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Werkzeugbau

3D-Druck-optimiertes Redesign eines Sauggreifers

| Redakteur: Dorothee Quitter

Durch Neukonstruktion eines Greifers mithilfe additiver Fertigung konnten die Funktion optimiert, das Gewicht reduziert und die Herstellkosten halbiert werden.

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Die neue Formgebung stellt eine homogene Verteilung des Unterdrucks an den Saugpunkten sicher.
Die neue Formgebung stellt eine homogene Verteilung des Unterdrucks an den Saugpunkten sicher.
(Bild: Materialise/Cadera Design)

Produktionswerkzeuge zählen zu den Anwendungsbereichen, in denen die Additive Fertigung ihre Stärken oft voll ausspielen kann. Ein anschauliches Beispiel dafür liefert die Neugestaltung eines, bisher herkömmlich hergestellten, Sauggreifers, der in einer Serienproduktionsanlage leichte, zylindrische Objekte anhebt. Wie bei allen Redesign-Ideen musste sich der Anwender zunächst die Frage stellen, ob sich der 3D-Druck auch bei diesem Produktionswerkzeug wirklich lohnen würde. Ein Abgleich seiner Anforderungen an den Greifer mit den Möglichkeiten des 3D-Drucks führte jedoch zu einem eindeutigen Ergebnis:

  • Halbierung der Herstellungskosten
  • Geringeres Gewicht
  • Ausführung schnellerer Bewegungen
  • Kürzere Greifzyklen
  • Bessere Unterdruckverteilung
  • Weniger Leckagen

Eigenentwicklung nicht optimal

Bei der Wahl des Materials entschied sich der Greiferanwender 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 ihm 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 Greiferanwender selbst ein Design für die Additive Fertigung entwickelt hatte, nahm er mit Materialise Kontakt auf, um das Bauteil dort produzieren zu lassen. Das Team des 3D-Druck-Dienstleisters und Software-Herstellers erkannte, dass die Gestaltung noch weiter zu verbessern war. Zwar bot die vorhandene Konstruktion bereits eine signifikante Gewichtsreduzierung, jedoch lagen die Produktionskosten gegenüber der ursprünglichen Fertigungsweise höher und auch die internen Kanäle des Sauggreifers waren aerodynamisch nicht optimiert.

Keine Supportstrukturen im Inneren

In Absprache mit dem Greiferanwender machte sich Materialise an die weitere Optimierung des 3D-Druck-Designs. Im Folgenden wurde eine Freiformmodellierung durchgeführt und die Geometrie in Abhängigkeit zum Druckprozess optimiert. Dazu wurde eine Vorschaufunktion genutzt, die alle notwendigen Supportbereiche für ein Bauteil in der jeweils gewählten Bauteilorientierung anzeigen kann. So konnte sichergestellt werden, dass im Innern des Bauteils keine Supportstrukturen nötig waren, um die zusammenwachsenden Wände zu drucken.

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Das Design-Team richtete die Teile im Bauraum so 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 verringerten sie 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.

Gewicht auf ein Minimum reduziert

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 3D-Metalldruck – 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 mit dem Bauteil in unkritischen Bereichen 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 ersten 3D-Druck-Modell wurde 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.

Kosten halbiert

Ein Vergleich von Volumenwerten und Herstellungskosten zwischen Ursprungsgreifer, dem ersten 3D-Druck-Modell und der finalen Konstruktion zeigt, welche beachtlichen Fortschritte gemacht wurden: Während das erste 3D-Druck-Modell bereits 79 % weniger Volumen besaß als der gefräste und gebohrte Ursprungsgreifer, besitzt der verbesserte Greifer sogar nur noch 6 % 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 Greiferanwenders wäre dagegen sogar 6 % teurer in der Herstellung gewesen.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

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