Additive Fertigung für die Serienproduktion: Einblicke aus CalBench X

Insight in Brief

Dieser Artikel befasst sich mit den folgenden Themen:

• Ergonomie: Die additive Fertigung ermöglicht komplexe, leichte Geometrien, die die Benutzerfreundlichkeit und Zugänglichkeit verbessern.
• Funktionsintegration: Die Designfreiheit der additiven Fertigung erlaubt es, mehrere Funktionen in einzelne Komponenten zu integrieren.
• Quer-Kompatibilität: Die additive Fertigung überbrückt Kompatibilitätslücken zwischen verschiedenen Systemen durch einfach herzustellende Adapterteile.
• Schnelle Modifikation: Die additive Fertigung ermöglicht kosteneffiziente und schnelle Konstruktionsänderungen, ohne dass teure Werkzeugänderungen erforderlich sind.
• Individualisierung: Die additive Fertigung ermöglicht massgeschneiderte Teile mit minimaler zusätzlicher Komplexität.

Einführung

Die additive Fertigung bietet viele Vorteile, die IMT mit grossem Erfolg in seinem Design- und Entwicklungsprozess einsetzt. Schnellere Übergänge vom Prototyping zur Produktion und einfachere Design-Iterationen reduzieren Risiken und verbessern die Produktentwicklung mit 3D-Druck.

Mit der prodartis AG als kompetentem Partner kann die IMT die Vorteile der additiven Fertigung voll ausschöpfen. Diese Zusammenarbeit ermöglicht optimierte Prozesse und eine verbesserte Integration von AM-Technologien in den verschiedenen Phasen der Produktion.

Neben dem Rapid Prototyping während der Entwicklung bietet AM auch viele überzeugende Vorteile, die es für die Serienproduktion interessant machen. Da keine Werkzeuge gefertigt werden müssen, bietet es kürzere Produktionszeiten und ermöglicht so einen schnelleren Markteintritt. Es ist kosteneffizient für kleine bis mittlere Stückzahlen, da hohe Vorabinvestitionen in Werkzeuge vermieden werden. Die dezentrale Fertigung ermöglicht eine bedarfsgerechte, lokale Produktion und senkt die Logistikkosten. Das Verfahren verbessert die Materialeffizienz und die Nachhaltigkeit, indem es durch leichte Strukturen, die den Materialeinsatz und die Funktionalität optimieren, den Abfall auf ein Minimum reduziert. Ein weiteres Beispiel finden Sie in unserem Expert Blog Artikel über den Einsatz von generativem Design zur Optimierung eines Blower-Couplers für einen Lungensimulator.

Trotz dieser Vorteile haben viele Unternehmen immer noch Schwierigkeiten, additiv gefertigte Teile erfolgreich in die Serienproduktion zu integrieren. CalBench X ist eine vom IMT entwickelte Kalibrierstand für Gasdurchflussmesser und dient als überzeugendes Fallbeispiel dafür, wie AM-Teile in einem Gerät für die Kleinserienproduktion eingesetzt werden können.

CalBench X basiert in hohem Masse auf durch additive Fertigung hergestellten Teilen und zeigt, wie deren einzigartige Vorteile nicht nur bei der Entwicklung von Geräten, sondern auch in der Serienproduktion genutzt werden können.

Der Projektauftrag für die CalBench X verlangte ein physisches Design, das zuverlässig, robust, ergonomisch zu bedienen und einfach zu warten ist. Ziel dieses Artikels ist es daher, konkrete Beispiele dafür zu liefern, wie additiv gefertigte Teile zur Verbesserung der Ergebnisse in diesen Bereichen eingesetzt wurden.

Ergonomie

Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren ermöglicht der 3D-Druck hochkomplexe Geometrien und komplizierte Designs ohne zusätzliche Kosten. Dies ermöglichte einige der speziellen Teile, die für die verbesserte Ergonomie der Kalibrierstand benötigt werden. Ein Beispiel sind die Schiebergehäuse, die die Einlassrohre so positionieren, dass sie perfekt zu den entsprechenden Anschlüssen an den zu kalibrierenden Geräten passen. Diese Gehäuse können in verschiedene Positionen verschoben werden. Die Form des Gehäuses macht deutlich, wo sie hierfür gehalten werden können und ermöglicht bequemes verschieben.

Ebenfalls wichtig für die Benutzerfreundlichkeit und Ergonomie ist die Position der Filter an den Strömungskanälen. Durch das Versenken in spezielle AM-Einsätze in der Tischplatte sind die Filter für das Wechseln leicht zugänglich, sind aber trotzdem während der alltäglichen Nutzung der CalBench X nicht im Weg.

Die in die Tischplatte eingelassene Befestigung dieser Filter bringt die neue Herausforderung mit sich, dass die speziellen Befestigungselemente für das Schlauchsystem mit normalen Werkzeugen nicht erreicht werden können. Glücklicherweise kann ein entsprechend individualisiertes Werkzeug ebenfalls ohne weiteres per AM hergestellt und mit jeder CalBench X mitgeliefert werden.

Funktionale Integration

Die Designflexibilität von AM ermöglicht nicht nur die Herstellung ergonomischer Teile. Die Designfreiheit, die mit AM einhergeht, kann genutzt werden, um viele Funktionen in ein einziges Teil zu integrieren. Ein hervorragendes Beispiel dafür ist der Lagerblock der CalBench X. Dieses Teil ist im Schiebergehäuse versteckt und starr mit der Tischplatte verbunden. Es ist starr mit der Tischplatte verbunden. Ein spezielles Lager wird eingeschnappt und hält das Einlassrohr für den High-Flow, das sowohl gedreht als auch axial im Lager bewegt werden kann. Ein Stift, der in den Halteblock und durch das Lager geschraubt wird, begrenzt diese Bewegungen des Einlassrohrs. Ausserdem sind zwei federnde Druckstücke an der Basis des Halters eingepresst. Diese rasten in das Schiebergehäuse ein, wenn es in seine Extrempositionen bewegt wird, und geben dem Bediener haptisches Feedback.

Der Lagerhalter ist auch ein gutes Beispiel dafür, wie Funktionen in AM-Teile integriert werden können:

• Schnapphaken für eine einfache und werkzeuglose Montage mit der Möglichkeit der Demontage für Wartung oder Reparatur
• Direkt in das Kunststoffteil integrierte Gewinde bieten einfache und effiziente Verbindungen für unkritische Schraubverbindungen
• Eingelegte Muttern sorgen für eine feste und sichere Schraubverbindung mit hoher Tragfähigkeit
• Einpressteile zur einfachen Montage von Teilen, die nicht demontiert werden müssen

Ermöglichung der Kompatibilität zwischen verschiedenen Systemen

Der Hauptrahmen der CalBench X ist aus einem Profilsystem aufgebaut. Diese Systeme bieten viele Möglichkeiten, verschiedene Teile zu verbinden und Hardware zu montieren. Es gibt jedoch immer Randfälle, für die keine geeignete Befestigungslösung verfügbar ist. Hier kann AM die Lücke schliessen, indem es eine einfache Möglichkeit bietet, Adapterteile zu produzieren, die Kompatibilität verschiedener Systeme gewährleisten.

Hier sind einige Beispiele:

• Hutschiene zu Lochbild der Pneumatik: Mit den gedruckten Adaptern lassen sich verschiedene pneumatische Teile auf einer Standard-Hutschiene montieren. Verschiedene Konfigurationen des Modells ermöglichen eine schnelle Anpassung des Teils an die unterschiedlichen Lochmuster der verschiedenen Pneumatikkomponenten. Der Schnappverschluss am Halter sorgt dafür, dass die Komponenten einfach und ohne Werkzeug angebracht und abgenommen werden können. Darüber hinaus minimiert die gerüstartige Konstruktion den Materialeinsatz, was zu einem wirtschaftlichen und leichten Teil führt.

• Panel-mount Adapter für Manometer, die nicht zur Montage an einem Frontblech verfügbar sind.

• Verbindung der Kabelschleppkette am Profilsystem

• Halterungen zur Befestigung von abnehmbaren Komponenten am Profilsystem

Schnelle Designänderung ohne Werkzeugänderung

Einige zugekaufte Teile werden während der Lebensdauer der CalBench X veraltet sein. Dies gilt zum Beispiel für den an der Seite des Kalibrierstands montierten Sprudelbefeuchter. Die Form und die Abmessungen des Ersatzteils unterscheiden sich erheblich vom ursprünglichen Sprudelbefeuchter, so dass eine Neukonstruktion der Halterung erforderlich wurde. Da die Halterung mittels AM hergestellt wurde, konnten diese Designänderungen ohne teure Werkzeugänderung vorgenommen werden.

Individualisierung

AM ermöglicht die individuelle Anpassung von Teilen mit minimaler zusätzlicher Komplexität. Dies kann z.B. durch Hinzufügen von Beschriftungen auf Teilen genutzt werden, wodurch die Übersichtlichkeit verbessert wird. Die CalBench X enthält eine Vielzahl von Pneumatikschläuchen. Eine entsprechende Kennzeichnung dieser Schläuche erleichtert den Zusammenbau und die künftige Wartung.

Die Kabeleinführungen können so angepasst werden, dass sie optimal zu den Pneumatikschläuchen passen und einen guten Sitz und reibungslosen Betrieb gewährleisten.

Putting it all together

Die CalBench X enthält viele AM-Teile, die die Vorteile von AM in der Serienproduktion aufzeigen. Diese Vorteile lassen sich in einem einzigen Teil der CalBench X zusammenfassen: den farbcodierten Haltemanschetten der Pneumatikleitungen. Diese Teile verbessern die Ergonomie, indem sie einen Griff für die pneumatischen Schläuche bieten, die an die pneumatischen Nippel der zu kalibrierenden Geräte angeschlossen werden müssen. Die Funktionsintegration wird durch das zweiteilige Design erreicht, das zusammengeschnappt wird: Es ermöglicht die Integration eines Farbringes zur Farbcodierung der Anschlüsse und dient gleichzeitig als Klemme, die die beiden Schläuche zueinander fixiert. Auf diese Weise stellt es Kompatibilität her zwischen dem Standard-Pneumatikschlauch und dem flexiblen Silikonschlauch. An dem Teil wurden bereits schnelle Designänderungen vorgenommen, da der Durchmesser des Verbindungsschlauchs für den Vakuumanschluss angepasst werden musste, nachdem bei ersten Tests Probleme mit der Dichtigkeit aufgetreten waren. Schliesslich ist jede der Manschetten zusätzlich zu der Farbcodierung mit einer entsprechenden Beschriftung individualisiert.

Zusammenfassung

Die CalBench X der IMT zeigt, wie die additive Fertigung in die Serienproduktion integriert werden kann. Das Projekt demonstriert, wie AM die Ergonomie durch Bauteile verbessert, die eine klare, intuitive Handhabung ermöglichen. Die Funktionsintegration an der CalBench X zeigt, wie AM die Montage vereinfacht und die Anzahl der Teile reduziert, während die Gesamtfunktionalität verbessert wird. Die Möglichkeit, schnelle Designänderungen ohne Werkzeugänderungen vorzunehmen, zeigt die Fähigkeit von AM, sich schnell an veränderte Anforderungen anzupassen.

Die Individualisierung durch integrierte Beschriftungen und Farbcodierung verbessert die Übersichtlichkeit und erleichtert die Wartung und Reparatur. Durch die Nutzung dieser Vorteile hat die IMT AM erfolgreich in einem Serienprodukt integriert, wodurch Produktionszeiten verkürzt und die Flexibilität erhöht wurden.