94 Prozent leichter, 50 Prozent günstiger und auch noch funktionaler: 3D-Druck-optimiertes Redesign eines Sauggreifers

Ursprünglich war der Sauggreifer des Anwenders so konstruiert, dass er vollständig mit herkömmlichen Produktionswerkzeugen zu fertigen war. Für die notwendigen innenliegenden Kanäle wurden mehrere gerade Bohrungen aus unterschiedlichen Richtungen so gesetzt, dass sie miteinander verbunden waren. Öffnungen wurden durch Blindstopfen verschlossen. Um die Bauteilkosten nicht weiter zu steigern, verzichtete der Anwender wenn möglich auf weitere Fräsarbeiten zur Reduzierung des Volumens des Greifers.

Der Anwender des Greifers hatte bereits Erfahrung mit der additiven Fertigung von Kunststoffteilen und kannte ihre Vorteile in Bezug auf Kosten und Effizienz insbesondere bei Produktionswerkzeugen. Trotzdem musste auch er sich – wie bei allen Redesign-Ideen – zunächst die Frage stellen, ob sich ein 3D-Druck auch bei diesem Instrument wirklich lohnen würde.

Ein Abgleich seiner Anforderungen an den Greifer mit den Möglichkeiten des 3D-Drucks führte jedoch zu einem eindeutigen Ergebnis: Geringere Herstellungskosten, geringeres Gewicht, um schnellere Bewegungen ausführen zu können, kürzere Greifzyklen, eine bessere Unterdruckverteilung sowie weniger Leckagen sind allesamt Ziele, die sich mit AM und der damit verbundenen Designfreiheit erzielen lassen.

Bei der Wahl des Materials entschied sich der Hersteller für Aluminium. Zum einen ist das Metall deutlich verschleißfester als Kunststoff und trotzdem leicht. Zum anderen ermöglicht es glatte, einfach zu reinigende Oberflächen. Dies war dem Kunden wichtig, um den Greifer auch während der laufenden Produktion leicht sauber halten zu können. Weiterhin eignet sich Aluminium in wirtschaftlicher Hinsicht sehr gut für kleine bis mittelgroße Bauteile mit hohem Wert und geringer Stückzahl.

Nachdem der Hersteller selbst ein Design für die AM entwickelt hatte, nahm er mit Materialise Kontakt auf, um das Bauteil dort produzieren zu lassen. Schnell erkannte das Expertenteam des 3D-Druck-Dienstleisters und Softwareherstellers, dass die Gestaltung noch weiter zu verbessern war. Zwar bot die Eigenkonstruktion des Anwenders bereits eine signifikante Gewichtsreduzierung, aber die Produktionskosten lagen höher als mit der ursprünglichen Fertigungsweise und auch die internen Kanäle waren aerodynamisch nicht optimiert.

In Absprache mit dem Hersteller machten sich die Experten von Materialise an die weitere Optimierung des 3D-Druck-Designs. Für das Redesign nutzten sie das Siemens NX Realize Shape-Modul,  mit dem eine Freiformmodellierung möglich ist. Mithilfe der Magics-Software von Materialise optimierten die Experten zudem die Geometrie in Abhängigkeit zum Druckprozesses. Dazu nutzten sie eine Vorschaufunktion, die alle notwendigen Supportbereiche für ein Bauteil in der jeweils gewählten Bauteilorientierung anzeigen kann.

So konnten sie sicherstellen, dass im Innern des Bauteils keine Supportstrukturen nötig waren, um die zusammenwachsenden Wände zu drucken. Das Design-Team richtete die Teile so im Bauraum aus, dass einerseits die Anzahl der benötigten Supportstrukturen weiter minimiert und andererseits die Qualität der Kontaktflächen im Saugbereich optimiert wurde. Ganz wesentlich war zudem, dass die neue Formgebung eine homogene Verteilung des Unterdrucks an den Saugpunkten sicherstellte. Die Aufnahme des zylindrischen Körpers erfolgt dadurch zuverlässiger.

Weiterhin verringerte das Expertenteam von Materialise die Spannungslinien, indem Übergänge zwischen dünnen und dicken Materialstärken langsamer, fließender erfolgten. Das war wichtig, da Spannungslinien nicht nur das äußere Erscheinungsbild negativ beeinflussen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften. 

Auf diesem Weg wurden das Gesamtvolumen und das Gewicht des Bauteils auf ein notwendiges Minimum reduziert. Dies hat direkten Einfluss auf die Materialkosten, da beim Metall-3D-Druck – anders als bei spangebenden Verfahren – nicht verwendetes Material weitgehend zurückgewonnen und direkt wiederverwendet werden kann. Nennenswerte Kosten fallen somit nur für das Material an, das für Bauteil und Stützstrukturen tatsächlich benötigt wird. Die geringe Anzahl der Supports und ihre minimale Kontaktfläche in unkritischen Bereichen mit dem Bauteil, wirken sich zudem positiv auf die Nachbearbeitung aus. Dadurch lassen sich die Stützstrukturen ohne großen Zeit- und Arbeitsaufwand entfernen. Als finaler Schritt mussten dann nur noch die Gewinde für die Montage geschnitten werden.

Gegenüber dem ursprünglichen 3D-Druck-Modell des Anwenders wurde sogar noch ein weiterer Zeit- und Kostenvorteil erzielt: die Erhöhung der Anzahl der Bauteile pro Baujob von 28 auf 46. Die neue Bauteilgeometrie erlaubt eine deutlich effizientere Anordnung auf der Bauplattform, was sich zusätzlich positiv auf den Preis pro Teil auswirkt.

Ein Vergleich von Volumenwerten und Herstellungskosten zwischen Ursprungswerkzeug, dem ersten 3D-Druck-Modell und der finalen Konstruktion zeigt, welche beachtlichen Fortschritte gemacht wurden: Während das AM-Anwendermodell bereits 79 Prozent weniger Volumen besaß als der ursprüngliche, gefräste und gebohrte Greifer, besitzt der von Materialise optimierte Greifers sogar nur noch sechs Prozent des Volumens des Originalbauteils. Die Kosten pro Sauggreifer wurden von 300 Euro für das traditionelle Werkzeug auf 150 Euro für das Materialise-Modell gesenkt. Die erste 3D-Druck-Konstruktion des Anwenders wäre dagegen sogar sechs Prozent teurer in der Herstellung gewesen. 

Alles in allem belegt das Beispiel des Sauggreifers, wie sich mittels additiver Fertigung und eines optimierten additiven Designs ein günstigeres, leichteres und funktionsoptimiertes Produktionswerkzeug erreichen lässt. Zudem belegt das Beispiel, welchen entscheidenden Einfluss die Qualität des Redesigns auf die Wirtschaftlichkeit eines Projekts haben kann. Der Anwender entschied sich angesichts der massiven Verbesserungen, seine Sauggreifer künftig in dem optimierten 3D-Druck-Design fertigen zu lassen.