3D-Druck im Werkzeug- und Formenbau

[Blogtitel] 3D-Druck im Werkzeug- und Formenbau [Beschreibung]Der Artikel gibt einen allgmeinen Überblick über das Thema 3D-Druck, den Nutzen und mögliche Anwendungsszenarien im Werkzeug- und Formenbau. [Bildquelle] istock 27946616 Das Bild zeigt einen 3D-Drucker, der eine Tasse ausdruckt
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Der 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren, das zunehmend mehr als komplementäre Technologie zu bestehenden Fertigungsverfahren wie u.a. Fräsen, Erodieren und Schleifen in den Werkzeug- und Formenbau einzieht. 

Übersicht 3D-Druck

Die additive oder auch generative Technologie, alternativ auch unter dem Namen 3D-Druck oder Rapid Prototyping bekannt, hat Ihren Ursprung im Prototypen- oder Musterbau. In der Vergangenheit dienten die Muster als Basis, um die Erstellung des Werkzeugs für den späteren Spritzguss zu optimieren.

Heute verfügen durch generative Technologie erzeugte Werkstücke so gute Eigenschaften in Bezug auf Oberflächengüte und mechanischen Fähigkeiten, dass diese durchaus als Endprodukt verwendet werden können. Mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich komplexe Geometrien wie

  • Freiformflächen,
  • Hinterschnitte und
  • innen liegende Hohlräume

bestens herstellen.

In der Industrie hat sich die Technologie in den letzten Jahren Ihren festen Platz gesichert. Des Weiteren ist es bemerkenswert, dass die Technologie zunehmend beim Endverbraucher ankommt. Allerdings wird die komplette industrielle Produktion vor große Herausforderungen gestellt. An dieser Stelle gibt es noch nicht gelöste Fragen, wie beispielsweise das Urheberrecht oder auch die Produkthaftung.

Technologische Verfahren

Bei den generativen Technologien werden schichtweise Materialen hinzugefügt. Im Gegensatz dazu wird bei den subtraktiven Fertigungsverfahren wie dem Bohren, Fräsen oder auch Drehen Material schichtweise abgetragen. Man unterscheidet zwei grundsätzliche Druckverfahren:

  • die Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) und
  • das pulverbasierte Laserschmelzen (Selectiv Laser Melting, SLM).

Bei der Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) wird Kunststoff mittels einer beheizten Düse geschmolzen und geometrisch schichtweise exakt aufgetragen. Beim pulverbasierten Laserschmelzen (Selectiv Laser Melting, SLM) wird ein Pulver auf einer Arbeitsfläche dünn aufgetragen.

Mit einem starken Laser wird dieses dann punktgenau zum Schmelzen gebracht. Anschließend wird das Bauteil abgesenkt und erneut eine dünne Schicht Pulver aufgetragen. So entsteht in wenigen Stunden schichtweise das neue Werkstück. Der Vorteil des Laserverfahrens liegt darin, dass nicht nur Kunststoffe, sondern auch Metalle verarbeitet werden können.

Werkzeug- und Formenbau heute

Um ein Kunststoffteil zu produzieren wird ein Spritzgußwerkzeug benötigt. In dieses wird dann flüssiger Kunststoff eingespritzt. Nach einem kurzen Erkalten fällt dann das fertige Kunststoffteil aus der Form. Diesen Vorgang kann man fast beliebig oft wiederholen und es können effizient hunderttausende von Kunststoffteilen gefertigt werden.

Der Prozess der Erstellung der Spritzgußform ist allerdings ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Dazu wird zunächst im CAD-Bereich das Modell erzeugt. Anschließend wird in der CAM-Abteilung das NC-Programm erstellt. In der Fertigung werden dann Elektroden gefräst und das Werkzeug erodiert.

Möchte man allerdings schnell einen ersten Prototypen oder eine Kleinserie produzieren, ist der oben genannte Prozess oft zu aufwendig. Hier stellt dann der 3D-Druck eine sinnvolle Ergänzung dar.

Herausforderung Automatisierung

Wirft man einen Blick in die die Fertigung eines Industrieunternehmens, so wird man häufig feststellen, dass die Abläufe von einem zum nächsten Prozessschritt oft durch Roboter bzw. Handlingsysteme automatisiert sind. Beim aktuellen Stand der Technik ist bei den generativen Technologien immer noch ein großer Anteil an manueller Arbeit notwendig. Somit stellt diese Technologie aktuell einen Bruch in der Prozesskette dar.

Eine Automatisierung wie beispielsweise bei einer Spritzgussmaschine ist noch nicht erreicht. Die additive Fertigung hatte in der Vergangenheit nicht den Fokus auf Automatisierung. Vielmehr ging es um das schnelle und flexible Erstellen eines Prototypen.

Sobald nun aber mittels 3D-Druck Stückzahlen größer eins gefertigt werden sollen, werden die Themen Automatisierung und Prozessintegration auf die Agenda rücken. Das wird dann der Fall sein, wenn die additiv zu produzierenden Bauteilen noch mit anderen Fertigungstechnologien kombiniert werden müssen.

Ausblick Industrie 4.0

Mit Blick auf Industrie 4.0 werden die additiven Technologien zunehmend interessant. Ging es in den letzten Jahren in der industriellen Fertigung eher um Themen wie Prozessoptimierung und Standardisierung, rücken Themen wie Individualisierung und Flexibilität im Zeitalter von Industrie 4.0 in den Mittelpunkt.

Da keine speziellen Werkzeuge oder Formen benötigt werden, spart das Zeit und Kosten. Gerade in Zeiten, in denen die

  • Produkte immer komplexer werden,
  • Produktvarianten steigen,
  • Produktzyklen immer kürzer werden und
  • Endverbraucher immer stärker die Produkte individualisieren möchten,

werden die additiven Technologien Ihren erfolgreich eingeschlagenen Weg fortsetzen.

Bereits heute gibt es Studien die aussagen, das eine Produktion von bis zu 500 Teilen mit dem 3D-Druck kostengünstiger sind, als diese mit dem Spritzgußverfahren herzustellen. Dadurch, dass diese Technologie nicht nur den herstellenden Unternehmen vorbehalten ist, sondern schrittweise auch beim Endverbraucher Einzug hält, wird die Entwicklung in einem rasanten Tempo fortschreiten. Als Folge dürfen wir auf die weiteren Entwicklungen sehr gespannt sein.

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//Analyst//Blogger//Keynote Speaker// zu den Fokusthemen #Industrie40, #IoT und #Digitalisierung. Herzlich willkommen auf meinem Ingenieurversteher-Blog. Hier schreibt ein echter, aber nicht ein typischer Ingenieur. Nach einer soliden Ausbildung bei Siemens zum Feinmechaniker habe ich das Abitur nachgeholt und Maschinenbau studiert. Der Schwerpunkt Informatik im Hauptstudium war wohl der ausschlaggebende Grund, dass es mich in die Software-Industrie gezogen hat wo ich heute noch immer aktiv unterwegs bin. Für die Funktionen Vertrieb, Marketing und Produktmanagement habe ich mich meine Leidenschaft entdeckt – sicherlich nicht immer typisch für einen Ingenieur. Im Rahmen meiner Diplomarbeit haben mich Themen wie „Computer Integrated Manufacturing (CIM)“ beschäftigt. Viele Aspekte sind davon heute umgesetzt. Mit der Digitalisierung unserer Gesellschaft allgemein sowie dem Einzug des Internets in die Produktion stehen wir vor großen Herausforderungen, die uns langfristig intensiv beschäftigen werden. Der klassische Ingenieur wird nun mit völlig neuen Themengebieten konfrontiert. Das war u.a. die Motivation für diesen Blog, die Themenbereiche Industrie 4.0 und Digitalisierung aufzugreifen und regelmäßig darüber zu schreiben – leicht verständlich und nicht technisch tief. Gerade aus diesem Zusammenhang hat sich die Marke „Ingenieurversteher“ entwickelt. Ingenieure sind in der Regel Künstler mit einem sehr tiefen technischen Verständnis. Oft sind sie allerdings nicht in der Lage, technisch komplexe Zusammenhänge leicht verständlich einer Zielgruppe zu vermitteln, die nicht über dieses tiefe technische Wissen verfügt. Um Ideen und Innovationen zu vermarkten, müssen diese in eine leicht verständliche Sprache übersetzt werden. Mit einer Vorliebe für analytisches und strukturiertes Recherchieren , der Leidenschaft für das Schreiben und der Freude am Präsentieren ist die Idee vom „Ingenieurversteher“ entstanden.

5 Kommentare

  1. Interessant zu erfahren, dass Rapid Prototyping ein anderer Name für den 3D-Druck ist. Bei diesen neuen Techniken und Bezeichnungen kommt man kaum mehr hinter her. Ein erweiterter Bekannter ist Künstler und seine Kunst basiert auf den Produktion eines 3D-Druckers. Neulich waren wir auf seiner Ausstellung und ich war wirklich beeindruckt, was mit diesen 3D-Druckern und Scannern heute alles möglich ist.

  2. Hallo Andreas, ich bin ganz deiner Meinung! Das Thema CAD ist wohl vergleichbar mit dem Thema Photoshop: Großartig, wenn man es beherrscht, aber als Neuling zu komplex es zu verstehen. Da ist viel Ausbildung, auch in Eigenregie gefragt.
    Lass mich gerne in der Infoschleife, dafür bin ich ja hier auf deiner Seite. Um mich auszutauschen mit Dir und anderen!
    Ich freue mich auf zukünftige Diskussionen! Beste Grüße Phillip

  3. Hallo Phillip, vielen Dank für Deinen Kommentar. Ja, in der Tat ist das Thema spannend. Das Thema ist auf der einen Seite sicherlich spannend für den Consumerbereich. Allerdings steckt ein wenig mehr Technologie im Hintergrund, als beim „normalen“ Drucken. Objekte laden und drucken bekommt der einfache Anwender auf jeden Fall hin. Sobald es aber anfängt, vielleicht bestehende Produkte 3D-zu-scannen oder Modelle im CAD nachzubearbeiten, wird es schon schwieriger bzw. wissensintensiver. Ich bin auf die weitere Entwicklung gespannt. Im Business-Bereich werden wir große Entwicklungen sehen. Meine Branche, auf die ich den primären Fokus habe, der Werkzeug- und Formenbau, entdeckt schrittweise gerade das Thema und einige Firmen beschäftigen sich mit dem Thema oder investieren bereits. 3D-Druck ist hier eine hervorragende, komplementäre Technologie zu den bestehenden Fertigungsverfahren. Gerne lasse ich Dich hier in der Infoschleife, wenn es Dich interessiert. Viele Grüsse Andreas

  4. Mir gefällt der Artikel sehr gut, vielen Dank!

    Die Entwicklung ist wirklich sehr spannend und vielversprechend für die Zukunft. Ich sehe ganz neue Horizonte, die durch Kreativität, vor allem im Endverbraucherbereich, erschlossen werden können.

    Wobei der gewisse „Hype“ im Endverbraucherbereich wohl gerade abzuflachen beginnt und eine gewisse Anpassung der Erwartungshaltung geschieht. Im industriellen Bereich stehen die Ampeln, vor allem für deutsche Unternehmen, wie Concept Laser, EOS oder SLM Solutions, auf grün und dürften es noch einige Zeit bleiben. Aber auch StartUps sind gerade sehr aktiv dabei, sich für zukünftige Entwicklungen wie z.B. Automatisierung zu positionieren.

    Speziell im Bereich der Softwareentwicklung wird es zukünftig spannende Dinge geben. Ganz konkret: Derzeit muss ein erheblicher Aufwand betrieben werden, um gescannte Objekte digital nachzuarbeiten, bevor sie gedruckt werden können. Von mehreren Stunden bis mehreren Tagen ist die Rede, da die Datenwolke zu unsauber ist und die 3D-Druckverfahren Grenzen der Auflösung setzen. Software kann da mit cleveren Algorithmen viel zur Zeit- und Kostenersparnis und zu einer gewissen Automatisierung beitragen. So sehen viele Leute nicht welchen Herausforderungen sich 3D-Druckdienstleister und insbesondere die 3D-Figurenhersteller ausgesetzt sind und wie ein Preis zustande kommt. Es ist eine Art Handwerk.

    Ich wünsche mir, dass die Entwicklung im 3D-Druck so weiter geht!

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