Wie der 3D-Druck einen Lieferroboter in nur sechs Monaten zur Massenproduktion brachte

Rice Robotics ist ebenfalls in Hongkong ansässig und konzentriert sich auf das Design und die Fertigung robotischer Systeme für die Auslieferung von Essen sowie für die Desinfektion und die Inspektion. Die innovativen Designs kamen bislang in kleinen Stückzahlen zum Einsatz. Doch als Rice nach Massenproduktionslösungen suchte, türmten sich die Probleme auf.

Die Qualitätskontrolle, Kommunikationsprobleme mit dem bisherigen Vertragshersteller und Unterschiede zwischen dem beabsichtigten Design und dem fertig geformten Produkt, dies alles führte dazu, dass sich Rice nach einem Partner direkt in Hongkong umsah. Das Problem war nur: Die Zeit lief dem Team davon. Dem neuen Hersteller blieben ganze sechs Monate, um das Anfangsdesign zur Massenproduktion zu überführen.

Es blieb nur ein halbes Jahr, um das Design bis zur Produktion zu bringen. Savewo wusste genau, dass traditionelle Produktentwicklung da nicht mithalten konnte. Die Flotte an SLS-Druckern der Fuse-Serie kam in jedem Entwicklungs- und Produktionsschritt zum Einsatz, vom iterativen Design über Funktionstests bis zu Endverwendungskomponenten der fertigen Roboter.

Für viele Robotikunternehmen in Hongkong und China sind Spritzgussproduzenten in nächster Nähe und sehr günstig. Dort ist Spritzguss mit zerspanten Produktionswerkzeugen auch bei Prototypen in der iterativen Entwicklung eine Option. Bei einem derart komprimierten Zeitplan, so wusste Savewo, gab es nur eine zeiteffiziente Möglichkeit: 3D-Druck. Die vier Drucker vom Typ Fuse 1+ 30W liefen rund um die Uhr, sieben Tage die Woche.

Sobald sich Savewo dem SLS-3D-Druck zugewandt hatte, eröffnete dies eine ganze Welt neuer Möglichkeiten. Im Pulverbett der SLS-Drucker der Fuse-Serie werden die Teile direkt vom Pulver gestützt. So lassen sich Teile mit Überhängen, Hinterschneidungen, internen Kanälen oder anderen Designeigenschaften umsetzen, die mit herkömmlichen Verfahren äußerst teuer oder nur schwer realisierbar sind.

Mittels 3D-Druck konnte Savewo nicht nur Überarbeitungen über Nacht durchführen, das Unternehmen konnte auch den Umfang und die Funktionalität der Roboterkomponenten erweitern, durch innovative und organische Designs. „Einige Designs lassen sich mit traditionellen Fertigungsverfahren nicht günstig umsetzen. Heute geht das ganz leicht und präzise mithilfe der SLS-3D-Drucker“, so Herr Zhong, leitender Maschinenbauingenieur für F&E bei Savewo.

Eines der größten Probleme bei Rices vorherigem Zulieferer war die Einheitlichkeit der Designs, Prototypen, Betatests und fertig gegossenen Teile. Beeinträchtigte Maßgenauigkeit innerhalb dieser Schritte aufgrund der vielzähligen Technologien paarte sich mit ungenauer Kommunikation seitens des Dienstleisters. Außerdem mussten die Teile im Designprozess angepasst werden, um die Einflüsse von Hitze, Zeit und Ausdehnung beim industriellen Spritzguss einzubeziehen. Dadurch kam es zu Diskrepanzen zwischen dem beabsichtigten Design und den fertigen Teilen.

Savewo war kleiner und bot klare, offene Kommunikationskanäle. So konnte das Ingenieurteam bei Rice seine Anforderungen besser durchgeben und sich so viel wie nötig in das Druckverfahren einbringen. Die Teile wurden unkompliziert für die additive Fertigung angepasst, da Rice leichten Zugriff auf die Produktion hatte, sprich auf die Fuse-Drucker. Und obendrein musste Rice keine Designüberlegungen für den Spritzguss miteinbeziehen. Das Teiledesign blieb im ganzen Prozess gleich, von den 3D-gedruckten Prototypen bis zum Endergebnis.

Viele dieser Endteile werden auf den Druckern der Fuse-Serie gedruckt. Die Festigkeit und Haltbarkeit von Nylon 12 Powder macht es zur perfekten Wahl für robuste Anwendungen wie in der Robotik. Nylon – oder im deutschen Raum technisch eher als Polyamid (PA) bezeichnet – ist Ingenieur*innen wohl bekannt, genau wie seine Eigenschaften. Dass Savewo das Massenproduktionsvolumen erreichen würde, darauf konnte Rice vielleicht nur hoffen. Aber dass sich die Nylonteile am Ende wie spritzgegossener Kunststoff verhalten, daran bestand kein Zweifel. 

In der Robotik bedarf es vieler funktionsfähiger Bauteile – mehrere Komponenten werden mit Gelenken oder Scharnieren zusammengesetzt. Der 3D-Druck konnte da nicht immer mithalten und belastbare Teile erstellen, die den konstanten Zug- und Druckkräften standhalten, dem Drehmoment und der Reibung, wie sie in Bauteilen auftreten. Doch SLS-Druckteile bewältigen all dies. Mit dem Fuse 1+ 30W lassen sich Gewinde direkt in das Design der Druckteile aus Nylon 12 Powder einarbeiten. Alternativ können auch Wärmeeinsatz-Schraubgewinde verwendet werden.

Savewo machte sich genau dies zunutze, um viele Teile zu verbinden – was die Vielseitigkeit dieses Fertigungsverfahrens und Materials deutlich beweist. „Nylon 12 Powder hat die nötige Härte und Belastbarkeit sowie gute mechanische Eigenschaften. Die meisten unserer 3D-Druckteile haben Gewinde. Bei direkt gedruckten Teilen aus Nylon 12 Powder besteht keine Notwendigkeit, die Schrauben mehrfach anzuziehen und zu lockern“, berichtet Mr. Chen, Savewos Leiter für Forschung und Entwicklung.

Beim Indoor-Essenslieferungsroboter Rice 2 wurden die Verbindungsstücke des Gerüsts und Gehäuses mit dem Fuse 1+ 30W gedruckt. Diese Verbindungen müssen den ständigen Vibrationen des „laufenden“ Roboters standhalten, um sowohl Gerüst als auch Gehäuse zu stabilisieren. Die Flexibilität von Nylon 12 Powder ist dafür geradezu ideal. Andere SLS-Endverwendungsteile des Rice 2 sind das Zerstäubermodul mit Leiterplatine, Ventilator und Schnalle, die Entlüftung und die Aufhängung des Prozessorsystems und Stoßdämpfungssystems.

In Savewos betriebsinterner Fabrik aus vier SLS-Druckern vom Typ Fuse 1+ 30W und einer Nachbearbeitungsstation Fuse Sift werden ausreichend Endverwendungsteile produziert, um wöchentlich 50 Roboter der Serie Rice 2 herzustellen. Vor allem bietet der 3D-Druck mit dem Fuse 1+ 30W kontinuierliche Optimierungsmöglichkeiten, ohne dass teure Formwerkzeuge umgearbeitet werden müssen.

Hätte das Team das traditionelle Fabrikmodell genutzt und für die Produktion Spritzgussformen verwendet – was Planung, Prüfung, Änderungen und andere Schritte beinhaltet – würden die Durchlaufzeiten für jedes Teil und jede Modifikation zwischen 45 und 60 Tagen betragen. Für dieses Projekt wären solch lange Durchlaufzeiten und die damit verbundenen hohen Kosten ein untragbares Risiko.

Savewos Ingenieurteam unterteilt das Produkt in sichere und unsichere Faktoren. Für die größeren, sicheren Teile des Rice 2 wurden Formen entworfen und traditionelle Fertigungsmethoden wie Spritzguss eingesetzt. 3D-Druck kam hingegen für die unsicheren Teile zum Einsatz, die voraussichtlich während der Entwicklung mehrere Änderungen erfordern.

In Hongkong sind Immobilien teuer, und Gebäude und Unternehmen werden in die Höhe, nicht in die Breite gebaut. Die Größe und Skalierbarkeit der Fuse-Serie bedeutet, dass Savewo die Produktion ausweiten konnte, ohne die Einrichtungen zu ändern oder in mehr Quadratmeter zu investieren. Nach der Anschaffung des ersten Geräts wurden die drei weiteren sehr schnell ergänzt, um die Produktion anzukurbeln. Mit nunmehr vier Druckern des Typs Fuse 1+ 30W und einem Fuse Sift bewältigen die F&E- und Fertigungsteams schnell und effizient jede Phase des Designprozesses.

Der gesamte Ablauf vom überarbeiteten Design bis zur Massenproduktion des Rice 2 für die Endverwendung in einem so kurzen Zeitraum half Savewo nicht nur, internes Vertrauen für die hybride Fertigung aufzubauen, sondern auch, sich als führendes innovatives Unternehmen in Hongkong zu etablieren. „Wir hegen die Hoffnung für Savewo, dass das Unternehmen in Hongkong zur Wiege der Innovation und Technologie avanciert und die Industrie 4.0 in Hongkong etabliert. Unterm Strich hoffen wir, dass Savewo den Visitenkarten aus Hongkong wieder zu Ruhm verhilft“, verrät uns Mr. Ding, der CEO von Savewo.

Mit dem Fuse 1+ 30W erreichen kleine Unternehmen Großes. Dieses erschwingliche SLS-System glänzt durch einen leicht zu erlernenden und benutzerfreundlichen Arbeitsablauf, zuverlässige und bekannte Materialien und die Toleranzen und Genauigkeit von Spritzguss. Savewo hat sich die Skalierbarkeit dieser Geräte zunutze gemacht, um auf einem stark umkämpften Markt Erfolg zu finden.

Erfahren Sie mehr über die Anwendungsmöglichkeiten der Fuse-Serie oder treten Sie mit unserem Team in Kontakt. Finden Sie heraus, wie auch Sie SLS-3D-Druck in Ihrem Unternehmen für Produktentwicklung und Produktion nutzen können.