Fertigungshilfsmittel wie Halterungen und Vorrichtungen sind in der Metallverarbeitung von entscheidender Bedeutung, um Präzision, Wiederholbarkeit und Effizienz zu gewährleisten. Die Herstellung von Halterungen und Vorrichtungen mit herkömmlichen Methoden kann jedoch mehrere Wochen beanspruchen, vierstellige Beträge kosten und die Gestaltungsfreiheit einschränken. Red Oak Fabrication, eine Metallwerkstatt im US-Bundesstaat Iowa, stellt mit SLA-3D-Druck (Stereolithografie) kundenspezifische Vorrichtungen in wenigen Stunden her, zu einem Zehntel des Preises der CNC-Bearbeitung, und das in komplexen Geometrien und organischen Formen.
Red Oak Fabrication fertigt Produkte aus Stahl, Edelstahl und Aluminium. Das Werk ist spezialisiert auf präzises Plasma-, 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 15 manuellen Schweißstationen und drei automatisierten Robotik-Schweißzellen.
„Der 3D-Druck hat uns einen einfachen Mittelweg eröffnet. Ich kann in ein paar Tagen vom Design zur fertigen Vorrichtung gelangen, statt in ein paar Monaten.“
Taylor Smith, Leiter für Design und Konstruktion bei Red Oak Fabrication
Vor dem 3D-Druck standen Red Oak Fabrication zwei betriebsinterne Methoden zur Herstellung von Schweißvorrichtungen zur Verfügung:
- Der Zusammenbau von Einzelteilen aus Blech: einfach und günstig, aber ungenau.
- Die CNC-Bearbeitung zur Herstellung von Metallvorrichtungen: hochwertig, aber kostspielig und langwierig.
Bei kleinen bis mittelgroßen Aufträgen, die einen schnelleren Durchsatz erfordern, waren ihre Möglichkeiten begrenzt. Um diese Lücke zu schließen, investierte das Team in den Formlabs-SLA-3D-Drucker Form 3L, mit dem genaue und robuste Halterungen und Vorrichtungen innerhalb eines Tages gedruckt werden können, und zwar bei bis zu 90 % weniger Kosten- und Zeitaufwand als mit herkömmlichen Verfahren.
Halterungen und Vorrichtungen für die Metallverarbeitung, kostengünstig und schnell
Dieses Whitepaper umreißt eine Methodik zum 3D-Druck von Halterungen, Vorrichtungen und anderen Produktionswerkzeugen für die Metallbearbeitung. Fallstudien aus der Praxis zeigen, wie mit Formlabs-Druckern langlebige, präzise und hitzebeständige Werkzeuge hergestellt werden, die auch in anspruchsvollen Umgebungen gute Leistungen erbringen. Sie zeigen, wie Unternehmen ihre Durchlaufzeiten und Kosten um bis zu 90 % senken und dabei die Anpassung und Komplexität ihrer Werkzeuge verbessern können.
Organische Formen und komplexe Geometrien
„Die Vorrichtung, die auf ein Rohr aufgesetzt wird, wäre mit Zerspanung wegen ihrer organischen Form nahezu unmöglich herzustellen. Es würde ewig dauern, so etwas mit anderen Verfahren als mit 3D-Druck umzusetzen. Wenn wir die Vorrichtung aus Metall herstellen würden, wäre sie von geringerer Qualität und deutlich weniger zuverlässig. Das würde mehr Arbeit für das Personal bedeuten. Der 3D-Druck optimiert also den Prozess.“
Taylor Smith, Leiter für Design und Konstruktion bei Red Oak Fabrication
Mit CNC-Bearbeitung sind die erreichbaren Geometrien eingeschränkt. Im Gegensatz dazu lassen sich organische Geometrien mit 3D-Druck leicht realisieren. Mit SLA-3D-Druck können komplizierte Merkmale wie innere Kanäle, Hinterschnitte oder auch Hohlteile erstellt werden, und er ermöglicht präzise, filigrane Designs mit Wandstärken von rund 2–3 mm. Darüber hinaus eignet sich SLA optimal für feine Details und glatte Oberflächen, was die Leistung verbessern und die Kosten senken kann.
Dieses Teil verfügt über eine komplexe Geometrie mit einer organischen Form, die durch Zerspanung schwer zu erreichen wäre. Die Haltevorrichtung wurde für Tausende von Schweißungen eingesetzt und ist immer noch funktionsfähig, wobei sie sich im Laufe der Zeit von weiß zu schwarz verfärbt hat, da sie nah an der Schweißnaht eingesetzt wird.
Halterungen und Vorrichtungen für die Metallverarbeitung, kostengünstig und schnell
The Factory Amsterdam (TFA), eine auf Automatisierung ausgerichtete CNC-Werkstatt, gewinnt dank der SLS-Technologie von Formlabs die Flexibilität, schneller auf Kundenbedürfnisse zu reagieren. Dieses Webinar bietet einen schrittweisen Überblick über ihr Verfahren sowie praktische Beispiele mit Kostenanalyse, Designüberlegungen und bewährten Praktiken für den 3D-Druck von Halterungen, Vorrichtungen und anderen Werkzeugen.
3D-Druck von Vorrichtungen: Von Monaten auf Tage zu einem Zehntel der Kosten
Wie viel Zeit die Konstruktion und Zerspanung einer Vorrichtung benötigt, ist unabhängig davon, wie viele Teile damit hergestellt werden sollen. Das heißt, die Fertigung von Vorrichtungen für kleine bis mittlere Aufträge kostet Red Oak Fabrication genauso viel Zeit wie Vorrichtungen für Großaufträge.
Mit 3D-Druck konnte Red Oak Fabrication jedoch fast 90 % der Kosten einsparen und die Fertigung von Vorrichtungen von Monaten auf Tage beschleunigen. Noch dazu können etwaige Designänderungen leicht umgesetzt und einfach neu gedruckt werden, bei geringem Zeit- und Kostenaufwand.
Kostenanalyse für Schweißvorrichtungen:
| Alternative Methode | Betriebsinterner 3D-Druck | |
|---|---|---|
| Ausrüstung | Betriebsintern CNC-bearbeitetes Metall | Form 3L, Rigid 10K Resin |
| Kosten | 1000 € | 100 € |
| Zeit | Monate | Tage* |
*Mit dem Form 4L, dem Nachfolgemodell des Form 3L, würde die Druckzeit für diese Teile nur noch Stunden statt Tage betragen. Weitere Informationen zum Form 4L finden Sie hier.
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Ganz gleich, ob Sie schnelle Prototypen herstellen oder fertige Teile für die Endverwendung produzieren, wir stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite. Das Formlabs-Vertriebsteam besteht aus engagierten Fachleuten, die Sie und Ihr Unternehmen bei Bedarf mit professioneller Hilfe unterstützen.
Ein Material, das sich in der Produktion bewährt: Rigid 10K Resin
Mit der zickzackförmigen Schweißvorrichtung werden 20 Rundstäbe mit einem Rohr verschweißt. Ihre Positionierung nah an der Schweißnaht führt zu einer schwarzen Verfärbung.
Beim Schweißen werden in der Regel Temperaturen von einigen tausend Grad Celsius erreicht, was für Produktionswerkzeuge aus Polymeren eine Herausforderung darstellt. Daher druckt das Team seine Vorrichtungen mit Rigid 10K Resin, einem harten, glasgefüllten Material mit einer Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) von 238 °C bei 0,45 MPa, das von Formlabs empfohlen wurde.
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. Das weiße Material weist eine gewisse Schwärzung auf, seine Leistung wird jedoch nicht beeinträchtigt. Sollte dennoch einmal eine Vorrichtung kaputtgehen, kann innerhalb weniger Stunden ein Ersatz gedruckt werden.
Bei 90 % der Schweißarbeiten wird mit Stahl gearbeitet, hinzu kommen einige Teile aus Aluminium oder Edelstahl. Anders als bei Metallvorrichtungen haften an 3D-gedruckten Kunststoffvorrichtungen keine Schweißperlen – die flüssigen Metallteilchen, die durch Spritzer geschmolzenen Metalls entstehen. Somit müssen 3D-gedruckte Vorrichtungen nicht gereinigt werden.
Hinweis: Für Schweißverfahren mit geringer Hitzeeinwirkung, wie z. B. Ultraschallschweißen oder Punktschweißen, können die Vorrichtungen mit Nylon 12 Powder auf den SLS-3D-Druckern der Fuse-Serie gedruckt werden.
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Vorrichtungen, die ihrer Aufgabe gewachsen sind
Bei Red Oak Fabrication werden die meisten individuellen Schweißvorrichtungen über 1000 Mal pro Monat verwendet, und die mit Rigid 10K Resin gedruckten Vorrichtungen halten dieser Beanspruchung stand.
Die gerade Haltevorrichtung besteht aus zwei kleinen 3D-gedruckten Teilen, die auf einer Stahlplatte befestigt sind. Es handelt sich um eine komplexe Geometrie mit organischen Formen, die durch Zerspanung schwer umzusetzen wäre. Darüber hinaus benötigte das Team das Werkzeug innerhalb eines Tages. Nach etwa 2000 Schweißungen mit der Haltevorrichtung funktioniert sie nach wie vor, obwohl einige Teile versehentlich darauf gefallen sind und Spuren hinterlassen haben.
Schutzstopfen vor (links) und nach (rechts) der Verwendung. Sie werden im Inneren einer Stahlhalbkupplung mit Magneten platziert, um das Innengewinde zu schützen, während ein Rohr angeschweißt wird. Mithilfe der Schutzstopfen wird verhindert, dass das Schweißgerät und die Schlacke ins Innere der Halbkupplung gelangen und das Gewinde beschädigen. Nach etwa 3000 Schweißungen mit dieser Vorrichtung ist sie immer noch funktionsfähig.
3D-gedruckte individuelle Schweißvorrichtungen in Rekordzeit
Entdecken Sie, wie Sie Ihren Werkzeugbau optimieren können, indem Sie die Prototypenentwicklung und die Fertigung kleiner Serien von Metallteilen mit schnell verfügbaren, modulierbaren Schweißvorrichtungen beschleunigen. Der Koordinator unserer F&E-Werkstatt stellt Methoden und bewährte Praktiken für den 3D-Druck von Schweißvorrichtungen vor, einschließlich Designleitfäden, Studien zur Werkzeugtemperatur, Praxisbeispiele und Kostenanalysen.
Steigen Sie ein in den 3D-Druck von Halterungen und Vorrichtungen
Durch den 3D-Druck seiner Vorrichtungen spart Red Oak Fabrication Zeit und Kosten ein und ist in der Lage, Vorrichtungen mit komplexen Geometrien und organischen Formen herzustellen, die mit CNC-Bearbeitung nicht umsetzbar wären. Das große Fertigungsvolumen des Formlabs-SLA-Druckers Form 3L ermöglicht Red Oak Fabrication die Herstellung großer Teile in einem Stück, oder aber mehrerer kleinerer Vorrichtungen auf einmal. So können mehrere Schweißstationen zugleich in Betrieb gehen.
Entdecken Sie weitere Fallbeispiele und erfahren Sie in unserem Whitepaper, wie Sie Halterungen und Vorrichtungen mit 3D-Druck herstellen. Wenden Sie sich für eine Beratung zu Ihrem spezifischen Anwendungsfall an unser Vertriebsteam.
