Leitfaden für schnelle Fertigung

Für ein aufstrebendes oder sich erweiterndes Unternehmen ist es essenziell wichtig, Lösungen zu suchen, die die Produkte schneller auf den Markt bringen. Die schnelle Fertigung kann die Produktionsflexibilität beschleunigen und steigern und dabei helfen, Zeit und Kosten traditioneller Fertigung in Bezug auf individuelle Produkte und Kleinserienteile zu reduzieren.

In diesem Leitfaden lernen Sie etwas über die heute verfügbaren Methoden und Lösungen für schnelle Fertigung und wie Sie diese nutzen können, um die richtige für Ihr Unternehmen zu finden.

Schnelle Fertigung steht für verschiedene Fertigungsprozesse, die eine schnelle und flexible Produktion von Endverbrauchsteilen für individuelle Produkte, Kleinserienfertigungen oder Übergangsproduktionen ermöglichen.

Die meisten traditionellen Fertigungsprozesse wie Spritzguss und Guss erfordern eine Werkzeugausstattung, deren Fertigung kosten- und zeitintensiv ist. Im Gegensatz dazu ermöglichen schnelle Fertigungsprozesse die Produktion komplexer Teile zu niedrigeren Kosten und geringerem Zeitaufwand.

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Prozesse, die bei der schnellen Fertigung eine Rolle spielen: additive Fertigung, CNC-Bearbeitung und Rapid Tooling zum Beispiel. Die meisten dieser Methoden kombinieren ebenfalls digitalen Entwurf mit Software-Automatisierung, um den Fertigungsprozess zu beschleunigen. 

Rapid Prototyping bezeichnet die Gruppe von Techniken, die verwendet werden, um ein maßstabsgetreues Modell eines physischen Teils oder einer Baugruppe während der Produktentwicklung mithilfe von dreidimensionalen computergestützten Konstruktionsdaten (CAD) zu fertigen. Mit Rapid Prototyping können Designer und Ingenieure Prototypen so schnell wie nie zuvor direkt aus CAD-Daten erstellen und in kurzer Zeit viele Revisionen an ihren Designs durchführen, die sich auf Tests unter realen Bedingungen und auf Feedback stützen.

Da diese Teile oder Baugruppen für gewöhnlich mit additiven Techniken und nicht mit den herkömmlichen subtraktiven Verfahren gefertigt werden, wurde der Begriff zu einem Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck.

Da sich die Hilfsmittel für Rapid Prototyping über die Jahre weiterentwickelt haben, ist es den Unternehmen nunmehr möglich, dieselben Techniken zum Erstellen von Endverbrauchsteilen zu nutzen. Dank der widerstandsfähigen Materialien und sinkender Kosten können sich Geschäfte immer mehr diesen Hilfsmitteln zuwenden, um traditionelle Fertigungswerkzeuge zu ersetzen oder ihre Arbeitsabläufe zu ergänzen und so einen schnelleren Durchsatz für die Endprodukte einfacher zu erreichen.

Additive Fertigungs- (Additive Manufacturing, AM) oder 3D-Druck-Technologien erstellen dreidimensionale Teile aus computergestützten Entwürfen (Computer-Aided Design, CAD), indem Sie Schicht um Schicht Material hinzufügen, bis ein fertiges Teil entsteht.

AM-Technologien erfordern keine Werkzeugausstattung und können komplexe Designs für die Prototypenerstellung oder Fertigung erstellen, die sonst zu kostspielig oder zeitaufwendig sein würden. Dies macht sie zur idealen Wahl für eine Bandbreite von Anwendungen im Maschinenbau und in der Fertigung. 

Additive Fertigungstechniken sind einige der Prozesse, auf die die schnelle Fertigung als Möglichkeiten, neue Teile zu erstellen, vertraut. Indem mit ihr Rapid Tooling produziert wird, kann die additive Fertigung auch die Durchlaufzeit reduzieren und die mit traditionellen Fertigungsprozessen verbundenen Kosten senken.

Die schnelle Fertigung vertraut auf eine Vielzahl von Werkzeugen und Prozessen, um Produkte zu erstellen. Das schließt additive Fertigung, subtraktive Hilfsmittel wie CNC-Bearbeitung und Rapid Tooling bei traditionellen Fertigungsverfahren ein.

Bei dem FDM 3D-Druck, auch als Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt, handelt es sich um einen 3D-Bearbeitungsprozess, bei dem Teile durch Schmelzen und Extrudieren eines drahtförmigen thermoplastischen Kunststoffs aufgebaut werden, der anschließend von einer Druckdüse schichtweise im Konstruktionsbereich aufgetragen wird.

FDM ist bei Privatpersonen die am häufigsten verbreitete Form des 3D-Drucks, dank der vielen Hobbybastler, die damit den Einstieg in den 3D-Druck wagen. Industrielle FDM-Drucker sind aber sowohl bei Design-Fachleuten als auch bei Herstellern beliebt.

Schmelzschichtung hat die niedrigste Auflösung und Präzision der 3D-Druckprozesse für Kunststoffe und eignet sich deshalb nur bedingt für den Druck komplexer Designs oder filigraner Details. Eine hochwertigere Oberflächenbeschaffenheit lässt sich dabei durch chemische Prozesse oder mechanische Politur erzielen. Industrielle FDM 3D-Drucker nutzen lösliche Stützstrukturen, um einigen dieser Probleme abzuhelfen.

FDM funktioniert mit verschiedenen Standardthermoplasten, wie ABS, PLA und deren diversen Mischungen. Industrielle FDM-Drucker bieten eine breitere Auswahl an Thermoplast-Materialien und selbst Verbundwerkstoffen. FDM-Drucker eignen sich bei der Fertigung insbesondere gut für einfache Teile, so etwa für Teile, die für gewöhnlich mit Zerspanungsverfahren hergestellt werden.

SLA-3D-Drucker verwenden einen Laser, um flüssige Kunstharze zu festen Teilen auszuhärten. Dieser Prozess nennt sich Photopolymerisation. SLA ist einer der beliebtesten Prozesse bei Fachleuten, da er hohe Auflösung, Präzision und eine große Materialvielfalt bietet.

SLA-Teile liefern die höchste Auflösung und Genauigkeit, den höchsten Detailgrad und die glatteste Oberflächenbeschaffenheit aller 3D-Drucktechnologien. Der Hauptvorteil der Stereolithografie ist allerdings ihre Vielseitigkeit. Materialhersteller haben innovative SLA-Photopolymer-Kunstharzformulierungen entwickelt, die unterschiedliche optische, mechanische und thermische Eigenschaften bieten und denen von Standard-, technischen und industriellen Thermoplasten in nichts nachstehen.

SLA eignet sich ideal für sehr detaillierte Teile mit engen Toleranzen und glatten Oberflächen wie Formen, Modelle und andere, funktionsfähige Endverbrauchsteile. SLA wird in einer Reihe von Branchen für die schnelle Fertigung verwendet: von Zahntechnik über Schmuck, Gesundheitswesen, Modellbau bis zunehmend auch hin zu Verbrauchsprodukten.

Selektives Lasersintern ist die typischste additive Fertigungstechnologie für industrielle Anwendungen, auf die Ingenieure und Hersteller aus verschiedenen Branchen setzen, da mit ihr starke, funktionsfähige Teile hergestellt werden können.

SLS-3D-Drucker verwenden einen Hochleistungslaser, um kleine Partikel aus Polymerpulver zu festigen. Da das ungesinterte Pulver das Teil beim Drucken stützt, sind keine zusätzlichen Stützstrukturen erforderlich. SLS eignet sich somit ideal für komplexe Geometrien wie Merkmale im Inneren von Teilen, Hinterschnitt, dünne Wände und Vertiefungen. SLS-Teile bieten herausragende mechanische Eigenschaften, deren Festigkeit mit der von Spritzgussteilen vergleichbar ist.

In der Fertigung wird der SLS-3D-Druck für die Kleinserienfertigung, der Herstellung von modernen Verbrauchsprodukten in serieller Maßanfertigung, der Herstellung von Ersatzteilen und haltbaren, belastbaren Halterungen und Vorrichtungen (z. B. Klammern und Klemmen) sowie Werkzeugen verwendet. SLS kann ebenfalls zur betriebsinternen Fertigung von gebrauchsfertigen, patientenspezifischen Medizinprodukten wie Prothetik, Orthetik (d. h. Gliedmaßenersatz + Schienen), chirurgischen Modellen und Werkzeugen verwendet werden.

CNC-Werkzeuge sind, anders als FDM, SLA oder SLS, subtraktive Fertigungsverfahren. Sie gehen von festen Blöcken oder Stäben aus Metall oder Kunststoff aus, die geformt werden, indem Material durch Schneiden, Bohren und Schleifen abgetragen wird.

CNC-Werkzeuge umfassen die CNC-Bearbeitung, bei der Material entweder durch ein rotierendes Werkzeug und ein festes Teil (Fräsen) oder ein rotierendes Teil und ein festes Werkzeug (Drehmaschine) entfernt wird. Beim Schneidlasern kommt ein Laser zur Anwendung, um mit höchster Präzision bestimmte Materialien zu gravieren oder zu schneiden. Bei Wasserstrahl-Cuttern kommt Wasser mit Abriebstoffen bei hohem Druck zum Einsatz, um beliebige Materialien zu schneiden. CNC-Fräsmaschinen und -Drehmaschinen können mehrere Achsen haben, was die Bearbeitung von komplexeren Designs ermöglicht. Laserschneider und Wasserstrahl-Cutter sind eher für flache Teile geeignet.

CNC-Werkzeuge können Teile aus Kunststoffen, Weichmetallen, Hartmetallen (industrielle Anlagen), Holz, Acrylglas, Stein, Glas und Verbundwerkstoffen formen. Sie sind bei der schnellen Fertigung ideal für die Herstellung individueller oder in Kleinserie gefertigter Endverbrauchsteile, Strukturteilen und Werkzeugausstattung für eine Reihe von Branchen.

Verglichen mit den Hilfsmitteln zur additiven Fertigung ist der Aufbau und Betrieb von CNC-Werkzeugen komplizierter. Einige Materialien und Designs könnten besondere Werkzeuge, Handhabung, Positionierung und Verarbeitung erfordern. Das lässt sie für Einzelteile im Vergleich zu additiven Verfahren kostspieliger werden. Sie sind für Kleinserienfertigungen besser geeignet.

Hybride Fertigung kombiniert schnelle Fertigungswerkzeuge mit traditionellen Fertigungsverfahren wie Spritzguss, Thermoformen oder Guss. Das erweitert den Produktionsprozess mit mehr Flexibilität, Reaktionsfähigkeit, Skalierbarkeit und senkt die Kosten. So passen sich Hersteller schneller an die sich ändernden Marktanforderungen an. 

• Werkzeugausstattung

Bauen Sie maßgefertigte Werkzeuge, die dem anspruchsvollen Einsatz im Werk standhalten und die größten Herausforderungen in Sachen Fertigung meistern. Validieren Sie Fertigungsverfahren, lösen Sie DFM-Probleme und erhöhen Sie die Flexibilität, indem Sie Werkzeuge für Anwendungen vom Spritzguss bis zum CNC-Rohrbiegen bereitstellen. 

• Halterungen und Vorrichtungen

Holen Sie die schnelle, kostengünstige Fertigung von Halterungen und Vorrichtungen ins eigene Unternehmen, um Kosten und Durchlaufzeiten zu reduzieren und die Agilität durch niedrige Produktionskosten zu erhöhen. Vergessen Sie Mindestbestellmengen und Werkzeugprogrammierung (beim 3D-Druck) und profitieren Sie von der großen Materialauswahl und den niedrigen Anschaffungskosten. Beweisen Sie Anpassungsfähigkeit in der Fertigung, indem Sie Halterungen und Vorrichtungen für die Qualitätssicherung und Montage flexibel selbst drucken.

Fertigungsverfahren entwickeln sich ständig weiter, und die Wendepunkte, an denen es Sinn ergibt, von einer Technologie auf eine andere umzusteigen, verschieben sich aufgrund der Verbesserungen bei Geräten, Materialien und Skaleneffekten.

Werkzeuge für schnelle Fertigung öffnen sich zunehmend für eine größere Bandbreite an Anwendungen mit niedrigem bis mittlerem Volumen, da sich die Hardware und die Materialien verbessern und die Kosten pro Teil weiter fallen.

Bedenken Sie die folgenden Faktoren, wenn Sie ein schnelles Fertigungsverfahren auswählen:

• Form: Weisen Ihre Teile komplexe interne Merkmale auf oder erfordern sie sehr enge Toleranzen? Abhängig von der Geometrie eines Designs können die Fertigungsoptionen begrenzt sein oder erhebliche Optimierungen in Sachen Design for Manufacturing (DFM) erfordern, damit sich das Teil wirtschaftlich fertigen lässt.

• Volumen/Kosten: Was ist das gesamte oder jährliche Teilevolumen, das Sie fertigen möchten? Einige Fertigungsverfahren bergen hohe Anschaffungskosten für die Werkzeugbestückung und Einrichtung, liefern aber niedrige Kosten pro Teil. Im Gegensatz dazu sind die Anschaffungskosten bei Fertigungsverfahren mit geringem Volumen niedrig, doch durch geringere Durchlaufzeiten, den geringeren Automatisierungsgrad und Handarbeit bleiben die Kosten pro Teil gleich oder sinken nur unerheblich, wenn das Volumen zunimmt.

• Durchlaufzeit: Wie schnell müssen die Teile oder Endprodukte hergestellt werden? Bei manchen Prozessen lassen sich die ersten Teile innerhalb von 24 Stunden herstellen, während die Werkzeugbestückung und die Einrichtung bei bestimmten Großserienfertigungen Monate in Anspruch nehmen können. In manchen Fällen kann Rapid Tooling diese Durchlaufzeit signifikant verkürzen.

• Material: Welchen Belastungen und Spannungen wird Ihr Produkt ausgesetzt sein? Das optimale Material für eine bestimmte Anwendung wird von verschiedenen Faktoren bestimmt. Die Kosten müssen mit funktionellen und ästhetischen Anforderungen abgewogen werden. Bedenken Sie die idealen Eigenschaften für Ihre spezifische Anwendung und stellen Sie diese den verfügbaren Möglichkeiten in einem bestimmten Fertigungsverfahren gegenüber.

Unternehmen, die die Macht der Werkzeuge für schnelle Fertigung kapitalisieren wollen, haben die Möglichkeit, die Arbeit an ein Dienstleistungsbüro auszulagern oder betriebsintern zu produzieren. 

Unternehmen wie 3D Hubs, Protolabs, Fictiv oder hiesige Dienstleister bieten Fertigung und Rapid-Prototyping-Dienstleistungen auf Abruf an. Diese Unternehmen haben typischerweise mehrere Technologien zur Auswahl, einschließlich additiver und subtraktiver Verfahren.

Die größten Nachteile bei der Auslagerung an Dienstleistungsunternehmen sind Kosten und Durchlaufzeiten. Einer der größten Vorteile der schnellen Fertigung ist ihre Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden, was jedoch schnell an Relevanz verliert, wenn ein ausgelagertes Teil erst eine oder gar mehrere Wochen später ankommt. 

Die Auslagerung der Teilefertigung ist auch häufig sehr teuer. Aber abhängig von der Anzahl der Teile und des Druckvolumens kann ein Unternehmen schon innerhalb von wenigen Monate davon profitieren, indem es in einen 3D-Drucker investiert und betriebsintern druckt.

Traditionelle Methoden haben in der Fertigung immer noch eine Berechtigung, denn sie sind für die Massenproduktion besser geeignet. Aber Unternehmen wenden sich zunehmend der schnellen Fertigung zu, die eine Möglichkeit ist, Kleinserienproduktionen durchzuführen. Technologische Fortschritte und vorteilhafte Prozesse, wie schnelle Produktionswerkzeuge und hybride Fertigung, beeinflussen diesen Wechsel. 

Sehen Sie, wie Formlabs betriebsinterne schnelle Fertigung für Unternehmen mit erschwinglichen, hochleistungsfähigen 3D-Druckern zugänglich macht.