Additive Fertigung

Mit wenigen Klicks zum individuellen Bauteil aus Kunststoff oder Metall

| Autor / Redakteur: Stefan de Groot* / Ines Stotz

Der Online-Konfigurator von morgen: Die innovativen Konfiguratoren auf dem Protiq Marketplace überzeugen durch ihre intuitive Bedienbarkeit und einen kosteneffizienten Designprozess.
Der Online-Konfigurator von morgen: Die innovativen Konfiguratoren auf dem Protiq Marketplace überzeugen durch ihre intuitive Bedienbarkeit und einen kosteneffizienten Designprozess. (Bild: Steve Bergmann)

Mit webbasierten Konfiguratoren lassen sich in wenigen Minuten individuelle Kupferinduktoren und Zahnräder aus Kunststoff oder Metall adaptieren und direkt bestellen.

In Zeiten von Industrie 4.0 sind immer kürzere Produktlebenszyklen, höhere Spezialisierungsgrade und eine größere Individualität gefragt. Vor diesem Hintergrund muss die digitale Fabrik der Zukunft Kleinserien wie auch Einzelstücke flexibel und schnell fertigen können. Im industriellen Umfeld gibt es zahlreiche Produkte, bei denen oftmals besondere Anforderungen an die Geometrie vorliegen, die zugleich aber nur in geringer Stückzahl benötigt werden. Als Beispiele seien Kupferinduktoren und Zahnräder genannt. Die bedarfsgerechte Produktion von solchen industriellen Komponenten stellt den Kunden funktionale Mehrwerte zur Verfügung und eröffnet gleichzeitig innovative Differenzierungsmöglichkeiten für den Anbieter.

Genauere Anpassung auf das jeweilige Werkstück

In der metallverarbeitenden Industrie ist die induktive Erwärmung ein beliebtes Heizverfahren, denn es erweist sich als prozesssicher, energieeffizient und präzise steuerbar. Zur Erwärmung wird eine Induktionsspule mit einem Wechselstrom beaufschlagt, sodass sich ein Magnetfeld bildet. Bringt der Anwender nun ein leitfähiges Bauteil in das Magnetfeld ein, wird ein elektrischer Strom erzeugt und das Bauteil erhitzt sich auf eine definierte Zieltemperatur.

Grundvoraussetzung für eine schnelle und homogene Erwärmung ist die Form des verwendeten Induktors. Je besser die Induktionsspule an das Werkstück angepasst wird, desto effektiver und einheitlicher gestaltet sich die Erwärmung. Deshalb müssen die in den verschiedenen Anwendungsbereichen genutzten Induktionsspulen speziell konstruiert und hergestellt werden. Aufgrund des händischen Biegens und Lötens können bei einer konventionellen Produktion von der Auftragserteilung bis zur Fertigstellung durchaus Wochen oder sogar Monate vergehen.

Additive Fertigung – komplexe Geometrien

Die additive Fertigung bietet sich hier in mehrfacher Hinsicht als erfolgversprechende Alternative an. Da die digitale Produktionstechnologie ohne Werkzeuge und Formen auskommt, lassen sich individuelle Geometrien für jeden Anwendungsfall herstellen, ohne dass sich die Kosten dadurch erhöhen.

Darüber hinaus eignet sich die additive Fertigung insbesondere zur Umsetzung komplexer Geometrien. Im Fall der Induktoren bedeutet das, dass sich die Geometrien mit ihren Spulenwindungen und inneren Kanälen viel präziser auf das jeweilige Werkstück adaptieren lassen, als dies durch konventionelles Biegen oder Löten möglich gewesen wäre. Außerdem zeichnen sich additiv gefertigte Induktoren durch einen weiteren Vorteil aus: Wegen des Wegfalls des herkömmlichen Lötprozesses mehrerer Komponenten weisen sie keine Sollbruchstellen in der Geometrie auf, woraus sich eine höhere Standzeit ergibt.

Als wesentliche Bedingung für die Herstellung von Induktoren mittels additiver Fertigung müssen allerdings hochleitfähige Materialien verarbeitet werden. Mit der aktuell verfügbaren Anlagentechnik lässt sich Kupfer jedoch nicht nutzen, weil die eingesetzte Laserstrahlung nahezu komplett reflektiert wird. Daher verwendet die Protiq GmbH seit 2013 einen einzigartigen Prozess, der die Verarbeitung von hochleitfähigem Kupfer erlaubt.

Deutliche Reduzierung der Stückkosten

Ein anderer vielversprechender Anwendungsbereich für die additive Fertigung liegt in der Produktion von Zahnrädern. Additiv in geringen Stückzahlen hergestellte Sonderzahnräder profitieren ebenfalls von der schnellen Realisierung entsprechender Aufträge sowie der Entkopplung der Stückkosten von den in der additiven Fertigung anfallenden Stückzahlen. Sondergeometrien lassen sich ohne die Erstellung von kostenintensiven Werkzeugen wirtschaftlich und zeitsparend produzieren.

Ein besonderes Anforderungsumfeld resultiert weiterhin aus dem Ersatzteilmanagement, sofern keine CAD-Daten für die einzelnen Zahnräder vorliegen. Im Oldtimer-Segment tritt häufig der Fall auf, dass ein Reverse-Engineering-Prozess aufgrund von abgenutzten oder beschädigten Geometrien an seine Grenzen stößt, da das gewünschte Design nicht vollständig reproduziert werden kann. In einem solchen Szenario besteht die Möglichkeit, das Zahnrad auf der Grundlage einer technischen Zeichnung nachzukonstruieren. Ein solcher Prozess erfordert allerdings einen erheblichen Zeitaufwand sowie tiefergehende CAD-Kenntnisse.

Web-Marktplatz: Sofortige Ermittlung des Preises

Bevor individuelle Bauteile bedarfsgerecht gedruckt werden können, gilt es eine entscheidende Hürde zu überwinden: den Entwurfsprozess der einzelnen Geometrien. Sollen diese Konstruktionsvarianten in einem konventionellen CAD-Konstruktionsprozess generiert werden, führt das zu vielen manuellen sowie wiederkehrenden Konstruktionsaufgaben. Dieser zeit- und kostenintensive Design-Workflow erweist sich als Engpass für das Angebot zahlreicher kundenindividueller Anwendungsfälle der additiven Fertigung. Mit neuartigen CAD-Softwarelösungen lassen sich derartige regelbasierte Designaufgaben automatisieren.

Auf dem webbasierten Protiq Marketplace können die Kunden ihre spezifischen Induktoren und Zahnräder innerhalb von wenigen Minuten passgenau konfigurieren. In den Online-Konfiguratoren, die auf der Software „Paramate“ des Berliner Softwareunternehmens Trinckle basieren, wählen die Nutzer dazu einfach die für ihre Anwendung benötigte Basisgeometrie aus und legen die einzelnen Parameter fest. Algorithmen kontrollieren dabei die Interdependenzen von mehr als zwanzig verschiedenen Parametern, sodass die Baubarkeit und Funktionalität jedes Modells sichergestellt ist. Zudem führt die Software bei jeder Anpassung eine unmittelbare Aktualisierung des live ermittelten Preises durch. Ist der Preis akzeptabel, kann der Kunde dann sofort einen Auftrag erteilen. Bei der Nutzung der innovativen Konfiguratoren profitiert er also ebenfalls von der bewährten Flexibilität und Schnelligkeit des Protiq Marketplace.

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Web-Konfigurator: Kein Konstruktions-Know-how erforderlich

Anstatt viele hochkomplexe Konstruktionsschritte manuell zu durchlaufen, nimmt der Konfigurationsprozess im Web-Konfigurator nur wenige Minuten in Anspruch. Darüber hinaus entsteht ein für die additive Fertigung optimiertes Design, für das selbst erfahrene CAD-Konstrukteure einige Stunden Zeit investieren müssten. Trotz der komplexen Geometrien und zahlreichen Adaptionsmöglichkeiten gestaltet sich die Bediendung der Konfigurationsoberfläche einfach.

Was bedeutet das im Detail?

Der Endkunde zieht einen Vorteil aus der Kosten- und Zeitersparnis. Im Vergleich zum manuellen Konstruktionsprozess in herkömmlichen CAD-Systemen, der mehrere Stunden dauern kann, sind weniger als fünf Minuten für die webbasierte Konfiguration zu veranschlagen. Bei jedem Bauteil reduzieren sich die Kosten somit erheblich. Ferner ist kein Know-how im Bereich der Konstruktion erforderlich. Außerdem entfällt der zeitraubende Kommunikationsprozess zwischen dem Kunden und dem Konstrukteur, um Designanforderungen abzustimmen sowie Konstruktionsdaten auszutauschen.

Aufgrund der additiven Fertigung sowie der Automatisierung des Konstruktionsprozesses gehören Lieferzeiten von mehreren Wochen oder sogar Monaten damit der Vergangenheit an. Die Kunden halten ihr fertiges Modell vielmehr nach wenigen Tagen in den Händen.

Für Protiq und Trinckle bilden die beiden beschriebenen Projekte die Grundlage für eine enge Zusammenarbeit. Durch die hohe Flexibilität und Schnelligkeit sowie das Ziel, am disruptiven Markt der additiven Fertigung innovativ zu agieren, können sich die jungen Unternehmen optimal unterstützen und daraus resultierende Synergieeffekte zielführend nutzen. Aktuell wird an weiteren „Tiny Tools“ für die Online-Plattform gearbeitet.

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* Stefan de Groot, Projektleiter Additive Fertigung, und Johannes Lohn, Leiter Entwicklung & Engineering, Protiq GmbH, Blomberg

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