3D-Druck schafft Effizienzsteigerungen im Spritzgussverfahren
In der Welt der Kunststoffverarbeitung gab es bisher eine klare Grenze zwischen 3D-gedruckten Teilen und spritzgegossenen Kunststoffteilen.
In den letzten Jahren hat sich diese Grenze jedoch verwischt, da immer mehr Spritzgießer nicht nur den Wert des 3D-Drucks für die Prototypenentwicklung oder Kleinserien erkennen, sondern auch, um Effizienzen in ihren eigenen Fertigungsprozessen zu schaffen. Während der Einsatz von 3D-Druck zur Optimierung der Spritzguss-Ergebnisse nicht immer gängige Praxis ist, haben die vorausschauenden Ingenieure von PCI Bereiche identifiziert, in denen additives Formen eine bedeutende Rolle zur Verbesserung der Maschinenfunktionalität spielt.
Bevor wir in die Details dieser innovativen Methoden eintauchen, gebe ich einen Überblick über die wichtigsten Unterschiede zwischen 3D-Druck und Spritzguss.
Der 3D-Druck ist ein additives Verfahren, bei dem Teile, meist aus Kunststoff, schichtweise mit verschiedenen Methoden aufgebaut werden. Dieser Prozess kann in Echtzeit verfolgt werden, was während der Entwicklung von Prototypen und der Teilequalifizierung häufig nützlich ist.
Der 3D-Druck wird am häufigsten eingesetzt für:
- Schnelle Fertigung: Von wenigen Stunden für ein Einzelteil bis zu Tagen/Wochen für eine kleine Stückzahl
- Kleinserienfertigung (von <100 bis zu Tausenden von Teilen)
- Konstruktionen, die noch nicht final sind und häufig geändert oder angepasst werden müssen
- Kleine Teile oder Komponenten, die sonst schwierig herzustellen wären
Beim Spritzgießen werden Stahl- oder Aluminiumformen verwendet, in die geschmolzenes Kunststoffmaterial eingespritzt und anschließend abgekühlt wird, bis das fertige Teil vorliegt.
Spritzguss eignet sich am besten für:
- Längere Durchlaufzeiten (5 Wochen oder mehr)
- Großserienfertigung (über 1.000 Teile)
- Teile, die bereits im Prototyping-Prozess qualifiziert und getestet wurden
- Teile jeder Größe
- Jeden Komplexitätsgrad
Erfahren Sie alle Schritte im Spritzgussprozess – vom Design bis zur Produktion – in unserem Spritzguss 101 Leitfaden.
Während Spritzguss das vorherrschende Verfahren in den PCI-Produktionsstätten ist, arbeitet das Team mit Prototypenform-Partnern zusammen, um Komponenten zu entwickeln, die getestet, vermarktet oder für kurzfristige oder Kleinserienbedarfe genutzt werden können. Zusätzlich hat das PCI-Ingenieurteam eine Reihe von Bereichen identifiziert, in denen der gezielte Einsatz von internem 3D-Druck die Effizienz von Prozessen und die Maschinenfunktionalität im Unternehmen verbessern kann.
Ich hatte die Gelegenheit, mich mit Engineering Manager Kurt Behrendt zusammenzusetzen und darüber zu sprechen, wie PCI innovative 3D-Druck-Methoden einsetzt.
F. Wann hat PCI begonnen, 3D-Druck zur Unterstützung der Geschäftsprozesse einzusetzen?
A. PCI verfügt seit 2009 über 3D-Druckkapazitäten. Im Jahr 2019 wurden diese Fähigkeiten durch den Kauf eines MarkForged Mark Two 3D-Druckers erweitert.
F. Welche sind die Hauptvorteile und Möglichkeiten des 3D-Drucks?
A. -Die Möglichkeit, schnell und kostengünstig Mustermuster (Proof of Concept) herzustellen
-Die Fähigkeit, Ideen bzw. Designs hinsichtlich Herstellbarkeit zu testen
-Die Möglichkeit zur Herstellung von Vorrichtungen, Halterungen, Kupplungsmechanismen und sogar Isolierblöcken zur Unterstützung verschiedener Mess- und Fertigungsanforderungen
F. Welche sind die wichtigsten Einschränkungen?
A. Der MarkForged Mark Two Drucker deckt viele unserer Anforderungen ab; ist jedoch als Lösung für die additive Fertigung begrenzt. PCI arbeitet mit bewährten Dienstleistern zusammen, um den Bedarf an Kleinserienfertigung durch additive Verfahren zu erfüllen.
F. Wie sieht es mit den Materialeigenschaften und -einschränkungen beim 3D-Druck aus?
A. Der MarkForged Mark Two druckt mit Onyx (Nylon) Harz. Zusätzlich kann er Fasern (Kohlefaser, Kevlar, Glas) mit verschiedenen Verwebungstechniken in das Onyx-Material einbringen, wodurch die Funktionalität verbessert wird. Das ermöglicht unseren Ingenieuren, kreative Lösungen zu entwickeln, wenn andere 3D-Druckverfahren z.B. durch Anforderungen an Festigkeit, Verschleiß oder Temperatur eingeschränkt wären.
F. Auf welche spezifischen Weisen bzw. in welchen Projekten hat PCI den 3D-Druck bereits praktisch eingesetzt?
A. Viele unserer Kunden verfügen bereits über eigene 3D-Druck-Fähigkeiten. Dennoch drucken wir weiterhin Proof-of-Concept-Muster für Teile- und Formendesign-Überprüfungen, aber der 3D-Druck erfüllt noch zahlreiche weitere Anwendungen, darunter: Automatisierungskonzepte, Qualitätsplanung, Messvorrichtungen, Isolierblöcke, Kupplungen usw.
Seitdem wir den Mark Two angeschafft haben, wird der 3D-Druck mit seinen strukturellen Netztechniken nun eingesetzt, um eine Reihe unserer Aufnahmen für die Teilemessung in unserer CMM und anderen Messgeräten herzustellen. Durch die Fixierung der Teile wird dabei eine höhere Genauigkeit und verbesserte GR&R-Ergebnisse erzielt.
Der 3D-Druck wird außerdem für Greifwerkzeuge bei Roboteranwendungen verwendet. Wir können passgenaue Teilehalter, Isolierblöcke und sogar Kupplungen schnell und kosteneffizient drucken. Ein aktuelles Beispiel ist ein 3D-gedruckter Block, der ausreichend Isolierung von einer 300°F heißen Werkzeugoberfläche bot, sodass unsere Ingenieure in der Lage waren, robustere Sensoren mit niedrigerem Temperaturbereich zu spezifizieren.
F. Setzen Sie den 3D-Druck auch ein, um Effizienzsteigerungen bei der Teileproduktion für Kunden zu erzielen?
A. Ja, das ist jedoch am effektivsten, wenn es frühzeitig im DFM-Prozess geschieht. Im Design-for-Manufacturing-Prozess druckt PCI oft Muster mit alternativer Geometrie, damit Kunden diese für ihre Anwendungen in Erwägung ziehen können. Diese Muster führen während der gesamten Programmlaufzeit zu Produktionseffizienzen (einfachere, robustere Werkzeuge, kürzere Zykluszeiten und/oder verbesserte Qualitätsmerkmale). Nach meiner Erfahrung führen iterative und kooperative Designs schon vor Beginn der Serienproduktion häufig zu den größten Effizienzsteigerungen.
F. Wie könnte der 3D-Druck zukünftig noch stärker in Ihre Prozesse integriert werden?
A. Der 3D-Druck hat sich in den letzten fünf Jahren enorm weiterentwickelt und unterstützt mittlerweile auf kosteneffiziente Weise eine Vielzahl von Materialien und Anwendungen durch additive Fertigung. PCI kann diesen Bedarf bereits durch einen Lösungsanbieter abdecken, aber das Potenzial ist vorhanden, selbst in additive Fertigung zu investieren, sofern ein entsprechender Marktbedarf erkennbar ist.
F. Warum ist es wichtig, mit einem Spritzgießer zusammenzuarbeiten, der ein gutes Verständnis der 3D-Druck-Möglichkeiten hat?
A. Unsere Erfahrung bei PCI zeigt, dass der 3D-Druck die Ideenfindung fördert, indem er die Preis- und Lieferzeitbeschränkungen anderer Fertigungsverfahren aufbricht. Zum Beispiel stellt unser Team jetzt Qualitätsprüfvorrichtungen zum Zehntel der Kosten von gefrästen Aluminium-Vorrichtungen her, und diese sind innerhalb eines Tages verfügbar. Falls die Vorrichtung weitere Nacharbeit benötigt, können wir das Design einfach ändern und eine neue drucken – ebenfalls wieder innerhalb eines Tages. Diese Geschwindigkeit und Flexibilität ermöglicht es unseren Ingenieuren, Konzepte schnell zu iterieren, ohne sich um die Kosten zu sorgen. Auch wenn dieses Beispiel speziell Messvorrichtungen betrifft, unterstützt dieser ungebremste Überprüfungsprozess Ingenieure dabei, Herausforderungen im Teile- und Werkzeugdesign sowie in der Robotik für unsere Kunden zu lösen.
Möchten Sie mehr über den Einsatz von 3D-Druck bei PCI zur Verbesserung von Fertigungsprozessen erfahren? Oder wie diese Ressource Ihr Anliegen nach komplexen, hochwertigen Kunststoffteilen unterstützen kann? Kontaktieren Sie noch heute unser erfahrenes Team aus Kunststoffingenieuren.
