3D Druckverfahren Rapid Prototyping - das Büro als Fertigungsstätte

Kremer kann mit dem 3D Prototypen-Druckverfahren detailgetreue, auch mehrkomponentige Prototypen in einem Arbeitsschritt herstellen. Ausgehend von den CAD Volumenmodellen der betreffenden Bauteile werden Materialeigenschaftsprofile (z.B. die Shore A oder  D –Härte) klar definierten Bereichen des Volumenmodells zugeordnet. Damit können selbst festhaftende Hart-Weichverbindungen, also Verbundmaterialien, in einem Arbeitsgang hergestellt werden.

Dreidimensionale Prototypen aus verschiedenen Materialien - eine Zeit- und Kostenersparnis

Erst nach Prüfung und Auswahl des passenden Prototyps werden die Erstmuster aus Serienwerkzeug hergestellt. Eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis verbunden mit einem hohen Maß an Flexibilität. Das 3D-Druckverfahren ermöglicht eine schnelle, günstige und äußerst flexible Prototypenherstellung ohne Werkzeuge.

Das Herstellverfahren funktioniert wie ein Tintenstrahldrucker - doch sind die Ergebnisse alles andere als flach.

  • Feine Details durch Auftrag hauchdünner Materialschichten von 16 µm für Wanddicken bis zu 0,6 mm möglich. 
  • Hohe Abbildgenauigkeit von z.B. Materialbezeichnungen, Datumsuhren, Nestkennzeichnungen.
  • Glatte Oberflächen (auch geeignet für das nachträgliche Lackieren).
  • Deformationsgefährdete Geometrien bleiben formstabil (Schlauchstücke, Lippengeometrien etc.).
  • Hart-/Weichkombinationen haften fest aneinander.
  • Unterschiedliche Shore - Härten der Ausgangsmaterialien können beliebig miteinander kombiniert und quasi digital gemischt werden.
  • Maßtoleranzen von 0,1 mm bei den meisten Modellen, allgemein bis 0,3 mm einhaltbar.
  • Vielfältige Materialien von transparent bis blickdicht, von weich und flexibel bis hart und steif.

Anwendungsbeispiel: Gummiformteil für Aluprofil

CAD Modell
3D Animation
Serienteil

Eine bereits existierende Metallplatte sollte zusammen mit den noch zu konstruierenden Gummiformteilen von oben in die Nuten der stranggepressten Profile geschoben werden. Hintergrund ist die Staubabdichtung des Bauraums, der sich durch vier symmetrisch angeordnete Aluprofilsysteme ergibt. Die geometrischen Daten der Platte und der Profile werden vom Kunden zur Verfügung gestellt.

Beim vorgegebenen Montagevorgang der Metallplatte mussten mit den 4 aufgesteckten Formteilen gleichzeitig 12 Nuten verschlossen werden. Da der Montagevorgang den Einsatz von Gleitmittel verbietet, haben wir zunächst die Dichtelemente gegen ein Durchbiegen verstärkt. Für die bessere Montierbarkeit haben wir diese Elemente zudem mit einer Einführschräge versehen – dadurch konnte für das gesamte Formteil eine ausreichende Steifigkeit und für die Montierbarkeit  ein reduzierter Widerstand gegen das trockene Einschieben in die Nuten realisiert werden.

Es wurde ein Gummiformteil von uns konstruiert, das sowohl die 3 Nuten der 4 identischen Systemaluprofile verschließt als auch die Metallplatte aufnehmen konnte.

Die ersten Musterteile konnten in nur 2 Tagen nach Erhalt des Entwicklungsauftrages präsentiert werden. Die Erkenntnisse, die mit den gedruckten Prototypen gewonnen werden konnten, flossen direkt in die Formteilauslegung ein. Ohne nochmalige Prototypen anzufertigen wurde die optimierte Geometrie des Gummiteils ins Serienwerkzeug eingebracht und im Nachgang erfolgreich bemustert.

Anwendungsbeispiel: Kabeltülle

Eine Kabeldurchführungstülle ist an sich kein spektakuläres oder kompliziertes Teil, vielmehr ist es der vielversprechende Weg einer neuen Form der Prototypenherstellung und die spezifischen Produktanforderungen, die an die Tülle gestellt wurden.

Die Prototypen wurden mittels einer Technologie gefertigt, die es erlaubt, dreidimensionale Modelle auch aus mehreren Materialien und mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften zu fertigen ohne Herstellung eines Prototypenwerkzeuges. Eine enorme Zeit- und Kostenersparnis.

In einem einzigen Arbeitsschritt können Teile innerhalb von wenigen Tagen nach Vorlage der 3D-CAD-Daten geschaffen werden, die wie die Endprodukte auch aus unterschiedlich harten oder weichen Materialien bestehen können. So lassen sich z.B. Knickverhalten und Montierbarkeit (eingeschränkt auch Funktionstests) schon  in einem sehr frühen Stadium der Produktentwicklung ausführen. Erst nach Anpassung und Prüfung des geeigneten Prototyps wurden anschließend die Erstmuster aus Serienwerkzeug hergestellt.

Ein vorkonfektioniertes Kabel soll mit einer Kabeltülle versehen und zusammen in ein Aluminiumdruckgussgehäuse montiert werden. Die Tülle wird jedoch nicht durch einen Gehäusedeckel, sondern durch eine Dichtschnur von oben in den Sitz gepresst.

Es stand von vornherein fest, dass die Anschlusselemente des Kabels nicht durch die Bohrung passen werden, die Tülle somit geschlitzt sein müsste.

Dies wiederum stand im Widerspruch zur Forderung, das Gehäuse gegen Spritzwasser abzudichten. Die Schwierigkeit bestand nun darin, die geschlitzte Tülle gerade so zu dimensionieren, dass alle resultierenden Kräfte eine ausreichende Verpressung gegen die Gehäusewand und das Kabel ausüben und eine Deformation der geschlitzten Kabeltülle vermieden werden musste.

Eine Standard-Kabeltülle konnte also nicht verwendet werden. Eine Gratwanderung, die hohe Ansprüche an Entwicklung und Technik stellte.

Anwendungsbeispiel: TPE-Schutzkappe

Der Faltenschlauch der Schutzkappe sollte sich um 90° zur Ausgangsstellung nach oben biegen lassen. Unser Kunde ließ sich zu Demonstrationszwecken ein Stereolithografieteil herstellen, um daran die Funktionsweise der Schutzkappe zu erläutern.

Wir stellten nach uns vorliegenden CAD-Daten einen gedruckten Prototypen aus 60 Shore A weichem Material her.

Im Gegensatz zum Stereolithografieteil ließ unser Prototyp sofort erkennen, dass die Anzahl der Falten nicht ausreichen würde, um die Biegung von 90° ohne Kollision mit den Falten vornehmen zu können.

Daraufhin wurde die Konstruktion der Schutzkappe um 2 zusätzliche Falten ergänzt. Die Anschlussmaße blieben dabei unverändert. Mit dem korrigierten Datensatz wurden nochmals Prototypen hergestellt, die die Erwartungen unseres Kunden erfüllten und Grundlage für die Serienteile waren.

Bei diesem Teil überzeugte die Weichheit und Flexibilität des Materials und die formgetreue Wiedergabe der Geometrie.

Anwendungsbeispiel: Zwei-Komponenten-Kugelkabeltülle

Die gummieleastische Komponente soll aus einem thermoplastischen Elastomer (kurz TPE), die Lagerkugel als Hartkomponente aus einem PA-GK 30 in einem klassisch rotierenden 2K-Werkzeug hergestellt werden. Die gummielastische Komponente dient als Knickschutz.

In der Konstruktionsphase wurde das Knickverhalten der elastischen Kabeltülle als kritisch betrachtet. Eine zu steife Kabeltülle würde den Handwerker beim Bedienen der Werkzeugmaschine behindern, eine zu weiche Tülle ließe das Strom führende Kabel zu früh ermüden.

Trotz ausreichend guter Erfahrungen mit den von uns gelieferten Knickschutztüllen  aus W-PVC konnte die Geometrie nicht auf die neuartige Kugelkabeltülle übertragen werden. Vielmehr sollten Prototypen Aufschluss über die funktionsgerechte Auslegung des Bauteils geben.

Dank der gedruckten Prototypen konnte die Knickanfälligkeit der späteren Serienteile sehr gut vorhergesagt werden. Die notwendigen Wanddickenkorrekturen  mussten lediglich am CAD-Rechner vorgenommen und der optimierte Datensatz dem Serienwerkzeugbau zu Grunde gelegt werden.

Der Vergleich der Prototypen mit den Serienteilen überzeugte: Das Einsparpotential von ca. EUR 5.000.- gegenüber den Kosten eines herkömmlichen Pilotmusterwerkzeuges letztlich auch.

Anwendungsbeispiel: Glasauflageprofil

Eine kleine Maßänderung des Alu-Strangprofils führte bei einem Wintergartenhersteller zu unerwartenden Montageschwierigkeiten des gelieferten EPDM - Glasauflageprofils. Wir sollten durch eine gezielte Anpassung des Fuß- und Klemmbereichs des  Glasauflageprofils an das Aluprofil eine problemlose Montage und Stabilität gewährleisten. Größtes Problem: der Zeitdruck.

In diesem Fall haben wir den CAD-Datensatz des Glasauflageprofils angepasst und einen 20cm langen und 60 Shore A weichen Profilabschnitt im Prototypen-Druckverfahren hergestellt. So konnten wir die Montierbarkeit und die Funktionalität des Toleranz ausgleichenden Fuß- und Klemmbereichs analysieren.

Drei Tage nach Korrektur der CAD-Daten lagen die Ergebnisse vor. Die durch die Prüfung des Prototyps erlangten Kenntnisse konnten für den Bau des Extrusionswerkzeuges verwendet werden. Die gedruckten Prototypen beschleunigten das Ergebnis. Dabei lag Schnelligkeit ganz klar im Fokus unseres Kunden.

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