einzelanfertigungen oder Kleinserien von Dutzenden von Einheiten. Dafür werden Werkzeuge in der Regel aus Rigid 10K Resin auf dem Form 4 3D-gedruckt, aufgrund dessen hoher Druckgeschwindigkeit. Für den 3D-Druck von Spannmitteln zum Einsatz in CNC-Maschinen wird die Fuse-Serie mit Nylon 12 Powder verwendet, welches im Gegensatz zu SLA-Harzen kühlmittelbeständig ist.

Red Oak Fabrication ist ein vielseitiges Fertigungsunternehmen mit Sitz im Südwesten Iowas in den USA, das Produkte aus Stahl, Edelstahl und Aluminium fertigt. Ausgestattet mit modernsten Technologien setzt das Unternehmen sämtliche branchenüblichen Verfahren für die Produktion von Metallteilen von Anfang bis Ende ein. Das Werk ist spezialisiert auf Präzisionsplasma-, Laser- und Wasserstrahlschneiden, CNC-Bearbeitung, Stahlstrahlen, Pulverbeschichtung, Blechumformung und fortgeschrittenes robotisches Schweißen. Das Schweißen, vor allem das Metall-Inertgas-Schweißen (MIG), macht einen großen Teil ihrer Tätigkeit aus, mit etwa 15 manuellen Schweißstationen und drei automatisierten Robotik-Schweißzellen.

Der Werkzeugbau ist entscheidend, um die täglichen Schweißarbeiten zu unterstützen und die Effizienz zu verbessern. Betriebsintern standen zwei Methoden zur Herstellung von Schweißvorrichtungen zur Verfügung. Eine Möglichkeit bestand darin, Blechbauteile zusammenzusetzen; das ist relativ einfach und kostengünstig, die Genauigkeit der Werkzeuge ist jedoch mangelhaft. Alternativ bot die CNC-Bearbeitung eine Option, um hochwertige Metallvorrichtungen herzustellen. Diese ist wiederum mit hohen Kosten und langen Durchlaufzeiten verbunden. Keines dieser Verfahren ist jedoch in der Lage, Bestellungen von kleinen und mittleren Stückzahlen ohne Durchlaufzeiten und hohe Kosten umzusetzen.

Um diese Lücke zu schließen, erwarb das Unternehmen einen Formlabs-SLA-3D-Drucker vom Typ Form 3L, mit dem es präzise und robuste Halterungen und Vorrichtungen innerhalb eines Tages zu einem Zehntel des Preises der CNC-Zerspanung drucken kann. Der 3D-Druck ermöglicht es nicht nur, hochwertige Haltevorrichtungen (um bis zu 90 %) kostengünstiger und schneller zu drucken, sondern auch komplexe Geometrien und organische Formen zu erstellen, die auf andere Weise nur schwer umsetzbar wären. Das Team schweißt in der Regel einige tausend Teile pro Haltevorrichtung, um Kundenaufträge über kleine bis mittlere Serien zu erfüllen. „Der 3D-Druck hat uns einen einfachen Mittelweg geöffnet. Ich kann in ein paar Tagen vom Design bis zur fertigen Vorrichtung übergehen, statt in ein paar Monaten“, so Taylor Smith, Leiter für Entwurf und Konstruktion bei Red Oak Fabrication.

Kostenanalyse für Schweißvorrichtungen:

Beim Schweißen werden in der Regel Temperaturen von einigen tausend Grad Celsius erreicht, was für Produktionswerkzeuge aus Polymeren eine Herausforderung darstellt. Daher entschied sich das Team für den 3D-Druck mit Rigid 10K Resin, einen steifen und temperaturbeständigen Material. Da die Haltevorrichtungen nicht direkt mit der Schweißung in Berührung kommen und die Bearbeitungszeit nur etwa 10 Sekunden beträgt, werden die Werkzeuge nicht übermäßig erhitzt.

The Factory Amsterdam (TFA) ist ein im US-Bundesstaat New York ansässiger Hersteller von Metall- und Kunststoffteilen, der sich auf Automatisierung und sogenannte „Lights-out-Fabriken“ konzentriert. Seine Produktpalette umfasst Dienstleistungen wie CNC-Drehen, additive Fertigung, Lasermarkierung und Fertigstellungsstechniken für eloxiertes Aluminium, Stahl, Edelstahl und eine Vielzahl von Kunststoffen. Das Team bearbeitet Bestellungen von 10 bis 10 000 Einheiten für eine große Bandbreite an Märkten, von Teilen für Gasturbinen bis hin zur Unterhaltungselektronik. Mit den SLS-Druckern von Formlabs ist das Unternehmen nicht nur als 3D-Druck-Dienstleister tätig, sondern unterstützt auch seine eigene Metallbearbeitung mit 3D-gedruckten Werkzeugen, wie etwa Spannvorrichtungen für die CNC-Bearbeitung, Montagevorrichtungen, Blechumformwerkzeuge und Maschinenersatzteile.

Spannzangeneinlagen für das CNC-Drehen: Beim Drehen verwendet das Team in der Regel Spannzangen aus Stahl, die häufig mit austauschbaren Einlagen ausgestattet sind, um das in Kompression befindliche Teil in den beiden Drehmaschinen-Spindeln zu halten. Das Drehen ist jedoch eine anspruchsvolle Anwendung. Durch die hohe Geschwindigkeit von bis zu einigen tausend Umdrehungen pro Minute wirken radiale Kräfte auf das Werkstück. Normalerweise bestehen die Spannzangeneinlagen aus gehärtetem Werkzeugstahl, doch viele Anwendungen erfordern zerspanbare Spannmittel, um komplexere Teile aufnehmen zu können. Bei diesen zerspanbaren Einlagen handelt es sich um Sonderbestellungen, die aus weichem Stahl, Aluminium oder Nylon erhältlich sind und deren Lieferung drei bis vier Wochen dauern kann. Mit Nylon 12 Powder für die Fuse-Serie kann TFA sie nun jedoch an einem Tag für nur 7 $ 3D-drucken.

Nylon 12 Powder ermöglicht eine hohe Genauigkeit und Präzision, was für diese Anwendung entscheidend ist. Die 3D-gedruckten Spannzangeneinlagen werden mithilfe einer hochpräzisen Schnittstelle in eine Stahl-Spannzange eingefügt. „Es gibt eine kleine schwalbenschwanzförmige Schnittstelle, die in diese Spannzangen einrasten muss, und das ist etwas, das mit anderen 3D-Druckverfahren nur sehr schwer präzise hergestellt werden kann. Das ist der Punkt, an dem die Fuse-Drucker wirklich hervorstechen“, meint Bradley Matheus. Mit einem Satz gedruckter Einlagen können 3000 Teile oder mehr hergestellt werden, was mehr als 100 Stunden kontinuierlicher Fertigung entspricht. Außerdem helfen die Einlagen bei der Erhaltung feiner Oberflächenbeschaffenheiten auf empfindlichen Teilen, bei denen Stahlspannzangen Spuren auf den Oberflächen hinterlassen können.

Kostenanalyse für CNC-Drehvorrichtungen:

„Die Lebensdauer ist wahrscheinlich nicht die gleiche wie bei Stahl- oder Aluminiumsätzen, aber der Kostenunterschied macht das mehr als wett. Wenn ich einen Satz Metalleinlagen verwende, muss ich viel vorsichtiger sein, denn sie kosten eine Menge. Die meisten meiner Arbeiten haben einen sehr schnellen Durchsatz, sodass ich mir gar keine Gedanken machen muss. Wenn es sich um ein ungewöhnliches Teil handelt, das mein vorhandenes Produktionswerkzeug nicht fassen kann, stecke ich einfach ein paar von diesen hier hinein und fertig. Das sind echte Problemlöser. Natürlich sind sie nicht für jede Herausforderung in der Fertigung die perfekte Lösung, aber sie haben sich bei einer Vielzahl von anspruchsvollen Anwendungen bewährt“, erklärt Bradley Matheus.

Magnet-Montagewerkzeug: TFA setzt SLS-Teile aus der Fuse-Serie auch ein, um sekundäre Prozesse zu unterstützen. Nach der Zerspanung wird das Teil nachbearbeitet und es werden zwei Magnete eingebaut. Eine typische Bestellung erfordert die Montage von 6000 Magneten der Güteklasse N52, die relativ leistungsstark sind und von Hand nur schwer gehandhabt werden können. „Für den Bediener ist das ohne jedwedes Werkzeug schrecklich lästig. Aber wir haben keine Standardlösungen dafür finden können. Mit der Fuse-Serie können wir weitaus robustere Montagewerkzeuge herstellen, als es sonst möglich wäre, und das auf kostengünstige Weise. So können wir schneller iterieren und ohne großen Aufwand sehr genaue Teile produzieren“, berichtet Bradley Matheus.

„Wenn es um Montageprozesse geht, ist alles individuell, so etwas kann man nicht einfach im Handel kaufen. Daher ist eine hochflexible Fertigungsmöglichkeit im eigenen Betrieb von unschätzbarem Wert.“

Die Etienne Lacroix Group ist einer der global führenden Konzerne im Bereich der Pyrotechnik und bietet umfassende Lösungen für die Bereiche Verteidigung, Sicherheit, Logistik, Industrie und Veranstaltungen. Innerhalb dieser Unternehmensgruppe ist das Unternehmen MPM auf den Spritzguss komplexer Thermoplastteile für kleine und mittlere Fertigungen (bis zu 10 000 Einheiten) spezialisiert. Seine Anlage ist mit 23 Spritzgussmaschinen sowie CNC-Bearbeitungs-, Schweiß-, Markierungs-, Beschichtungs- und Montage-Stationen ausgestattet, um Kunden Produkte in Form von Unterbaugruppen zu liefern.

Das MPM-Team verfügt auch über verschiedene additiven Technologien. Sie verwenden FDM-Drucker für Konzeptnachweise und Formlabs-SLA-Drucker für funktionsfähige Prototypen und Spritzgussformen für Kleinserien. Vor zwei Jahren erwarben sie die Fuse-Serie mit Nylon 12 Powder für den Druck von Vorrichtungen, Maschinenersatzteilen und kleine Stückzahlen von Teilen für die Endverwendung. Heute werden mit der Fuse-Serie etwa 60 Teile pro Woche für den internen Gebrauch 3D-gedruckt, von Kunststoff-Vorrichtungen für die Zerspanung bis hin zu Schweißvorrichtungen und End-of-Arm-Tooling für Robotikanwendungen. Einschließlich der Prototypbestellungen von Kunden hat das Team bisher etwa 4000 Teile mit der Fuse-Serie gedruckt. Einige bemerkenswerte Beispiele für internes Werkzeug sind Folgende:

Vorrichtungen für das Ultraschall-Schweißen: Diese Werkzeuge werden in einer Ultraschall-Schweißmaschine platziert, um Messingeinsätze während des Schweißens auf einem spritzgegossenen Teil gedrückt zu halten. Trotz Erhitzung, Druck und Vibration sind die 3D-gedruckten Vorrichtungen auch nach mehr als 3000 Schweißungen noch funktionsfähig. Die Werkzeuge haben komplizierte Geometrien mit dünnen Rippen und Ausrichtungsmerkmalen, die mittels Zerspanung schwierig umzusetzen sind, sodass das Team den Auftrag an einen Dienstleister für 5-Achsen-CNC-Bearbeitung auslagern müsste. Durch den 3D-Druck konnten sie den Zeit- und Kostenaufwand um mehr als 90 % senken und gleichzeitig die Präzision und Designkomplexität erhöhen. Außerdem sind die mit Nylon 12 Powder gedruckten Werkzeuge weicher als Vorrichtungen aus Metall und schützen das geschweißte Teil vor Kratzern.

Kostenanalyse für Ultraschall-Schweißvorrichtungen:

Ersatzteile für End-of-Arm-Tooling (EOAT) für Roboter: Das Team druckt individuelles EOAT mit der Fuse-Serie, um verschlissene Originalteile zu ersetzen. Dabei bemerkte es folgende Vorteile:

• Ersetzen der abgenutzten Greifer ist schneller und günstiger als die ursprüngliche Methode
• Verringerung des Gewichts, oft um das Dreifache, und Verlängerung der Lebensdauer des Roboters
• Vermindertes Risiko des Zerkratzens von Metallteilen, da die Greifer aus Nylon 12 Powder flexibel sind
• Anpassung der Greifer an die Geometrie des Teils

Ein bestimmtes EOAT-Teil wird monatlich eingesetzt, um eine Fertigungsserie von 5000 umspritzten Teilen zu liefern. Der Roboter besteht aus 32 Greifern, die heiße Metalleinsätze (80 °C) aufnehmen, um sie in die Spritzgussform einzufügen. Diese Greifer bestanden früher aus Kunststoff, der durch Outsourcing vom ursprünglichen Zulieferer beschafft wurde. Sie nutzten sich schnell ab und mussten nach zwei Serien, d. h. nach etwa 10 000 Einheiten, ersetzt werden. Die Greifer kosteten jeweils 55 €, also 1760 € pro Roboter, bei einer Durchlaufzeit von drei Wochen.

Mit der Fuse-Serie kann das Team sie nun innerhalb eines Tages für 1 € pro Stück 3D-drucken. Die Greifer aus Nylon 12 Powder sind leichter als die Originalteile und halten den hohen Temperaturen der Einsätze deutlich besser stand. Nach einem Jahr der Nutzung und etwa 60 000 Teilen sind sie noch immer funktionsfähig. Das Team spart allein mit dieser Komponente mehr als 10 500 € pro Jahr.

Kostenanalyse für Roboter-EOAT:

Brose ist einer der fünf größten Automobilzulieferer der Welt in Familienbesitz. In jedem Glied der Lieferkette für die Automobilproduktion machen Metallteile einen Großteil des Gesamtprodukts aus. Daher spielt das Schweißen im Montageprozess natürlich eine große Rolle. Bei Brose North America, wo ein Team für additive Fertigung eine Flotte von SLA- und SLS-Druckern betreibt, müssen die Schweißroboter ständig zwischen verschiedenen Produktlinien wechseln. Die Programmierung eines Schweißroboters mit Schienenprototypen aus Metall ist teuer, und oft stehen die Teile noch nicht zur Verfügung, wenn die Schweißstation für die Programmierung der Geräte bereit ist. Der 3D-Druck bietet hier eine schnelle und kostengünstige Lösung, denn die Teile zur Einrichtung der Fertigungszelle erfordern Schnelligkeit und Maßgenauigkeit. Das Team druckt mit Fast Model Resin auf dem Form 4L große Bauteile für die Einrichtung der Schweißzelle. Lesen Sie die vollständige Fallstudie für weitere Informationen.

Der 3D-Druck von Halterungen und Vorrichtungen bietet eine praktische Lösung für die Herausforderungen des konventionellen Werkzeugbaus in der Metallverarbeitung. Er ermöglicht eine schnellere Fertigung, geringere Kosten und eine größere Flexibilität beim Design. Dies ist besonders vorteilhaft für individuelle Werkzeuge in Verfahren wie Zerspanung und Schweißen, wo Präzision und Haltbarkeit entscheidend sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden ermöglicht der 3D-Druck eine Fertigung auf Abruf und minimiert den Bedarf an physischen Beständen durch digitale Speicherung.

Dieses Whitepaper belegt die Tauglichkeit von Formlabs' SLA- und SLS-Druckern für die Herstellung hochwertiger Halterungen und Vorrichtungen für die Metallverarbeitung. In mehreren Fallstudien wurden signifikante Ergebnisse hervorgehoben: Reduktion der Kosten und Durchlaufzeit von Vorrichtungen für die CNC-Bearbeitung und das Schweißen um über 90 % mit chemikalien- und hitzebeständigen Materialien sowie jährliche Einsparungen im fünfstelligen Bereich durch 3D-gedruckte Robotergreifer. Diese Beispiele zeigen, dass die Technologie von Formlabs den strengen Anforderungen der Branche gerecht wird.

Für Unternehmen, die bereit sind, 3D-Druck für den Werkzeugbau zu integrieren, dient dieses Whitepaper als praktischer Leitfaden für den Einstieg, von der Auswahl der richtigen Materialien und Drucker bis hin zur Optimierung des Designs und der Entwicklung einer digitalen Bestandsstrategie für maximale Flexibilität und Effizienz.

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