Stereolithografie Additive Fertigung in der Fluidtechnik

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Mit 3D-Druck entstanden in Mannheim zwei individuell angepasste Druckluftverteiler. Das sparte viel Arbeit. Nur die Gewinde waren störrisch.

Standardkomponenten wie pneumatische Mehrfachverteiler sind gängige Bauteile im Maschinenbau. Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen – mit drei oder zehn Auslässen für 6 bar oder 1 MPa. Das führt dazu, dass Maschinen häufig um diese Teile herum konstruiert werden. Denn das ist günstiger als einzelne Komponente individuell zu fertigen. Problematisch wird diese Praxis jedoch, wenn diese Komponenten auf einem begrenzten Raum verbaut werden müssen, wie im Vorrichtungsbau.

Die Mitarbeitenden von Hänssler Kunststoff- und Dichtungstechnik aus Mannheim standen vor eben dieser Herausforderung. Das Unternehmen ist auf Kunststoff- und Dichtungstechnik spezialisiert und nutzt neben den klassischen Verfahren von Drehen, Fräsen und Spritzguss seit einigen Jahren auch die Additive Fertigung. Das inhabergeführte Unternehmen entwickelt und produziert eigentlich Kunststoffteile und Dichtungen für Kunden aus dem Maschinen- und Anlagenbau sowie der Automatisierungs- und Elektrotechnik. Um neue Kundenanforderungen erfüllen zu können, musste eine Maschine angepasst werden, die eigentlich für die Metallverarbeitung konzipiert ist. Der 3D-Druck kam hier gerade recht.

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Dafür wurde eigens eine Vorrichtung konstruiert, für die schließlich noch zwei Druckluftverteiler benötigt wurden. Die Herausforderung lag darin, dass diese auf engstem Raum von nur 4 cm × 4 cm verbaut werden sollten. Die spezifischen Schaltungen hätten auf diesem Raum nicht mit den Standardkomponenten realisiert werden können. „Deswegen haben wir die Teile 3D-gedruckt. So ist es möglich, die Verteiler kompakt und individuell auf unsere Bedürfnisse angepasst herzustellen. Das ist ein riesiger Vorteil. Wir müssen nicht die Maschine um das Teil herum konstruieren, sondern können den Druckluftverteiler einfach in die bestehende Konstruktion integrieren“, erklärt Dirk Olbert, Projektingenieur für Additive Fertigung bei Hänssler.

Gedruckt wird im SLA-Verfahren

Das Unternehmen arbeitet mit Stereolithografie (SLA) auf einer Formlabs-Maschine. Beim SLA wird flüssiges Kunstharz an definierten Stellen durch Laserstrahlen ausgehärtet. Bei Hänssler nutzt sogar einen Low-Force-Stereolithography 3D-Drucker, der durch einen flexiblen Tank und eine lineare Beleuchtung präzisere Strukturen und glattere Oberflächen druckt.

Die beiden Druckluftverteiler wurden in einem CAD-Programm konstruiert. Die Datei wird anschließend in die Software zur Druckvorbereitung importiert. Der Desktop-3D-Drucker ist sehr kompakt und hat nur eine Standfläche, die ähnlich groß ist wie ein DIN-A3-Blatt.

Druckmaterial sind verschiedene Kunstharze. Sie befinden sich in Kartuschen und können flexibel ausgetauscht werden. Beim Druck fließt das flüssige Kunstharz in einen Tank und wird dort anschließend Schicht für Schicht mit UV-Strahlen gehärtet. Nach dem Druck können eventuell mitgedruckte Stützstrukturen entfernt werden. Anschließend muss das Produkt noch gewaschen und gehärtet werden.

Gewinde – die kniffeligen Stellen

Bei der Entwicklung der Mehrfachverteiler war die Materialvielfalt ein großer Vorteil. Die Ingenieur:innen nutzten zunächst ein Kunstharz, das speziell für die Prototypenerstellung entwickelt wurde. Der fertige Druck erwies sich jedoch als zu spröde, da erst nach dem Druck die Gewinde in das Material geschnitten wurden. Die Gewinde additiv zu fertigen war nicht möglich, da sie zu klein sind und es zwingend nötig ist, dass sie dicht abschließen, um eine konstante Druckluftverteilung zu gewährleisten.

Hänssler entschied sich schließlich für ein biegsames Material. Es simuliert die Festigkeit und Steifigkeit von Polyethylen und eignet sich besonders für reibungsarme und verformbare Baugruppen. Die damit gedruckten Druckluftverteiler können somit noch bearbeitet werden und halten außerdem den unterschiedlichen Belastungen der Druckluft stand. Nach dem Waschen schnitten Dirk Olbert und sein Team die Gewinde in die Adapter und härteten erst dann die beiden Teile aus. Anschließend wurden nur noch die Schlauchadapter eingesetzt und die beiden Druckluftverteiler schließlich in die Vorrichtung eingebaut.

Die Fluidtechnik profitiert vom 3D-Druck

Dank der Additiven Fertigung musste die Vorrichtung nicht, wie bisher üblich, um die Standardkomponenten herum gebaut werden – das sparte nicht nur Zeit bei Konstruktion und Fertigung, sondern auch Kosten. Ein Desktop-3D-Drucker plus Kunstharz erfordert keine hohen Investitionen. Anpassungen im CAD sind leicht möglich, sodass lange Wartezeiten für Muster entfallen. Hänssler nutzt den 3D-Druck nicht nur für ihre eigenen Maschinen, sondern viel häufiger bei der Realisierung von Kundenprojekten.

Auch die Fluidtechnik kann von der additiven Fertigung profitieren. Spezifische Bauteile können vor Ort designt, angepasst und hergestellt werden. Das reduziert nicht nur in Krisenzeiten die Abhängigkeit externer Zulieferer. Werden größere Stückzahlen benötigt, können die 3D-Drucker auch zu einer digitalen Produktionsstraße zusammengeschlossen werden. Durch die Möglichkeiten der Additiven Fertigung wird eine Standardkomponente wie ein pneumatischer Mehrfachverteiler nicht mehr zur ausschlaggebenden Größe für den Vorrichtungsbau.

Dieser Beitrag wurde zuvor auf unserem Partnerportal Mission Additive veröffentlicht.

* Stefan Holländer ist Managing Director EMEA bei Formlabs in 12459 Berlin

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