Das amerikanische Unternehmen Steam Factory LLC in Minnesota bietet maßgeschneiderte Design-, Konstruktions-, Fertigungs- und 3D-Druck-Dienstleistungen an und verfolgt die Mission, 3D-Druck für jedermann zugänglich zu machen. Rick Beddoe, leitender Ingenieur und Geschäftsführer von Steam Factory, nimmt sich der verschiedensten Projekte an und arbeitet eng mit seiner Kundschaft zusammen, um ihre Ideen zu verwirklichen. Beddoe, der schon seit dem Form 2 Formlabs-Kunde ist, druckt derzeit auf 15 verschiedenen 3D-Druckern, darunter 10 Modelle von Formlabs: Form 4, Form 4L, Form 3+, Form 3L und Fuse 1.
Der vRad® Grip ist ein Projekt, das Beddoe im Jahr 2023 für das Radiologie-Unternehmen vRad® startete. Der vRad Grip ist ein hochgradig individualisierter Controller für Radiologen mit einem ergonomischen Design, das in zwei Größen verfügbar ist. Beddoe druckte die für die Endverwendung bestimmte Vorrichtung zunächst auf dem Form 3 und Form 3L, stellte die Fertigung aber im Laufe des Jahres 2024 auf den Form 4 und Form 4L um. Durch die Umstellung von Form 3/L auf Form 4/L konnte Beddoe den Durchsatz um mehr als das Vierfache steigern und die Kosten pro Teil um 10–15 % senken – und das alles bei verkürzten Durchlaufzeiten und geringeren Kosten als mit Spritzguss.
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3D-Druck vs. Spritzguss
Geringere Kosten und beschleunigte Fertigung
Der vRad® Grip hat eine ergonomische Form – er verfügt über organische Geometrien, benötigt Platz für Knöpfe und besteht aus zwei 3D-gedruckten Teilen. Mit SLA-3D-Druck (Stereolithografie) können organische Formen mit komplexen Geometrien und kleinen Öffnungen leicht hergestellt werden, was das Verfahren ideal für Teile wie den vRad® Grip macht.
VRad® plante, einen anfänglichen Sicherheitsbestand von etwa 500 Einheiten aufzubauen und anschließend 30–40 Einheiten pro Monat zu produzieren. Bei einer Fertigung mit Spritzguss hätte das benötigte Formwerkzeug wahrscheinlich im Ausland hergestellt werden müssen, das Preisangebot lag bei etwa 70 000 Dollar. Für höhere Stückzahlen – im Bereich von rund 100 000 Stück – wäre dies zwar kostengünstig, doch vRad® benötigte deutlich weniger Exemplare. Zudem wäre das Unternehmen durch die Fertigung des Formwerkzeugs auf ein einziges Design festgelegt gewesen. Neue Produkte werden basierend auf Kundenfeedback häufig abgeändert. Designflexibilität zu bewahren, ermöglicht es vRad®, dieses Feedback aufzugreifen und das Produkt ständig zu verbessern.
Beddoe sagt: „Die größte Zeitersparnis liegt bei den Durchlaufzeiten.“ Beim Spritzguss müssten Teile schon zwei bis drei Wochen im Voraus bestellt werden, und die Erstbestellung könnte aufgrund der Fertigungszeit für die Gussform drei bis vier Monate beanspruchen. Demgegenüber würde der 3D-Druck der Teile höchstens Stunden dauern. Beddoe meint: „Spritzguss schneidet schlechter ab, wenn es um kleine Serien geht. Dank der Formlabs-Geräte konnten wir die gesamte Fertigung beim Kunden vor Ort belassen, was die Durchlaufzeit insgesamt verkürzte und uns mehr Kontrolle über die Fertigung gewährte.“
Durch den Druck mit Formlabs-SLA-3D-Druckern erreicht Beddoe zudem glatte Oberflächen und enge Toleranzen, genau wie sie vom Spritzguss zu erwarten wären.
„Die Optik ist für uns sehr wichtig. Wir drucken sogar ein 'lederähnliches' Muster in das Teil, um ihm Struktur zu verleihen, zusammen mit einem gerändelten Muster. Glatte Oberflächen sind eine tolle Sache, aber die Auflösung des Form 4 ist so gut, dass wir selbst subtile Details wie die Maserung von Leder wiedergeben können.“
Rick Beddoe, leitender Ingenieur & Geschäftsführer, Steam Factory Design and Development
Einrichtung des Teils
Die Entwicklung des Teils hatte ihre Tücken. Um Endbauteile mit SLA-3D-Druck herzustellen, müssen die Teile optimal für den Druck eingerichtet werden. Dies umfasst die Druckausrichtung und die Stützstrukturen, welche für einen erfolgreichen Druck sorgen und auf Oberflächen platziert werden sollen, die nicht makellos aussehen müssen. Beddoe verwendet PreForm, die Druckvorbereitungssoftware von Formlabs, um die Teile für den Druck einzurichten. Ihm zufolge bestand die größte Herausforderung beim vRad® Grip darin, „die Geometrie auf der Bauplattform genau richtig hinzubekommen“. Dabei wurde auch das CAD-Modell angepasst, bevor es zum Druck in PreForm importiert wurde. Außerdem „wollten wir keine Stützspuren auf den ergonomischen Oberflächen haben“. Die optimale Ausrichtung der Teile zu ermitteln und Oberflächentexturen hinzuzufügen „hat letztendlich sehr gut funktioniert, und die Teile sehen toll aus“, berichtet Beddoe.
„Durch die Verbesserungen in PreForm war es einfacher, potenzielle Problembereiche zu erkennen. Wir haben auch zusätzliche Strukturen im Inneren des Teils hinzugefügt. Am Ende funktionierte alles perfekt. Wir haben rund 300 Einheiten erfolgreich ausgeliefert, und hatten nur sehr wenige Fehldrucke, wenn überhaupt. Besonders mit dem Form 4/4L nicht.“
Rick Beddoe, leitender Ingenieur & Geschäftsführer, Steam Factory Design and Development
Individualisierung ermöglichen
„Einer der größten Vorteile des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, das Design jederzeit zu ändern. Dabei kann es sich um subtile Änderungen handeln, wie das Hinzufügen zusätzlicher interner Merkmale, um die Montage effizienter zu gestalten, oder die Änderung der Textur. Wir können alle Änderungen vornehmen, die der Kunde benötigt, ohne die Fertigung zu unterbrechen.“
Rick Beddoe, leitender Ingenieur & Geschäftsführer, Steam Factory Design and Development
Ein zusätzlicher Vorteil des 3D-Drucks offenbarte sich, als sich die Lieferzeit der Knöpfe für den vRad® Grip erheblich verzögerte. Beddoe konnte das Elektronikbauteil überarbeiten und die Knöpfe mit 3D-Druck fertigen. Er erklärt: „Dadurch konnten wir die Pro-Teil-Kosten erheblich senken und das Erscheinungsbild des Produkts stark verbessern.“
Beim vRad® Grip nutzte das Team die Möglichkeit, Teile individuell anzupassen, voll aus. Die Teile wurden mit einer Teil- und Versionsnummer versehen, sowie mit einem Zitat auf der Unterseite. Außerdem kann der vRad® Grip auch für verschiedene Handgrößen und für Linkshänder produziert werden, worauf viele Unternehmen aufgrund der hohen Werkzeugbaukosten verzichten.
Zuverlässigkeit von Form 4 und anderen Kunstharz-3D-Druckern unabhängig getestet
Der Form 4 von Formlabs erreichte in einer Untersuchung eines unabhängigen, weltweit führenden Produkttesters eine Druckerfolgsrate von 98,7 %. Eine vollständige Beschreibung der Testmethode und die Ergebnisse finden Sie in unserem Whitepaper.
Die Vorteile des Umstiegs auf die Druckerserie Form 4
„Die Geschwindigkeit des Form 4 gegenüber dem Form 3 ist geradezu spektakulär. Obwohl das Bauvolumen nur geringfügig größer ist, war das für den vRad® Grip eine revolutionäre Entwicklung.“
Rick Beddoe, leitender Ingenieur & Geschäftsführer, Steam Factory Design and Development
Das Außengehäuse des vRad® Grip wird mit Formlabs-3D-Druckern gedruckt. Wie Beddoe feststellte, kostet der Druck mit dem Form 4L 25 % weniger als mit dem Form 3L.
Beddoe produzierte den vRad® Grip zunächst auf dem Form 3 und Form 3L. Beim Umstieg auf den Form 4 und später Form 4L stellte er jedoch fest, dass er seinen Durchsatz nicht nur aufgrund der höheren Druckgeschwindigkeit der Technologie Low Force Display™ (LFD), sondern auch aufgrund des größeren Fertigungsvolumens steigern konnte: Der Form 4 hat ein 30 % größeres Fertigungsvolumen als der Form 3+, während der Form 4L ein 13 % größeres Fertigungsvolumen bietet als der Form 3L. Dank dieser Steigerung kann Beddoe mehr Teile in einem Druckauftrag unterbringen, was den Durchsatz deutlich erhöht.
| Drucker | Stückzahl | Druckzeit |
|---|---|---|
| Form 3L | 2 Bausätze | 38 h |
| Form 4L | 3 Bausätze | 9 h |
| Form 4 | 2 Bausätze (kleine Größe) | 4 h 30 min |
Darüber hinaus stellt Beddoe fest, dass „die Tanks des Form 4 die Tanks des Form 3 in den Schatten stellen und länger halten“. Er hat auch den Eindruck, dass die MSLA-Technologie (maskierte Stereolithografie) des Form 4 robuster ist als die des Form 3, da der Drucker weniger bewegliche Teile und damit weniger mögliche Fehlerquellen beinhaltet.
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Niedrigere Kosten und feineres Oberflächenfinish mit neuen Harzen
„Die neuen Materialien sind phänomenal. Das neue Clear Resin ist glasklar und sieht nach dem Abschleifen einfach cool aus.“
Rick Beddoe, leitender Ingenieur & Geschäftsführer, Steam Factory Design and Development
Die Markteinführung des Form 4 brachte die Möglichkeit mit sich, Kunstharze zu entwickeln, die für den Druck auf dem neuen Gerät optimiert sind – so etwa die neuen Standard-Kunstharze. Nicht nur ist Clear Resin V5 transparenter und weniger gelb als Clear Resin V4, sondern Beddoe zufolge ist auch Black Resin V5 dunkler als die Vorgängerversion. „Außerdem hat es einen interessanten Glanz, den man sehen kann, wenn das Licht genau richtig darauf fällt. Das verleiht ihm ein viel hochwertigeres Aussehen. Es lässt sich im Form Wash auch leichter reinigen als das V4. Mit V5 brauche ich nicht so viele Stützstrukturen und die Berührungspunkte sind kleiner, was das Ablösen erleichtert.“
Abgesehen von der Ästhetik sind die neuen Standard-Kunstharze ab einem Literpreis von 99 € erhältlich, wobei bei Großbestellungen zusätzliche Rabatte möglich sind. Das macht die Fertigung auf den 3D-Druckern der Form-4-Serie mit den neuen Harzen wesentlich kosteneffizienter.
„Die Druckteile kosten beim Druck auf dem Form 4L 25 % weniger, als wenn wir auf dem Form 3L drucken. Das liegt an den niedrigeren Materialkosten in Kombination mit schnellerem Druck.“
Rick Beddoe, leitender Ingenieur & Geschäftsführer, Steam Factory Design and Development
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Die Skalierung des Betriebs
Nun, da die Produktion des vRad® Grip bei Steam Factory zuverlässig läuft, möchte vRad® weitere Funktionen hinzufügen. Mit 3D-Druck ist dies im Vergleich zum Spritzgießen ein Kinderspiel. Beddoe erzählt: „Wir können ohne jegliche Unterbrechung zusätzliche Knöpfe, Lichter oder andere Funktionen integrieren.“
Neben der Weiterentwicklung des vRad® Grip ist Beddoe dabei, den Betrieb von Steam Factory zu vergrößern. Er eröffnet einen neuen Standort in der Nähe des Twin-Cities-Campus der University of Minnesota, um 3D-Druck-Services, Seminare und Kurse für Studierende und Forschende anzubieten.
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