Additive Fertigung

Mit komplexen Teilen viele andere einsparen

Es ist höchste Zeit, das Kunststoff-Lasersintern als vollwertige Fertigungsmethode zu akzeptieren, meint Dienstleister Hannes Kuhn. Konsequent angewandt, bringen die konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten vor allem dem Sondermaschinenbau große Wettbewerbsvorteile.

Aus 13 mach eins: Als funktionsintegriertes Lasersinterteil lässt sich eine Spannbaugruppe für Laserdioden in nur einem Teil fertigen, im Bild oben mit dem dazu nötigen, ebenfalls lasergesinterten Werkzeug zu sehen. Konventionell bestand sie aus fünf Frästeilen, die mit acht Schrauben montiert werden mussten (Bild unten). Die Lieferzeit für dieses Teil beträgt im Schnitt zwei bis drei Wochen, die Montage dauert 8-10 min. Setzt man die Kosten dieser Baugruppe gleich 100 Prozent, kostet das lasergesinterte Teil nur rund 65 Prozent davon, ist in vier bis fünf Tagen lieferbar und die Montage gelingt in nur 1-2 min. (Bilder: Kuhn-Stoff)

Das Kunststoff-Lasersintern ist den Kinderschuhen entwachsen und sollte von allen als ergänzendes Fertigungsverfahren genutzt werden, ist Hannes Kuhn überzeugt. Als solches verdiene es dieselbe Anerkennung wie die etwas älteren Verfahren des Laserschneidens, Erodierens oder Wasserstrahlschneidens, meint der Gründer und Geschäftsführer des Unternehmens Kuhn-Stoff. 85 Prozent seiner Teile produziert der Dienstleister per Kunststoff-Lasersintern direkt für den Endverbrauch. Seit sechs Jahren konstruiert und fertigt er vor allem Brückenteile für den Sondermaschinenbau, denn hier bringe die additive Fertigung einen enormen Wettbewerbsvorteil. „Ein bis drei Prozent der Teile in einer Sondermaschine machen den Unterschied zur Konkurrenz aus“, betont Kuhn. „Genau bei diesen Teilen, die individuell für jede Maschine meist in Stückzahlen zwischen Eins und 50 gemacht werden, kann man mit der additiven Fertigung Grenzen sprengen“, begeistert er sich. Etwa weil man nun einen Membranzylinder oder – in einem 3 mm dicken Material – eine Düse von 0,8 mm Durchmesser integrieren könne, was sich sonst gar nicht herstellen ließe. Dass noch mehr Nutzer das Potenzial des Lasersinterns erkannt haben, davon zeugten dieses Jahr viele Exponate auf der Montage- und Handhabungstechnik-Messe Motek. So waren auf den Ständen vieler Marktführer der Sondermaschinentechnologie – etwa Festo, Schunk Spanntechnik, Röhm oder Igus – additiv gefertigte Teile zu sehen, die für den Endverbrauch gedacht sind.

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Vor allem im Bereich Luftführungen, Sensorhalterungen, Düsen oder Greifer gäbe es tausende Ansatzmöglichkeiten, ist Kuhn überzeugt. Es geht ihm nicht darum, bestehende und funktionierende Lösungen für die additive Fertigung umzukonstruieren. Es mache auch keinen Sinn, Normteile zu ersetzen oder ein Frästeil 1:1 zu übernehmen und jetzt additiv zu fertigen. Das bringe nur Nachteile, etwa eine höhere Toleranz, eine schlechtere Oberfläche. „Aber denken Sie bei einer Neuentwicklung mal anders“, fordert Kuhn auf. „Wie wäre es mit folgender Herangehensweise: Wir haben diese und jene Anschlussstelle und dazwischen lassen wir ein Teil wachsen.“ Sei bisher etwa an einer Stelle neben einer Sensor- eine Kabelhalterung angedacht – kombiniert mit vier Kabelbindern für Druckluftschläuche –, dann könne man all diese Teile integrieren und das Bauteil sogar so auslegen, dass die Druckluft hindurchfließen könne.

„Wir alle werden in 20 Jahren mit den Ohren schlackern, was aus der Technologie geworden ist“, sagt Kuhn-Stoff-Geschäftsführer Hannes Kuhn, der sich als Pionier mit extremem Spaß an der Technologie versteht. Ein Klick auf das 3D-Druck-Ikon seines 3D-CAD-Systems und ein dadurch ausgelöster Besuch auf der Euromold 2005 waren Grund genug für ihn, 2006 nach 14 Jahren seinen Job als Projektleiter bei einem Blechverarbeiter an den Nagel zu hängen und sein eigenes Dienstleistungsunternehmen zu gründen. Von Anfang an lag für Kuhn der Schwerpunkt darauf, direkte Endprodukte zu fertigen. Über 100 Kunden aus dem Sondermaschinenbau nutzen die inzwischen erworbene Expertise bereits. Seit diesem Jahr verfügt Kuhn-Stoff auch über die erste eigene Sinteranlage, eine EOS P100 Formiga. Und auch die Nachbehandlung der Sinterteile kann im Haus geschehen. So überfräst, schleift, strahlt, pulverbeschichtet oder färbt der Dreieinhalb-Mann-Betrieb die Teile je nach Wunsch oder bestückt sie mit Edelstahlgewindebuchsen.

Teile zwischen Anschlussstellen wachsen lassen
„Doch das setzt eine ganz andere Konstruktionsweise voraus – man darf dann nicht von einem Aluminium-Block ausgehen und losfräsen“, so Kuhn weiter. Und genau darin liege das Problem: Prinzipiell könne jeder, der 3D-CAD anwendet, die Technologie direkt nutzen, versichert der selbst aus der Blechverarbeitung kommende Konstrukteur. „Aber nur wenige Konstrukteure können so anders denken und erfassen sofort die weitreichenden Möglichkeiten.“ Der Schritt vom Stanzen zum 2D-Laserschneiden sei vergleichsweise einfach gewesen. Auf einmal konnte man völlig unabhängig von Werkzeugen Teile einfach so ausschneiden. „Aber das Ganze war nur eine 2D-Linie und jeder hat sofort die Vorteile erkannt – und konnte ohne Mehraufwand die neue Technologie nutzen“, erinnert sich Kuhn. „Bei der generativen Fertigung muss man auf einmal in drei Dimensionen komplett neu denken. Das ist ein sehr, sehr großer Schritt, der nicht so einfach handzuhaben ist.“

Anhand vieler Gespräche schätzt der Lasersinter-Fan, dass nur ein bis drei Prozent der Konstrukteure in der Lage sind, nach dem ersten Kontakt mit dieser Technologie eigene Anwendungsbeispiele zu finden. „Von diesen wenigen kommt dann drei bis vier Wochen später ein Datensatz, dem man genau ansieht: Hier ist der Groschen gefallen!“, freut er sich. Diese Konstrukteure würden oft zu richtigen Stars in ihren Firmen und lösten Nachahmungseffekte aus.
Es lohne sich aber auch für alle anderen, sich an die Technologie heranzuwagen und durch kleine Schritte Erfahrungen zu sammeln, selbst wenn vor allem Kunststoffunternehmen vielleicht vor 15 Jahren durch den Kontakt zur Stereolithographie vergrault wurden. Wer sich dem Lasersintern nicht zuneige, laufe in manchen Branchen sogar Gefahr, für den Markt uninteressant zu werden wie beispielsweise Konstruktionsbüros, die nicht bis spätestens 1995 ihre Zeichenbretter gegen CAD-Arbeitsplätze eingetauscht hatten. „Ich denke, dass neben vielen A0-Druckern, die damals Ähnliches gekostet haben, bald schon ein 3D-Drucker steht, weil die Vorteile nicht mehr von der Hand zu weisen sind. Man kann die Teile be-greifen.“ Die Industrielle Fertigung der Kleinserie erfolgt dann mittels Lasersintern.

Rein als Verfahren zur Herstellung von Prototypen genutzt, wie hier zu sehen, ist ein lasergesinterter Prototyp zwar 40 Prozent günstiger als das konventionell gefertigte Teil und auch in nur vier bis fünf Tagen hergestellt. Die konstruktiven Freiheiten, die das Lasersintern ermöglicht, bleiben hierbei aber völlig ungenutzt.

Weg vom Belächeln und Bekämpfen – hin zum Anwenden
Kuhns Erfahrung nach gilt in vielen Unternehmen bei allen neuen Methoden: Erst wird belächelt, dann bekämpft und dann angewandt. „Die meisten befinden sich noch in der Phase zwischen belächeln und bekämpfen.“ Doch je mehr Leute Kontakt mit der additiven Fertigung haben, umso schneller wird sie industriell eingesetzt. Und, so ist er überzeugt: „Wir alle werden in 20 Jahren mit den Ohren schlackern, was aus der Technologie geworden ist, weil wir uns das heute noch nicht einmal ansatzweise vorstellen können.“

Bei Firmen wie Festo und EADS gehört das Lasersintern schon zum Alltag und auch der Zentrifugenhersteller Hettich setzt gesinterte Teile seit gut fünf Jahren sehr erfolgreich in der Serie ein. Hettich konnte den Zentrifugeneinsätzen, die sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten aushalten müssen, durch die additive Fertigung in extremer Weise andere Formen geben – und sie sogar mit dem Kundennamen individualisieren.

Auch wenn es noch enorme Defizite mit dem Wissen über die Langzeitstabilität lasergesinterter Teile gibt, bieten sich gerade Handlingspezialmaschinen aufgrund ihrer relativ kurzen Lebenszeit als Einsatzorte an. „Viele Firmen nutzen dort schon gesinterte Teile“, berichtet Kuhn aus seiner Erfahrung. „Sie wissen genau, vielleicht sind die in acht bis zehn Jahren kaputt, aber sie bringen uns jetzt einen so immensen Vorteil, dass wir das nicht außer Acht lassen können.“ Viele seiner Kunden lassen bei ihm etwa Handlingeinsätze für ihre Roboter bauen. Da diese Einsätze viel leichter sind – wenn auch vielleicht nicht so stabil –, reicht jetzt oft ein 2,5-kg-Roboter, wo bisher eine 6-kg-Variante nötig war. „Selbst wenn der Handlingeinsatz dann teurer ist als ein traditionell gefertigter, wird die Gesamtanlage dadurch erheblich günstiger“, gibt er zu bedenken.
Im Kunststoffsektor mache es derzeit jedoch meist keinen Sinn, Teile größer als 250 mm x 250 mm x 250 mm sintern zu wollen, denn die werden aufgrund des hohen Materialverbrauchs und der langen Bauzeit einfach zu teuer. Der Werkstoffpreis liege noch um den Faktor 10 bis 15 höher als bei Spritzgussgranulaten. Doch auch hier lohnt es sich, die Frage zu stellen, ob das Teil etwa so groß ist, weil es eine Funktion hat, oder ob damit nur Distanz überbrückt werden muss, was sich vielleicht anders lösen ließe.

Als ein Problem sieht Kuhn noch die derzeit verfügbaren CAD-Systeme. „In der Designschiene gibt es schon Lösungen mit mehr Freiheiten, nur fliegen einem die Datensätze leider oft um die Ohren, wenn man dort genaue Maße angeben möchte“, berichtet Kuhn. Noch fehlten Upgrades der CAD-Hersteller, um wirklich Freiformflächen-Design mit topologischen Anomalien zu ermöglichen. „Das muss alles noch wachsen.“


Monika Corban

freie Mitarbeiterin, CAD-CAM REPORT



Kuhn-Stoff GmbH & Co KG, Weingarten Tel. 0751/5612898, http://www.kuhn-stoff.de Messe Euromold: auf dem EOS-Stand

EOS GmbH Electro Optical Systems, Krailling Tel. 089/89336-0, http://www.eos.info Messe Euromold: Halle 11, Stand E148

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