Besser verstehen können. In dieser Rubrik greife ich Themen auf, von denen wir vielleicht schon mal gehört haben. Es sind uns oft unbewusste Themen, mit denen wir im Alltag mehr Schnittstellen haben, als wir für möglich halten. Themen aus den Bereichen Bauen, Industrie, Ferien, Energie, Lebensgestaltung und vieles mehr.
Besser verstehen können. Es gibt Begriffe, die fallen einem plötzlich irgendwie auf. Man hört sie im Gespräch mit Freunden, liest in den Medien darüber und überlegt sich dann, was dahinter stecken könnte. Ein solches Beispiel ist der Werkzeugbau. Als Laie denken wir dabei als erstes an einen Hammer oder einen Schraubenzieher. Doch mit solchen Werkzeugen, hat dies nicht zu tun. Wir zeigen auf.
Werkzeugbau? An was denken wir Laien bei diesem Begriff?
Werkzeugbau: Eigentlich ein einfacher Begriff. In erster Linie denkt man hier an die Produktion von Werkzeugen wie die geschilderten Hammer und Schraubenzieher. Solche, die wir viel im Alltag brauchen. Suche ich bei stock.adobe.com ein Bild zum Thema Werkzeugbau, werden mir vor allem diese Alltagswerkzeuge aufgezeigt. Der Begriff Werkzeuge umfasst jedoch viel mehr.
Ein Blick auf Wikipedia klärt uns über die Geschichte auf. Das Wort «Werkzeug» tritt ab dem 12. Jahrhundert auf. Wahrscheinlich gibt es Werkzeuge schon bald, nachdem die ersten Menschen auf der Erde existierten.
Ein wesentlicher Grund der menschlichen, bzw. technischen Entwicklung in der Weltgeschichte ist der, dass wir Menschen Tools, Werkzeuge herstellen, um damit unsere Arbeit zu erleichtern, bzw. produktiver zu werden.
Werkzeuge für kostengünstige und schnelle Herstellung von Massenprodukten
Der Werkzeugbau produziert in der Regel komplexe Werkzeuge, für die Anwendung bei Produktionsverfahren für Gegenstände für Technik, den Haushalt u. a. Er garantiert hohe Standzeiten der Werkzeuge, da sie durch gezielten Einsatz des speziell ausgewählten Materials und mit bewährter Härte- und Oberflächenbehandlung hergestellt werden.
Für die Produktion beim Werkzeugbau haben diverse Faktoren einen Einfluss. Ein Beispiel: Um die Wirtschaftlichkeit eines Werkzeuges zu optimieren, ist die geplante Produktionsmenge bedeutend.
Diese Werkzeuge dienen der kostengünstigen und schnellen Herstellung von Massenprodukten.
Produzierte Werkstücke aus der Automobilindustrie.
Werkzeugbau und welche Branchen?
Es geht um die Massenproduktion von Teilen und es geht um Präzision. Hergestellt wird es mit CAD, computer-aided Design (rechnerunterstütztes Konstruieren) und eingesetzt wird Werkzeugbau in der Automobilbranche, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt-Industrie und zahlreichen anderen Branchen.
Bevor ein Werkzeug produziert wird, entsteht ein Prototyp. Dieser wird im sogenannten Rapid Prototyping Verfahren hergestellt. Ist alles korrekt, entsteht ein Musterwerkzeug.
Bis das definitive Werkzeug entsteht, vergeht eine ganze Weile. Präzision muss getestet werden. Das Endprodukt muss zuverlässig sein.
Werkzeugbau ist ein einfaches Wort, hinter dem mehr steckt als einem bewusst ist.
Vapor Smoothing? Was ist das denn? Etwas was in der Kunststoffprototypen-Herstellung relevant ist – ja die übliche Qualität revolutioniert! Was ist das Geheimnis einer erfolgreichen Serienproduktion? Lange Zeiten waren es schnelle und effiziente SLS-Anlagen sowie eine grosse Materialvielfalt. Doch das ist heute nicht mehr genug. Der hart umkämpfte Markt verlangt nach innovativeren Lösungen. Eine dieser innovativen Lösungen: Die Produktion von seriennahen Bauteilen beginnt bereits in der Prototypenphase. Und genau hier kommt Vapor Smoothing in Spiel. Die Weltneuheit hat sich ein hohes Ziel gesetzt: Sie will bisherige SLS-Anlagen verfeinern und damit die Serienproduktion revolutionieren.
Das Problem
SLS-Teile haben meist eine raue Oberfläche. Und genau diese raue Oberfläche kann gelegentlich für funktionale Probleme sorgen – ganz besonders im Medizinbereich. Die grösste Sorge: Die rauen, leicht porösen Oberflächen sind wie ein Paradies für Keime und Bakterien. Hier fühlen sie sich pudelwohl. Aber zum Glück lässt sich dieses Schlaraffenland einfach und schnell zerstören.
Mithilfe von modernster Technologie lassen sich feine, spritzgussähnliche Oberflächen herstellen, die Schmutz, Keimen und Bakterien vehement den Weg versperren.
Ähnliche Probleme mit rauen Oberflächen sind bei luft- und fluidführenden Teilen zu beobachten. Der grosse Nachteil: Die Strömungswiderstände und Turbulenzen nehmen besorgniserregend zu. Hinzu kommt die mühsame Reinigung der Membran.
Nicht selten lässt sie sich nicht vollständig säubern, was Anwendungsprobleme zur Folge hat.
Nicht aber nur die Funktionalität spielt bei SLS-Bauteilen eine Rolle. Auch die Ästhetik ist längst nicht mehr zu unterschätzen. Feine, spritzgussähnliche Oberflächen sind gefragter denn je.
Vapor Smootning; Ein Volltreffer für homogene und hydrophobe Oberflächenqualität
Vapor Smoothing hat die Lösung
Vapor Smoothing will SLS-Bauteile nachhaltig verbessern – sowohl funktional als auch ästhetisch. Das Konzept: Mit den hochmodernen Anlagen lässt sich eine neue homogene und hydrophobe Oberflächenqualität erzielen. So kann das innovative Postprocessing die gesamte Serienproduktion revolutionieren.
Eine spiegelglatte und hydrophobe Oberfläche ohne Fremdstoffauftrag? Das ist ohne chemische Glättung gar nicht denkbar. Umso wertvoller ist Vapor Smoothing.
Die fortschrittliche Technik entfernt erfolgreich die Rissinitiierung. Das wünschenswerte Resultat: Die Ermüdungsfestigkeit und die Bruchdehnung der unterschiedlichen Baustoffe verbessert sich nachhaltig.
Ein weiteres Plus: Für viele Anwendungen braucht es eine wasserabweisende Oberfläche, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. Und genau darum kümmert sich Vapor Smoothing. Sämtliche Oberflächen der SLS-Bauteile lassen sich mit der neuen Technik versiegeln und wasserdicht machen – selbst Oberflächen im Inneren.
Und wie sieht es bei filigranen Formpartien aus? Bestens, selbst feinste Gebilde sind mit der Vapor Smoothing-Technik ohne Probleme zu glätten. Mit Trowalisieren war ein derartiger Effekt bislang nicht umsetzbar.
Die Vapor Smoothing-Vorteile auf einen Blick
feine und geschmeidige Oberflächen, die für eine besonders angenehme Haptik sorgen – vergleichbar mit Spritzgussteilen
Oberflächen mit höchsten Hygienestandards dank mikroskopisch glatter Strukturen
hervorragende Gleitfähigkeit
eine gleichmässigere und ästhetischere Einfärbung (Die Oberflächen saugen die Farbpigmente beim Tauchfärben sichtbar stärker ein.)
Bauteile mit spürbar stärkerer Biege- und Zugfestigkeit
dichte Teile ganz ohne Infiltration dank hydrophober Strukturen
einfachere Veredelung durch Tauchfärben oder Lackieren
neue innovative Möglichkeiten im Lebensmittel- und Sanitärbereich dank wasserabweisender, hygienischer Oberflächen
Nachgefragt: Wo genau kommt die moderne Vapor Smoothing-Technik eigentlich zur Anwendung?
bei der Herstellung seriennaher Prototypen in sämtlichen Industriesektoren
bei der Produktion von Bau- und Anbauteilen in der Medizinaltechnik, wo feine und hydrophobe Oberflächen dringend gebraucht werden. Weshalb? Sie sollen die Verbreitung von Keimen und Bakterien verhindern und die Reinigung mit Alkohol und anderen Desinfektionsmitteln vereinfachen. Dies gilt insbesondere für Knochen, Schädel und chirurgische Geräte in der Lehre.
bei der Herstellung von sanitären Baustücken – vor allem bei Fittings und Rohrverbindungen. Im Idealfall weisen diese Erzeugnisse nämlich eine genauso feine und hydrophobe Oberfläche wie PVC auf.
bei der Fertigung von Bestandteilen von Kaffeemaschinen-Prototypen, die eine besonders feine und wasserabweisende Oberfläche erfordern. Dies gilt speziell für Bauteile, die Extremtemperaturen von 170 Grad und aufwärts standhalten müssen wie zum Beispiel Venturidüsen oder Brüheinheiten.
Postprocessing bei der Geschirrproduktion im Kulinarikbereich. Der grosse Vorteil: Die feinen Oberflächen lassen sich selbst von hartnäckigen Verschmutzungen wie Ketchup und Sossen mühelos befreien.
bei der Fertigung von Greifern im Bereich Robotik: Durch den modernen chemischen Glättungsprozess lassen sich feinkristalline Pulverkörner besser binden, sodass andere Bestandteile nicht kontaminiert werden.
im Medicalbereich, insbesondere beim Einfahren automatisierter Abläufe
Tipps für ein starkes Design
Nicht nur die Funktionalität, auch das Design spielt eine Rolle. Umso wichtiger ist ein ordentliches Äusseres. Doch wie gelingt dieses ordentliche Äussere? Wie genau funktionieren die Veredelungsprozesse? Hier sind die besten Design-Tipps kurz zusammengefasst:
nicht «überglätten»: An scharfen Innenkanten darf es ein kleiner Radius sein. So lassen sich störende Hohlräume effektiv umgehen.
Als Wandstärke bietet sich mindestens 1 Millimeter an. Nur so können Defekte und Deformationen ausgeschlossen werden.
Ideal sind gleichmässige Wandstärken wie beim Spritzguss.
Gesundheits- und Sicherheitstests mit Bravour bestanden
Was haben die Medizin-, Kosmetik-, Lebensmittel- und Verpackungsindustrie gemeinsam? Sie alle müssen hohe Sicherheits- und Gesundheitsstandards erfüllen.
Ansonsten könnten sie das Wohl des Konsumenten in Gefahr bringen. Nicht ohne Grund durchlaufen sämtliche Produkte regelmässig umfassenden Sicherheits- und Gesundheitstests. Dies gilt selbstverständlich auch für die neue Vapor Smoothing-Technologie. Auf Herz und Nieren wurde sie bereits geprüft und das Ergebnis ist eindeutig: Der moderne Ansatz besteht alle Prüfungen mit Bravour. So ist es offiziell: Die Technik ist nicht nur fortschrittlich, sondern auch sicher. Kund*innen können sie bedenkenlos im Arbeitsalltag verwenden.
Der Beweis: In mikrobiologischen Tests wurden 6 rohe SLS-Teile aus PA12 und 6 bearbeitete SLS-Bauteile aus PA12 auf grampositive und gramnegative Bakterien untersucht (MRSA bzw. E. coli). Und die Bilanz fällt positiv aus: Die geglätteten, antimikrobiellen Teile geben Grund zur Freude. Sprich:
Das Bakterienwachstum hat sich an den chemisch geglätteten Teilen spürbar verringert.
Anders sieht es bei den unbehandelten Teilen aus. Sowohl MRSA- als auch E.coli-Bakterien nahmen im Laufe der Zeit merklich zu. Somit beweisen die Studien, dass die Vapor Smoothing-Technik das Bakterienwachstum auf bearbeiteten Flächen deutlich senkt.
Unter diesem Begriff wird in der Wirtschaft die schnelle Erstellung von innovativen Prototypen (Modellen) verstanden. Üblicherweise handelt es sich hierbei um Grundmuster für die industrielle Fertigung von mechanischen Bauteilen oder komplexeren Baugruppen. Die Basis für deren Umsetzung bildet die computergestützte Verarbeitung von 3D-CAD-Daten. Speziell stellen leistungsfähige 3D-Druckverfahren die hierzu erforderliche Technologie zur Verfügung (additive Fertigung).
Wie entwickelte sich die Nachfrage für Rapid Prototyping in der Industriegeschichte?
Bis zur Mitte der 80er Jahre ging es im Rahmen der industriellen Fertigung vorrangig um die Rentabilität der Produktion.
So standen die deutliche Verringerung von Herstellungskosten und zugleich das Absichern der Produktleistung massgeblich im Fokus.
Aufgrund dieser ökonomischen Anforderungen war es nötig, vorweg geplante Erzeugnisse ohne die Verwendung kostenintensiver Hilfsmittel und innerhalb kurzer Zeitspannen auszutesten. Somit entstand erstmalig eine starke Nachfrage bezüglich aussagekräftiger Modelle beziehungsweise Prototypen.
In den 90er Jahren setzte sich die Akzentuierung der Produktqualität zunehmend im Wirtschaftsleben durch. Um die Qualitätssicherung für die herzustellenden Erzeugnisse zu gewährleisten, verwendeten die Produktdesigner*innen umso mehr aussagefähige Prototypen.
Mit der Jahrtausendwende wurde schliesslich die Konzeption «Time to Market» bedeutsamer. Alles drehte sich um einen zügigen Marktauftritt der Innovationen. Doch die Realisierung dieses Zeichen setzenden Massstabs für moderne Fertigungsprozesse verlangte zeitnahe Entwicklungsabläufe und Produktionsverfahren.
Gerade dieser wirtschaftliche Trend beschleunigte das Wachstum von modernen Technologien, welche die rasche Erstellung von modellhaften Prototypen ermöglicht.
Prototyp für ein Mobil-Telefon
Die fortan aufstrebende Rapid Prototyping Technologie
Im Jahr 1984 kamen die ersten Stereo-Lithografie Maschinen auf den Markt. Diese zukunftsweisende Technologie bot erstmals eine auf Lasertechnik fussende Anfertigung von Grundmodellen (Prototypen).
Sie wurde konkret durch das Überlagern ausgehärteter Schichten eines fluiden, UV-sensiblen Polymers realisiert.
Innerhalb der nachfolgenden Dekaden entstanden anschliessend weiterführende Rapid Prototyping Methoden wie beispielsweise die leistungsfähige Technik zum selektiven Laser-Sintern.
Das früheste Verfahren zum 3D-Rapid-Prototyping auf der Grundlage des Fused Deposition Modeling (FDM) wurde in den 90er Jahren etabliert.
Letztendlich zeigt sich das hochmoderne 3D-Druck System als die aktuellste Rapid Prototyping Technik. Sie gelangte seit Anbruch des neuen Jahrtausends auf den industriellen Markt.
Wo stehen wir heute?
Die Begriffe «Rapid Prototyping» und «3D-Druck» überschneiden sich teilweise, seitdem es die moderne Hightech Druck-Methode gibt. So wurde die moderne 3D-Druck Technik anfänglich mit dem obigen Fachwort assoziiert.
Auf diese Weise ist aktuell die vorgängige Aufgabe der superschnellen Prototyp-Fertigung effektiv gelöst. Wichtige Fachkräfte wie Produktdesigner*innen, Ingenieur*innen und Architekt*innen können heutzutage Kundenwünsche innerhalb kürzester Zeit plakativ und direkt «begreifbar» entwerfen.
Jetzt wächst der technische Fortschritt auf dem Praxisfeld der 3D-Druck Technologie weiterhin rapide. Somit gingen verwandte Anwendungsgebiete wie das Rapid Tooling und das Rapid Manufacturing daraus hervor. Inzwischen ist nahezu jedes Design mittels CAD-Programmen und 3D-Druck visuell und haptisch darstellbar.
Da die Prototypen in kleinen Mengen erforderlich sind, ist die 3D-Druck Technik als Baustein der Produktentwicklung gegenwärtig die rentabelste Fertigungsvariante.
3 D Druck mit Rapid Prototyping
Vor welchen Herausforderungen steht die 3D-Druck Erstellung von Prototypen?
Mit lediglich 30 «Lebensjahren» seit Beginn seiner Einführung steht der moderne 3D-Druck vor vielerlei Herausforderungen. Innerhalb des zurückliegenden Jahrzehnts hat jedoch gerade diese Spezialbranche einen riesigen Satz nach vorn gemacht.
Der technologische Fortschritt umfasst nicht zuletzt signifikante Verbesserungen der technischen Systeme hinsichtlich ihrer Flexibilität und Druckgeschwindigkeit. Darüber hinaus sind mittlerweile vielfältige Grundmaterialien inklusive mehrfacher Kombinationsmöglichkeiten verfügbar. Letztlich sind mit der Zeit mannigfaltige Automatisierungslösungen entwickelt worden.
Für das Wachstum des technischen Knowhows und dessen Umsetzung für die additive Fertigung von Prototypen verbleiben beachtliche Challenges:
weitere Verbesserungen der Effizienz und Druckgeschwindigkeiten
Optimierung der Werkstoffe und Beseitigen von Inkonsistenzen bei der Festigkeit des gedruckten Materialgefüges
Verringern manueller Nachbesserungen bei 3D-gedruckten Prototypen
Realisieren vorliegender Softwareanforderungen beim Strukturieren und Verarbeiten von Daten
Aufhebung noch vorhandener Mängel bei der Standardisierung interner sowie übergreifender Branchenlösungen
Meistern von Herausforderungen beim effektiven Workflow
Perfektionierung bei der Integration von zusätzlichen Systemkomponenten (AM-Ökosystem)
Das kostensparende Rapid Prototyping mit Vorteilen und Nachteilen
Das effiziente Prototyping ist das Herzstück innerhalb einer zeitgemässen, profitablen Produktentwicklung. Wegen der zahlreichen Wettbewerber*innen kann – im Extremfall – ein langes Andauern bis Einführung des Artikels zur Insolvenz des Herstellers beitragen. Last, but not least ist darum die schnelle Technik des 3D-Drucks mit mancherlei Vorteilen für die Wirtschaftsunternehmen verbunden.
Die Benefits einer raschen Erstellung von Prototypen auf Basis des 3D-Drucks liegen somit auf der Hand:
Das additive Fertigen ist zügiger ausführbar und anpassbarer als subtraktive Verfahren wie beispielsweise die CNC-Frästechnik.
Ein fixes Prototyping mittels 3D-Druck ist kosteneffizienter für hochkomplexe Bauelemente beziehungsweise komplette Baugruppen.
Es vergeht weitaus weniger Zeit zwischen der Erstellung unterschiedlicher Versionen eines bestimmten 3D-Druck Prototypen.
Die allermeisten Programmmodule zum Bearbeiten von 3D-Druck Dateien ermöglichen komfortable Synchronisations-Optionen.
Die anwenderfreundliche Systemsteuerung des 3D-Drucks ist besser ausgestaltet als eine vergleichbare Benutzeroberfläche für die CNC-Bearbeitung.
Additive Fertigungsprozesse wie das 3D-Drucken schöpfen jedes Gramm von Rohstoffen bestens aus.
Insgesamt vollzieht sich das 3D-Druckverfahren ökologisch nachhaltiger. Gerade dies ist optimal für die Erhaltung einer intakten Umwelt.
So effektiv und kostensparend das 3D-Druck Prototyping immer ist, einige Nachteile gibt es. Allein die Investitionen für die notwendige Infrastruktur (EDV, Grundmaterialien, Maschinen) sind finanziell aufwändig. Der am meisten ins Gewicht fallende Nachteil ist die bislang langwierige Anfertigung von Prototyping Testmodellen mit einem komplizierten Schichtaufbau. Auf diesem spezifischen Praxisfeld sind somit erhebliche Verbesserungen nötig.
Zu guter Letzt zwei Anwendungsbeispiele
Der 3D-Druck Modellbau gewährleistet innerhalb der Fahrzeugherstellung die rapide Entwicklung komplexer, individualisierter Bauteile – zunächst zu experimentellen Zwecken in den Industrielaboren.
Im Rahmen eines leistungsfähigen Gesundheitswesens werden hochmoderne Prototyping Fertigungen zielgerichtet zum Optimieren von Implantaten und Prothesen eingesetzt.
Die schnelle Prototyping Fertigung – Ein Fazit
Die zeitnahe Erstellung von experimentellen Prototypen (Modellen) auf Grundlage des 3D-Drucks ist ein essenzieller Baustein innerhalb der modernen, kosteneffizienten Produktentwicklung.
