Anwendungen in der Nachbearbeitung

Verbinden, versiegeln und verschönern Sie 3D-gedruckte Bauteile

Verschiedene unkomplizierte Nachbearbeitungen ermöglichen die Herstellung von Prototypen, sich die kaum von Spritzgussprodukten unterscheiden, von anspruchsvollen Werkzeugen und von individuell gefertigten, langlebigen Geräten mit schönem Design und angenehmer Haptik.

Finishing Touch Smoothing Station: Erweiterte Möglichkeiten

Überblick

Die Bandbreite an generativen Fertigungsanwendungen ist umfangreich und nimmt stetig zu. Aufgrund weiterentwickelter Verfahren und Materialien konnte die Industrie den Einsatz der Technologie über das Prototyping hinaus auf die Fertigung ausweiten. Obwohl es vielfältige Anwendungen gibt, ist allen ein Problem gemein: der zugrunde liegende Kompromiss zwischen ästhetischer Qualität und Funktionalität. Die generativen Fertigungstechnologien mit der besten Oberflächenbeschaffenheit wurden klar von den Technologien mit der größten Festigkeit unterschieden.

Nahezu jedes harte, langlebige und feste Bauteil kann so nachbearbeitet werden, dass es über eine glatte, lackierfähige Oberfläche verfügt. Entweder ist jedoch der erforderliche Kosten- und Zeitaufwand untragbar, oder die Auswirkungen auf die Teilegenauigkeit sind unannehmbar. In der Vergangenheit haben sich Unternehmen daher möglicherweise für schwächere, weniger langlebige Alternativen entschieden, um Zeit und Geld zu sparen und präzise Details zu erhalten.

Das Nachbearbeiten von Prototypen, Werkzeugkomponenten oder gebrauchsfertigen Teilen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, mit jeweils unterschiedlichen Auswirkungen auf Lieferzeiten, Kosten und Qualität. Die häufigste Methode ist das manuelle oder maschinelle Schleifen des Teils. Dies funktioniert insbesondere bei Teilen mit einer entsprechenden Größe und wenigen Details recht gut. Wenn das Bauteil jedoch viele und kleine Details oder tiefe Aussparungen aufweist, wird das Schleifen arbeitsintensiv, teuer und zeitaufwändig. Zudem muss berücksichtigt werden, dass beim Entfernen von Material die Maßgenauigkeit zu einer Variablen wird, die sich mit jeder Person ändert, die mit dem Bauteil in Berührung kommt.

Zwischen den Schleifschritten können Grundiermittel oder Füllstoffe auf die Bauteile aufgetragen werden. Diese Technik ist beim Vorbereiten von Teilen für die Lackierung weit verbreitet, da Teile mit äußerst glatten Oberflächen entstehen. Füllstoffe und Grundiermittel tragen auch zur Erhaltung der Maßgenauigkeit bei, da Vertiefungen vor dem Glattschleifen aufgefüllt werden. Dieses lackierfähige Finish hat jedoch seinen Preis. Es dauert bedeutend länger, mehrere Füllstoff- und Grundiermittelschichten aufzutragen, und das Schleifen zwischen den einzelnen Beschichtungen ist arbeitsaufwändig. Dies führt zu längeren Lieferzeiten und höheren Kosten.

Eine weitere Methode zum Glätten von Thermoplastteilen ist das „Schmelzen“ der Außenfläche mit einem Lösungsmittel. Auf die Bauteile kann mit einem Pinsel MEK oder ProWeld aufgetragen werden, oder sie können in ein entsprechendes Bad eingetaucht werden. Durch das Lösungsmittel verflüssigt sich der Kunststoff, und Vertiefungen werden aufgefüllt. Die Lösungsmittel bieten zudem den Vorteil der Versiegelung poröser Flächen. Es gibt jedoch einige Nachteile. Kleine Details werden möglicherweise verformt, Aussparungen werden nicht abgedeckt, und Tropfen hinterlassen sichtbare Spuren. Zudem muss berücksichtigt werden, dass das Trocknen lange dauern kann, wenn das Lösungsmittel tief in die porösen Oberflächen eindringt.

Die Industrie benötigt daher insbesondere für die direkte digitale Fertigung (Direct Digital Manufacturing, DDM) eine Nachbearbeitungstechnik, die die Lieferzeiten und Kosten gering hält und gleichzeitig robuste, funktionale Teile mit hoher Genauigkeit und präzisen Details ermöglicht.

FDM und das Glättverfahren

Jetzt gibt es eine alternative Nachbearbeitungsmethode für die Verarbeitung von FDM-Bauteilen. Dank eines geringen Arbeitsaufwands und kurzer Verfahrenszyklen ist die Finishing Touch Smoothing Station für Prototypen, Werkzeuge und gebrauchsfertige Bauteile geeignet, die ein Finish aufweisen, das lackiert, verchromt oder in der Produktion eingesetzt wird. Die Smoothing Station ermöglicht ein Oberflächenfinish von 32 bis 63 Mikron.

Aufgrund des geeigneten Glättverfahrens ziehen viele Unternehmen nun FDM für Anwendungen in Betracht, für die bislang Konkurrenztechnologien eingesetzt wurden. In vielen Fällen galt FDM als Wunschlösung, allerdings entsprach der Zeit- und Kostenaufwand für die Nachbearbeitung der Teile nicht der jeweiligen Anwendung. Mit der Smoothing Station erhalten diese Unternehmen die Festigkeit von FDM-Bauteilen kombiniert mit der erforderlichen Oberflächenbeschaffenheit.

Die Smoothing Station besteht aus zwei Kammern: eine zum Kühlen und Aushärten und eine weitere zum Glätten. Zum Herabsetzen der Temperatur werden die Bauteile zunächst in die Kühlkammer eingesetzt. Anschließend gelangen sie für eine Dauer von 10 bis 30 Sekunden in die Glättkammer. Aufgrund der geringeren Temperatur des Teils kondensiert das Glättungsmittel auf allen Details gleichmäßig. Hierbei bedeckt es die Oberfläche des Bauteils und glättet diese mit einem feinen Finish. Lassen Sie das Teil 15 bis 20 Minuten lang aushärten. Schleifen Sie das Teil leicht ab, und wiederholen Sie gegebenenfalls den Zyklus. Das Schleifen ist nicht erforderlich, sorgt jedoch für optimale Ergebnisse. Der Zyklus wird gegebenenfalls wiederholt. Anschließend ruhen die Teile in der Trockenkammer. Die Teile fühlen sich nach 30 bis 45 Minuten trocken an. Optimale Ergebnisse werden erzielt, wenn die Teile 12 bis 18 Stunden aushärten.

Bei Entnahme aus der Smoothing Station verfügen die Bauteile über ein glänzendes Finish. Wenn ein mattes Finish gewünscht wird, sollten die Bauteile nach dem Glätten mit einer Sandstrahlanlage geschliffen werden. Stratasys empfiehlt eine Anlage mit: einer Spritzdüse mit höchstens 30 psi bzw. 2,068 Bar sowie einem Hüllmaß von 1016 x 509 x 508 mm. Beim Glätten der Oberfläche mit dem Kunststoffstrahlmittel PolyHard Type III (online unter www.ustechnology.com/ stratasys zu bestellen) erhält das Teil eine einheitliche, satinierte Textur, die Spritzgussteilen ähnelt.

Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine schonende, berührungsfreie Nachbearbeitungsmethode für FDM-Bauteile. Hierbei werden kleine Details vor Verformungen oder dem versehentlichen Entfernen geschützt. Zudem bleibt die Maßgenauigkeit des FDM-Bauteils erhalten.

Diese Schlussfolgerungen wurden von Studien an der University of Texas in El Paso (UTEP) des W.M. Keck Center for 3D Innovation bestätigt. Laut Frank Medina, eines Managers des W.M. Keck Centers, „beträgt die Genauigkeit des FDM 400mc +/- 0,013 mm. Im Rahmen des Glättverfahrens wird das Teil nicht mehr als 0,023 mm verändert. Daher kommen wir zu dem Schluss, dass die Veränderungen hinsichtlich der Genauigkeit nach drei Durchgängen unerheblich sind.“ Bei einer anderen Untersuchung an der UTEP, die von David Espain, Frank Medina und Ryan Wicker durchgeführt wurde, stellte das Team fest, dass die Maßgenauigkeit von der Anwendungsdauer oder -anzahl im Wesentlichen nicht beeinflusst wird. Das Team fand zudem heraus, dass 80 Minuten ausreichen, um das Bauteil nach der Entnahme aus der Glättkammer vollständig auszuhärten.

Dank der Smoothing Station kann FDM einmal mehr für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Oberflächentextur ebenso wichtig ist wie Funktionalität, Lieferzeit und Kosten des Teils. Eine typische Serie von FDM-Bauteilen kann in weniger als zwei Stunden und mit einem Arbeitsaufwand von weniger als 15 Minuten verarbeitet und für die Lackierung vorbereitet werden.

Anwendungen

Zu den Beispielen für die praktische Anwendung des Glättverfahrens gehört das gesamte Spektrum von lackierten Marketingproben bis hin zur Fertigung von Endprodukten. Mit der Einführung der Smoothing Station wurde die Anwendungsbandbreite der Fortus-Systeme erheblich erweitert. Dank des Glättverfahrens erweitern Unternehmen den Einsatz von FDM auf Anwendungen, die sowohl Funktionalität als auch glatte Flächen erfordern. Zu diesen Anwendungen gehören: 1. Das Nachbearbeiten von Vorlagenteilen durch Lackieren oder Galvanisieren, 2. Werkzeugvorlagen, 3. Versiegeln von Teilen für Anwendungen mit Flüssigkeiten, 4. Warmformen und 5. Präzisionsguss.

Lackieren:

Ein führender Autohersteller schätzt, dass das Vorbereiten der Lackierung eines Kühlergrillprototyps drei Tage dauert und 700 USD kostet. Im Lauf der drei Tage bringen die Arbeiter Füllmaterial auf, schleifen alle Oberflächen, sprühen Grundiermittel auf, schleifen die Oberflächen erneut und tragen abschließend eine Grundierungsdeckschicht auf. Im Gegensatz dazu, kann derselbe Kühlergrill in weniger als zwei Stunden geglättet und für die Lackierung vorbereitet werden. Die Gesamtarbeitszeit für das Glättverfahren beträgt nur 45 Minuten und kostet weniger als 10 USD. Während bereits die Kosten- und Zeitersparnis von 90 Prozent beeindruckend ist, stellte das Unternehmen fest, dass der eigentliche Vorteil in der verkürzten Fertigungszeit liegt.

Um die Zeit für das manuelle Schleifen des Kühlergrills zu verkürzen, würde der Autohersteller das FDM-Bauteil in genau der Ausrichtung fertigen, in der es später in das Auto eingebaut wird. Zudem würde das Teil mit einer geringeren Schichtstärke konstruiert. Durch das Glätten entfielen diese beiden zeitaufwändigen Schritte. Indem der Grill auf dem Rücken liegend und mit stärkeren Schichten gefertigt wurde, konnte das Unternehmen die Herstellungsdauer um mehr als die Hälfte verringern. Dadurch wurden die Teilekosten gesenkt, die Lieferung beschleunigt und die Maschinenkapazität erhöht. Die größere Kapazität und die kürzeren Lieferzeiten führten zu einem reduzierten Outsourcing, sodass die Prototypingkosten weiter gesenkt wurden und vertrauliche Designdaten das Unternehmen nicht verlassen mussten.

Ein führender Baby- und Kinderspielzeughersteller vermutet, dass beinahe die Hälfte aller pro Jahr hergestellten generativen Fertigungsteile lackiert werden. Um diese Teile für das Lackieren vorzubereiten, werden sie geschliffen, gefillert, mit einer Grundierschicht besprüht und erneut geschliffen. Dieser Ansatz bringt ein Prototyping mit langen Lieferzeiten, großem Arbeitsaufwand und erheblichen Kosten mit sich.

Das Unternehmen verglich am Beispiel der Lackiervorbereitung eines Kindersitzes den manuellen Nachbearbeitungsansatz mit dem Glättverfahren. Es stellte fest, dass die Lieferzeit und die Kosten um mehr als 80 Prozent gesenkt werden konnten. Während das Glättverfahren in weniger als zwei Stunden und für weniger als 40 USD abgeschlossen werden konnte, erforderte das Schleifen und Grundieren sechs Arbeitsstunden und mehr als 250 USD.

Warmformen:

Für das Prüfen von Entwürfen verwendete ein Hersteller von Lebensmittelverpackungen beim Warmformverfahren FDM-Formen. Der Vorteil einer FDM-Form besteht darin, dass sie porös gefertigt und somit ein Vakuum durch das gesamte Teil gezogen werden kann. Daher sind FDM-Formen sofort nach der Fertigung einsatzfähig. Das Unternehmen verwendete diese Formen jedoch nicht als Marketingproben, da deren poröse Oberflächen zu rau waren.

Experimente haben gezeigt, dass die FDM-Form dank des Glättverfahrens nun für beide Zwecke verwendet werden kann. Im Anschluss an die Entwurfsprüfung wird die FDM-Form geglättet. Das glänzende Finish eignet sich ideal für die warmgeformten Marketingproben. Dank des Glättverfahrens kann das Unternehmen nun an einem Tag Entwurfsmodelle und Marketingproben warmformen.

Die einzige kleine Einschränkung des Glättverfahrens besteht darin, dass die Oberfläche des Bauteils versiegelt wird, sodass ein Vorteil der FDM-Wärmeformen zunichte gemacht wird. Das Unternehmen fand jedoch heraus, dass die Haut des FDM-Bauteils an bestimmten Stellen aufgeraut werden kann. Da das Glättverfahren eine Eindringtiefe von nur 0,25 mm aufweist, können Techniker die Formoberfläche mit einem beliebigen spitzen Werkzeug perforieren.

Galvanisieren:

Galvaniseure haben festgestellt, dass beim Glätten zwei grundlegende Funktionen in einem Vorgang durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind schnellere Lieferzeiten, geringere Ausgaben und eine höhere Qualität.

Vor dem Galvanisieren müssen die Teile geglättet und abgedichtet werden. Raue Oberflächen sind auf dem galvanisierten Teil sichtbar, und durch die Porosität können die Galvanisierungslösungen in das Innere des Bauteils eindringen. Die herkömmlichen, manuellen Glätt- und Versiegelungsverfahren führen zu langen Lieferzeiten und direkten Arbeitskosten. Zudem ergibt sich eine uneinheitliche Teilequalität und -genauigkeit.

Um beim manuellen Schleifen von Teilen den Glättegrad von polierten Metallflächen zu erhalten, ist ein großer Zeitaufwand erforderlich. Zudem sind einige handwerkliche Fähigkeiten vonnöten, was zu einer uneinheitlichen Teilequalität führen kann. Entsprechend kann es beim Versiegeln der Teile mit einem Grundiermittel zu einem ungleichmäßigen Auftrag der Grundierung und zu leitfähigen Beschichtungen kommen. Alternativ können die Teile in Lösungsmittel getaucht werden, wobei jedoch präzise Details beschädigt werden können. Das Eintauchen erfordert zudem lange Trocknungszyklen von ein bis zwei Tagen.

Beim Glättverfahren werden hingegen kleine Details der galvanisierten Teile geschützt und die Maßgenauigkeit beibehalten. Zudem wird hierbei der direkte Arbeitsaufwand ebenso verringert wie die Verarbeitungszeit. In den meisten Fällen sind die Teile in weniger als zwei Stunden galvanisierungsfähig.

Guss:

Sand- und Präzisionsgießereien haben FDM eingeführt, um die Muster- und Formfertigungsverfahren zu beschleunigen. Die letzte verbleibende Schwierigkeit auf dem Weg zu kürzeren Lieferzeiten für qualitativ hochwertige Gussprodukte war die Oberflächenbeschaffenheit. Da die Qualität des Gusses von der Qualität des Musters oder der Form abhängt, wird in die manuelle Nachbearbeitung jedes einzelnen FDM-Bauteils Zeit und Arbeit investiert.

Beim Präzisionsguss ist die manuelle Nachbearbeitung ein wiederholter Prozess, da für jeden Metallguss ein FDM-Muster verbraucht wird. Abgesehen von den zeitlichen und finanziellen Auswirkungen, erschwert das manuelle Bearbeiten der Muster zudem das Beibehalten der Maßgenauigkeit der einzelnen Teile. Das Glättverfahren begegnet allen drei Problemen gleichzeitig. Die Smoothing Station kann in einem Durchlauf mehrere FDM-Muster in weniger als einer Stunde und mit einem direkten Arbeitsaufwand von nur wenigen Minuten verarbeiten. Zudem ist das Glättverfahren für alle Teile identisch, sodass eine konsistente Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit gewährleistet ist.

Sandgießereien verwenden FDM-Muster, um Kern-, Ober- und Unterkästen sowie Modellplatten herzustellen, die Sand für das Fertigen der Gussform verdichten. In den Gießereien werden diese Produkte zudem direkt in einem Fortus-System hergestellt, sodass keine Muster erforderlich sind. Egal, ob es sich um ein FDM-Muster oder eine FDM-Form handelt: Mit dem Glättverfahren wird der direkte Arbeitsaufwand ebenso verringert wie die Lieferzeiten für Produktionssandgussteile.

Der Vorteil des Glättverfahrens wird beim Herstellen komplexer Sandgussteile wie z. B. für Getriebegehäuse oder Achsschenkel noch deutlicher. Eine Gießerei musste feststellen, dass zum Reproduzieren der inneren Kanäle und Aussparungen komplexer Teile Dutzende von Sandkernen, die jeweils in unterschiedlichen Kernkästen hergestellt werden, erforderlich sind. Das manuelle Nachbearbeiten eines Dutzends von Kernkästen kann mehrere Tage und zahllose Arbeitsstunden kosten. Durch einen Wechsel zu einem anderen Glättverfahren konnte dieselbe Arbeit in einem Bruchteil der Zeit und mit einem äußerst geringen direkten Arbeitsaufwand erfolgen. Im Endeffekt verzeichnet die Gießerei eine erhöhte Produktionskapazität bei verkürzter Lieferzeit.

Schlussfolgerung

Unternehmen erreichen eine beeindruckende Reduzierung von Lieferzeiten und Kosten, wenn FDM-Bauteile mit der Smoothing Station nachbearbeitet und versiegelt werden. Unabhängig von der Komplexität und Anzahl der Details garantiert die Smoothing Station in nur wenigen Stunden ein lackierfähiges Finish. Dabei ist weniger als eine Arbeitsstunde und Material im Wert von lediglich 10 USD erforderlich.

Die Smoothing Station hat das Nachbearbeitungsverfahren für die generative FDM-Fertigung grundlegend automatisiert. Sie beseitigt den Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwand für das Schleifen, Fillern und Grundieren der Teile und sorgt dennoch für eine glatte Oberflächenbeschaffenheit von Produktionsteilen, Werkzeugprototypen und lackierten Proben. Auf diese Weise beseitigt die Smoothing Station jegliche Kompromisse zwischen ästhetischer Qualität und Produktfunktionalität.

Kindersitz


Verfahren

Lieferzeit

Arbeitskosten

Materialkosten

Manuelles Schleifen

1,5 Tage

USD $240

USD $15

Glätten

2 Stunden

USD $30

USD $10

EINSPARUNGEN

83%

84%

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