Additive Fertigung Wie 3D-Druck Kosten und Zeit im Leichtbau spart

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Die Entwicklung von Verbundwerkstoffen für Leichtbaulösungen kann sehr aufwendig, zeitintensiv und teuer sein. Das Unternehmen Igestek hat nun einen Weg gefunden, wie das schneller und unkomplizierter geht. Der 3D-Druck dabei eine bedeutende Rolle.

Verbundwerkstoffkomponenten sind ein wichtiger Bestandteil von Leichtbaulösungen und ermöglichen Automobilzulieferern und Erstausrüstern die Fertigung von Teilen für hochwertige Fahrzeuge. Doch die Entwicklung solcher Komponenten erfordert teilweise sehr komplexe Geometrien, außerdem werden oft spezielle Werkzeuge zur Herstellung und Integration einzelner Teile benötigt. Das ist mit den traditionellen, zerspanenden Verfahren nicht nur sehr aufwendig, sondern kostet auch viel Zeit und Geld, insbesondere wenn es sich um Einzelstücke oder Prototypen handelt. Das Unternehmen Igestek mit Sitz in Bilbao, Spanien, entwickelt und integriert verschiedene hybride Verarbeitungstechniken zur Herstellung von Verbundwerkstoffkomponenten und kennt diese Herausforderungen sehr gut. Daher setzt das Team auf den 3D-Druck.

Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des 3D-Druckers

Von der konzeptionellen Entwurfsphase über das Prototyping bis hin zum fertigen Verbundwerkstoffteil – Igestek setzt den 3D-Drucker im gesamten Produktentwicklungsprozess ein. So nutzt das Team den 3D-Drucker nicht nur zur Entwicklung von Prototypen, sondern auch zur Produktion einzelner Formeinsätze für Spritzgussteile aus Kunststoffen und speziellen Werkzeugen mittels Rapid Tooling. Dazu zählen etwa Einsätze für Kunststoffspritzgussformen oder Thermoformwerkzeuge, die für die Integration und Herstellung von Verbundwerkstoffteile benötigt werden.

Mithilfe des 3D-Drucks konnte das Team bereits viele Projekte mit komplexen Geometrien schnell und einfach umsetzen und die Montage- und Kinematik-Prozesse mit funktionalen Prototypen validieren, ohne in teure Werkzeuge zu investieren.

Eine 3D-gedruckte Aufhängung für Stoßdämpfer

Zu einem der jüngsten innovativen Projekte gehört die Befestigung eines Stoßdämpfers als Teil der Radaufhängung. Diese Komponenten sind Teil der Aufhängung eines Fahrzeugs und sollen die durch das Rollen eines Autos erzeugten Vibrationen reduzieren, um den Komfort für die Fahrenden zu verbessern.

Die Aufhängung wurde zunächst in einer CAD-Software entwickelt, die basierend auf einer Menge an Anforderungen verschiedene Lösungen zur Verfügung stellte. Die STL oder OBJ-Datei wurde dann in eine Software zur Druckvorbereitung importiert, damit der 3D-Drucker die Informationen verarbeiten kann.

Bildergalerie

Im nächsten Schritt druckte das Team von Igestek die vielversprechendsten Entwürfe direkt vor Ort auf ihrem großformatigen Stereolithographie-3D-Drucker, um die Geometrie zu validieren. Dank des großen Konstruktionsvolumens druckte das Team dabei bis zu drei unterschiedliche Iterationen gleichzeitig. Das Druckmaterial bildet verschiedene Kunstharze. Diese befinden sich in Kartuschen und können flexibel ausgetauscht werden. Beim Druck fließt das flüssige Kunstharz in einen Tank und wird dort anschließend mit UV-Strahlen gehärtet. Zu Beginn des Drucks fährt eine Druckplattform herunter, bis sie mit dem Kunstharz abschließt. Anschließend härtet der Laser Schicht für Schicht das Produkt. In diesem Prozess taucht die unterste Schicht immer wieder in das flüssige Kunstharz ein, sodass ein nahtloser Druck möglich ist.

Das Endergebnis: Eine Aufhängung für Stoßdämpfer, bestehend aus metallischen 3D-Drucken in Kombination mit leichteren Verbundwerkstoffen. Die Aufhängung war damit 40 Prozent leichter als die aktuellen Lösungen auf dem Markt. Hinzu kommt, dass diese Komponente am Ende auch mehr Komfort für die Fahrenden bieten soll.

Dank Rapid Tooling zum Tiefziehwerkzeug

Bei Igestek wird der 3D-Drucker auch zur Herstellung von Werkzeugen für die Produktion von Verbundwerkstoffteilen, wie beim Tiefziehen von Prepreg-Teilen aus Kohlenstofffasern eingesetzt. Die Werkzeuge müssen, insbesondere wenn mit Thermoformtechnologien gearbeitet wird, fest und hitzebeständig sein. Denn dabei wird ein hoher Druck bei gleichzeitig hohen Temperaturen, normalerweise 180 oder 200°C, zum Formen der Verbundstoffteile verwendet.

Präzisionsmaschine

3D-Druck-System soll Werkstoffe für die additive Fertigung entwickeln

Kürzlich entwickelten die Ingenieure ein Werkzeug zur Herstellung von Verbundrohren. Dafür verwendete es ein besonders stabiles, mit Glas gefülltes Kunstharz, um die Stützpfeiler der Vorrichtung anzufertigen. Mit einem wärmebeständigen Harz stellten sie die Klemmen her, die hohen Temperaturen und Luftdruck standhalten müssen. Ein Draft Resin wurde verwendet, um die Endkappen für das Werkzeug herzustellen. Ohne 3D-Drucker müsste das Team solche Werkzeuge aus Metall herstellen, was mehr Zeit in Anspruch nehmen und oft teurer wäre.

Die schnelle und einfache Herstellung von Formeinsätzen

Früher musste das Igestek-Team Formeinsätze für Spritzgussteile aus Aluminium und Stahl anfertigen – einfach Teile wurden zwar inhouse gefertigt, aber komplexere Formen mussten extern hergestellt werden. Das führte oft zu hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten. Heute kann das Team dank 3D-Drucker die Formeinstätze schnell und einfach additiv fertigen.

Bei einem Spritzgussformeinsatz für die Herstellung einer Komponente für die Außenverkleidung eines Autos konnte das Team mithilfe des 3D-Druckers die Kosten und die Vorlaufzeit auf weniger als ein Drittel der ursprünglichen Kosten reduzieren. Für ein Spritzgussformeinsatz aus zerspantem Metall zahlte das Team 1.000 Euro bei einer Durchlaufzeit von 30 Stunden. Mittlerweile sind es für einen 3D-gedruckten Spritzgussformeinsatz nur noch 300 Euro bei einer Durchlaufzeit von zehn Stunden.

Das Ergebnis: ein Formeinsatz aus zwei Kavitäten. Eine Kavität mit einem Metalleinsatz und die andere Kavität mit einem maßgefertigten 3D-gedruckten Einsatz, der das Negativ des Designs enthält. Für das Prototyping ist dies ideal, weil das Team die 3D-gedruckten Einsätze leicht austauschen und verschiedene Iterationen schnell testen kann.

Die Anzahl der Formteile, die mit einem 3D-gedruckten Einsatz hergestellt werden können, hängt hauptsächlich von drei Faktoren ab: dem Spritzgussmaterial, dem Einspritzsystem und den Parametern des Spritzgussverfahrens.

Igestek arbeitet weiterhin an neuen Innovationen mit dem 3D-Druck und will die Grenzen des 3D-Drucks für zukünftige Projekte erweitern. Zu den nächsten Projekten gehören die Entwicklung von Tiefziehwerkzeugen in großem Maßstab und das Experimentieren mit anderen Materialien, die neuen Möglichkeiten für den Werkzeugbau bieten.

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