Rapid Manufacturing

 

Die Herstellung von Bauteile ist seit einigen Jahren um ein Produktionsverfahren reicher. Die schnelle und flexible Produktion von einbaufähigen Endprodukten mittels additver Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck bezeichnet man als Rapid Manufacturing. Völlig neue Konstruktionsvarianten sollen damit möglich sein und das Verfahren so neben den konventionellen Prozessen etablieren. Doch ist die Technik schon bereit dazu? Welche Vorteile bietet Rapid Manufacturing gegenüber Fräsen, Drehen, etc.? Und was muss man sonst noch beachten? Alles Wichtige steht in diesem Beitrag.

 

Was ist Rapid Manufacturing?

Rapid Manufacturing ist vermutlich die geläufigste Anwendungsform der additiven Herstellung. Damit werden alle Verfahren beschrieben, die in additiver Art und Weise Endbauteile herstellen, die anschließend zu Produkten montiert werden müssen oder in Serien produziert werden können. Endprodukte sind dabei daran zu erkennen, dass sie alle Eigenschaften und Funktionen aufweisen, die im Entwicklungsprozess des Produktes festgelegt wurden, also beispielsweise ohne weitere Nachbearbeitung verbaut werden können. Dafür ist es wesentlich, dass mit Material und Herstellungsverfahren exakt die vorher in der Konstruktion festgelegten mechanisch-physikalischen Eigenschaften erreicht werden können. Kann dies gewährleistet werden, dann kommen die Potenziale dieser Technologie gegenüber konventionellen Produktionsprozessen so richtig zum tragen.

 

Was macht das Potential des Verfahrens aus?

Auf jeden Fall eine höhere Konstruktionsfreiheit. Geometrische und fertigungstechnische Einschränkungen treten in den Hintergrund. Entformungsschrägen sind auf einmal nicht mehr notwendig, Hinterschneidungen sind fast unproblematisch und interne Hohlräume gehören zum Standardrepertoire.

Funktionsintegration macht Bauteile geometrisch komplexer. Einzelteile, Montageaufwände und damit einhergehende Toleranz- und Justageprobleme können so verringert.

Neuartige Konstruktionselemente können in Form von dreidimensionalen Fachwerken als interne Strukturen hergestellt werden. Diese können beliebige Formen annehmen und räumlich kompliziert verschachtelt werden.

Herstellung traditionell nicht oder nur schwer herstellbarer Produkte. Man denke da besonders an eben aufgeführte Fachwerke.

Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Personalisierung von bereits etablierten Produkten. Also das Umsetzen spezieller Kundenwünsche wie z. B. individualisierten Schuhsohlen oder persönliche Armbänder.

 

Welche Anwendungen gibt es?

Mittels Rapid Manufacturing reduzieren einige Unternehmen heute bereits stark ihre Werkzeugkosten, indem teure und nur wenige Male genutzte Werkzeuge mit 3D-Druckern gedruckt werden. Im Flugzeug- und Maschinenbau sowie der Medizintechnik werden Einzelteile und kundenindividuelle Bauteile additiv in kleinen und mittleren Serien gedruckt. Berichten zufolge zieht das wesentlich kürzere Fertigungszeiten und um bis zu 95 % geringere Herstellkosten nach sich. Viele konkrete Beispiele für Rapid Manufacturing liefert die Luft- und Raumfahrt.

Ventilblöcke

Additive Fertigung in Form von Rapid Manufacturing und optimiertes Design führen bei Ventilblöcken für Flugzeuge zu einer erheblichen Gewichtsreduktion von 80 % und einer Absenkung der Druckverluste um 50 %. Zugleich können so direkt zusätzliche Funktionen wie Sensoren, Heizelemente und Kühlkanäle in das Bauteil integriert werden.

Fuel-Connector

Die Optimierung der Konstruktion eines Fuel-Connectors für Flugzeuge bringt eine deutliche Komplexitätsreduktion mit sich. So kann die Anzahl der notwendigen Einzelparts von 14 auf 1 reduziert werden. Die Fertigungsschritte reduzieren sich dabei ebenfalls von 18 auf 5 und die Fertigungskosten sinken um fast 50 %. Übrigens, der Fuel-Connector ist ein doppelwandiges Verbindungsstück für Kraftstoffleitungen im Flugzeug.

 

Vorteile – Nachteile

Vorteile durch Rapid Manufacturing

• komplexeste geometrische Bauteilstrukturen möglich
• Bauteilkomplexität übt fast keinen Einfluss auf Dauer und Kosten der Herstellung aus (bei der konventionellen Fertigung steigen diese mit zunehmender Komplexität exponentiell)
• kosteneffiziente Herstellung von Kleinserien und Einzelteilen
• Produkte sind ohne großen Aufwand individuell (an Kundenwünsche) anpassbar
• relativ geringer Materialeinsatz
• Gewichtsoptimierung und -einsparung
• direkte Integration zusätzlicher Funktionen ins Bauteil

 

Nachteile

• relativ langsame Prozessgeschwindigkeit
• kleine Bauvolumina bei den meisten Anlagen
• geringe Feinheit von Details
• unzureichende Materialeigenschaften und Oberflächengüten
• mangelnde Reproduzierbarkeit und Standardisierung der Anlageneinstellungen
• Materialvielfalt stark anlagenspezifisch

 

Zukunftsaussichten

Rapid Manufacturing ist bereits partiell in der industriellen Fertigung angekommen. Spezielle Anwendungen werden von 3D-Druckern übernommen und bieten dabei völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten. Allerdings gibt es auch noch großes Entwicklungspotential.

Gerade die Großserienfertigung ist durch das Rapid Manufacturing noch relativ unberührt. Als Gründe gelten dabei zu langsame und teure Fertigungsprozesse durch 3D-Drucker. Dies werden jedoch neue und optimierte additive Verfahren in Zukunft ändern. Unternehmen entdecken vermehrt die Vorteile von 3D-Druckern und testen die Verfahren aus. Das widerum resultiert in steigenden Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten mit Bezug zum Rapid Manufacturing.