Fertigungshilfsmittel sind Werkzeuge wie Vorrichtungen, Halterungen, Lehren, Schablonen und Greifwerkzeuge (EOAT), die in Produktions- und Montageprozessen zum Einsatz kommen. Es handelt sich dabei nicht um Endprodukte oder kundenorientierte Teile, sondern um prozessspezifische Werkzeuge, die dazu dienen, Präzision, Wiederholgenauigkeit, Sicherheit und Effizienz in der Produktstraße zu verbessern. Herkömmlich werden Fertigungshilfsmittel aus Metall durch Zerspanung oder maschinelle Bearbeitung hergestellt, moderne Fertigungshilfsmittel werden jedoch zunehmend im 3D-Druck 3D-gedruckt, um sie zum Leichtbau zu entwickeln, komplexe Geometrien zu ermöglichen und Kosten sowie Vorlaufzeiten bei Kleinserien oder bei häufig wechselnden Anforderungen zu reduzieren.
Zu den wichtigsten Arten von Fertigungshilfsmitteln zählen Werkzeuge und Vorrichtungen, Messgeräte, Schablonen, Greifwerkzeuge (EOAT), Montagehilfen und Umformwerkzeuge.
Jede Art von Fertigungshilfsmittel hat eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Dazu gehören das Führen von Werkzeugen, das Fixieren von Teilen, das Prüfen von Maßen, die Unterstützung der Automatisierung oder die Vermeidung von Montagefehlern. Sie verbessern die Konsistenz, unterstützen die Qualitätskontrolle und tragen zu einem reibungslosen Produktionsablauf bei. Sehen wir uns einige gängige Beispiele an.
Montagevorrichtungen führen ein Schneid- oder Bohrwerkzeug, sodass der Vorgang jedes Mal an derselben Stelle und im gleichen Winkel erfolgt.
Bohrmontagevorrichtungen sind ein gutes Beispiel. Herkömmlich kann die Zerspanung einer gehärteten Bohrmontagevorrichtung mehrere Wochen dauern. Bei der herkömmlichen Zerspanung kann die Herstellung einer gehärteten Bohrmontagevorrichtung Wochen dauern. Wenn sich die Konstruktion des Teils ändert, verursachen Nacharbeiten zusätzliche Kosten und Verzögerungen. Mit der additiven Fertigung lassen sich komplexe Geometrien, integrierte Buchsen und ergonomische Merkmale innerhalb von Stunden drucken, manchmal sogar als Einzelstück.
Spannvorrichtungen halten das Teil in Position. Werkstückspannvorrichtungen stabilisieren Bauteile während der Zerspanung, des Schweißens oder der Montage.
Ihre Herstellung mit herkömmlichen Methoden ist jedoch oft mit langen Vorlaufzeiten, schwereren Stahlwerkzeugen, die zu Belastung und Ermüdung des Anwenders führen, sowie kostspieligen Neukonstruktionen bei erforderlichen Änderungen verbunden.
3D-gedruckte Vorrichtungen hingegen können das Gewicht im Vergleich zu Vorrichtungen aus Metall durch Zerspanung oder maschinelle Bearbeitung um 50–80 % reduzieren. Das verbessert die Materialhandhabung, die Umrüstgeschwindigkeit und die Sicherheit der Anwender.
Für Teams, die keine dedizierten CAD-Experten zur Verfügung haben, vereinfacht GrabCAD Fixturemate die Konstruktion von Vorrichtungen erheblich. Damit können Sie schnell maßgeschneiderte Vorrichtungen erstellen, ohne dass fortgeschrittenes CAD-Design erforderlich ist.
Messgeräte und Prüfvorrichtungen dienen zur Messung der Maßgenauigkeit und Wiederholbarkeit. Dabei kann es sich um einen Lochdurchmesser, ein Gewinde, eine Oberflächenhöhe oder mehrere Merkmale gleichzeitig handeln.
Bei Kleinserien oder der Einführung neuer Produkte kann die Zerspanung von Prüflehren und Vorrichtungen aus Aluminium angesichts der Lebensdauer des Programms übertrieben sein. Der 3D-Druck ermöglicht eine wesentlich schnellere Herstellung maßgeschneiderter Prüflehren, insbesondere für komplexere Formen, deren Bearbeitung schwierig wäre.
Schablonen sind einfache Positionierungswerkzeuge, die zum Markieren, Zuschneiden, Bohren, Fräsen oder Ausrichten verwendet werden. Sie sind in der Fertigung, bei Verbundwerkstoffen, in der Blechbearbeitung, in der Holzverarbeitung und bei großformatigen Baugruppen üblich, wo man ein hochpräzises physisches Teil benötigt.
Herkömmlich werden Schablonen aus Aluminium, Stahl oder Verbundplatten geschnitten. Bei Programmen mit geringen Stückzahlen oder großen Teilen kann die Zerspanung, maschinelle Bearbeitung daher zeitaufwändig und materialintensiv sein.
Mit additiver Fertigung lassen sich Schablonen schnell herstellen, selbst in großen Abmessungen, und sie können komplexe Konturen, Ausrichtungsmarkierungen und teilespezifische Geometrien problemlos bewältigen.
End-of-Arm-Greifwerkzeug (EOAT) ist die an einem Roboter montierte Hardware, die tatsächlich mit dem Teil interagiert, wie z. B. Greifer, Vakuumwerkzeuge, mechanische Finger oder kundenspezifische Aufnahmegeräte. In automatisierten Umgebungen wirkt sich EOAT direkt auf die Produktionszykluszeit, Gewichtsgrenzen und die Betriebszeit aus.
Herkömmlich wird EOAT aus Aluminium durch Zerspanung und maschinelle Bearbeitung hergestellt und aus mehreren Komponenten zusammengesetzt. Es ist langlebig, aber oft schwerer als nötig.
Die additive Fertigung ermöglicht es Ihnen, das Werkzeug gleichzeitig um das Werkstück und den Roboter herum zu konstruieren. Sie können das Gewicht reduzieren, um die Belastung des Roboters zu verringern, Vakuumkanäle intern integrieren, mehrere Komponenten in einer einzigen Konstruktion vereinen und Kontaktflächen so formen, dass sie komplexen Geometrien entsprechen.
Leichtere EOAT bedeutet eine geringere Belastung des Roboters, was die Beschleunigung verbessern und den Verschleiß im Laufe der Zeit verringern kann.
Montagehilfen unterstützen Anwender bei manuellen oder halbautomatischen Montagevorgängen.
Sie können Teile während der Befestigung in Position halten, die Ausrichtung sicherstellen, damit Komponenten nicht falsch eingebaut werden, Kabel oder Schläuche führen und mehrstufige Montageabläufe unterstützen.
In einer geschäftigen Produktsionshalle / Werk / Fertigungshalle / Fertigungsstätte können sich kleine Fehler summieren, daher werden Montagehilfen oft nach Poka-Yoke-Prinzipien („Fehlervermeidung“ auf Japanisch) konstruiert, um fehlerhafte Montagen physisch zu verhindern, anstatt sich auf das Gedächtnis des Anwenders oder Checklisten zu verlassen.
Wir stellen fest, dass maschinell gefertigte Montagevorrichtungen für die Last, die sie typischerweise aufnehmen, oft überdimensioniert sind. Die additive Fertigung erleichtert die Konstruktion leichter, ergonomischer Werkzeuge, die genau auf die Teilegeometrie zugeschnitten sind, was Zeit, Materialkosten und Ermüdung des Anwenders spart.
Zu den Umformwerkzeugen gehören weiche Klemmbacken, Biegewerkzeuge, Beschnittvorrichtungen, Laminierformen, Werkzeuge für das Thermoformen und andere Hilfsmittel zur Teileformung.
In der Großserienfertigung sind Werkzeuge aus gehärtetem Stahl nach wie vor sinnvoll, da sie für Millionen von Zyklen ausgelegt sind. Doch nicht jeder Auftrag wird in dieser Größenordnung abgewickelt, und bei Kleinserien, Brückenwerkzeugen, Übergängen vom Prototyp zur Serienfertigung oder Programmen mit sich weiterentwickelnder Geometrie kann die Zerspanung vollständig gehärteter Werkzeuge Zeit und Budget binden.
Die additive Fertigung wird zunehmend eingesetzt für:
Der 3D-Druck ist eine attraktive Alternative, dank der Geschwindigkeit, der Möglichkeit, die Geometrie der Werkzeuge präzise an das Bauteil anzupassen, schnell zu iterieren und übermäßige Investitionen im Bereich des Werkzeugbaus in der Anfangsphase zu vermeiden.
Fertigungshilfsmittel kommen in den Bereichen Montage, Zerspanung, maschinelle Bearbeitung, Prüfung, Schweißen, Verpackung, Materialtransport und Roboterautomatisierung zum Einsatz. Diese Werkzeuge gewährleisten Wiederholgenauigkeit, reduzieren Ausschuss, kontrollieren die Zykluszeiten und sorgen für einen reibungslosen Produktionsablauf in der Produktstraße. Wenn sie mittels additiver Fertigung hergestellt werden, können sie schneller geliefert und rasch an sich ändernde Produktionsanforderungen angepasst werden.
Auf der Montagelinie ist Wiederholgenauigkeit entscheidend. Werkzeuge und Vorrichtungen positionieren Teile konsistent, sodass Anwender Komponenten ohne Rätselraten befestigen, verkleben oder montieren können. Wenn Teile korrekt gehalten werden, stabilisiert sich die Zykluszeit und die Abweichungen nehmen ab.
Die Herausforderung bei der herkömmlichen Zerspanung ist die Geschwindigkeit. Wenn eine neue Produktvariante auf den Markt kommt oder sich ein Lochmuster ändert, muss die Vorrichtung möglicherweise überarbeitet oder ersetzt werden. Die additive Fertigung ermöglicht eine schnelle Aktualisierung von Montagehilfen und Vorrichtungen, wodurch Ausfallzeiten reduziert werden und die Produktionslinie am Laufen bleibt.
Prüfvorrichtungen und Messgeräte überprüfen, ob Teile die Maßanforderungen erfüllen. Wenn sich die Bereitstellung von Werkzeugen/Werkzeugbau verzögert, verlangsamt sich die Validierung, und frühe Fertigungsdurchgänge sind stärker auf manuelle Messungen angewiesen.
Mit der additiven Fertigung können Sie Prüfvorrichtungen innerhalb von Tagen statt Wochen herstellen, selbst solche mit komplexen Geometrien. Dies führt zu einer schnelleren Validierung, hoher Konsistenz und einer frühzeitigeren Erkennung von Maßabweichungen. Im Fall von Valeo wurde die Prüfzeit von 25 Minuten auf nur 20 Sekunden reduziert.
Vorrichtungen und starre Schablonen halten Teile während des Schweißens oder Klebens in der richtigen Position. Wenn sich Teile verschieben oder falsch sitzen, kommt es zu Verformungen, Fehlausrichtungen und Nacharbeiten.
Herkömmliche geschweißte oder durch Zerspanung oder maschinelle Bearbeitung hergestellte Vorrichtungen sind zwar langlebig, aber oft schwer und langsam in der Herstellung. 3D-gedruckte Positionierungswerkzeuge lassen sich viel schneller herstellen und sind so konzipiert, dass sie leichter und einfacher zu handhaben sind.
Bei Fertigungsaufträgen mit kleinen bis mittleren Stückzahlen hilft dies, die Rüstzeiten zu verkürzen und die Kosten für Werkzeuge/Werkzeugbau zu senken, ohne dabei an Genauigkeit einzubüßen.
Selbst in Werkstätten, die auf die Zerspanung ausgerichtet sind, spielen Fertigungshilfsmittel eine entscheidende Rolle. Weiche Klemmbacken, Bohrvorrichtungen und maßgeschneiderte Werkstückspannvorrichtungen halten Teile während der CNC-Bearbeitung und der Nachbearbeitung sicher fest. Wenn diese Werkzeuge verspätet eintreffen, stehen Maschinen still oder die Anwender müssen improvisieren.
Die additive Fertigung ermöglicht die schnelle Herstellung von weichen Klemmbacken und Bohrvorrichtungen, oft innerhalb von Tagen statt Wochen. Dadurch werden CNC-Kapazitäten für die Herstellung von Endbauteilen statt für interne Werkzeuge freigesetzt, was dazu beiträgt, Engpässe zu reduzieren.
Fertigungshilfsmittel kommen auch zwischen den einzelnen Prozessen zum Einsatz, beispielsweise maßgeschneiderte Bauplatten, Nesting-Vorrichtungen und Stützen, die Teile während des Materialtransports, des Transports und der Verpackung schützen.
Die additive Fertigung erleichtert die Herstellung von Leichtbau-Stützen, die genau der Geometrie des Teils entsprechen. Das verbessert den Schutz und reduziert den Ausschuss.
In automatisierten Zellen muss das Greifwerkzeug (EOAT) Teile sicher greifen und dieselbe Bewegung tausende Male am Tag wiederholen.
Herkömmlich wird EOAT aus Aluminium durch Zerspanung, maschinelle Bearbeitung gefertigt, was gut funktioniert, aber schwerer sein kann als nötig. Die additive Fertigung ermöglicht es, das Werkzeug exakt an das Teil anzupassen und oft leichter zu gestalten.
Ein leichteres Werkzeug reduziert die Belastung des Roboters. In schnelleren Zellen kann dies dazu beitragen, die Bewegungsabläufe zu verbessern und die Belastung des Systems im Laufe der Zeit zu verringern.
3D-gedruckte Fertigungshilfsmittel steigern die Produktionseffizienz, verbessern die Genauigkeit, reduzieren menschliche Fehler, erhöhen die Sicherheit, senken die Kosten für Werkzeuge/Werkzeugbau und ermöglichen eine schnellere Anpassung an Konstruktionsänderungen.
Wir schlagen nicht vor, dass Sie jedes bearbeitete Werkzeug in der Produktsionshalle / im Werk / in der Fertigungshalle / in der Fertigungsstätte ersetzen; gehärteter Stahl und Aluminium sind nach wie vor sinnvoll für Anwendungen mit hohen Stückzahlen, hoher Hitze oder extremer Belastung. Aber mit der additiven Fertigung können Sie, anstatt das Werkzeug zu schützen, weil es sechs Wochen gedauert hat, es zu erhalten, ein paar Stunden damit verbringen, es zu verfeinern, damit es besser funktioniert und besser passt.
Einer der größten Einwände gegen additiv gefertigte Werkzeuge ist die Materialfestigkeit. In der Realität erfordert nicht jede Werkzeuganwendung Aluminium oder Stahl. Bei vielen Fertigungshilfsmitteln kommt es eher auf die Steifigkeit als auf die Bruchfestigkeit an, und technische Kunststoff-Materialien sowie Kohlefaser-Materialien bieten die für die Produktsionshalle erforderliche Steifigkeit, Schlagfestigkeit und thermische Stabilität. Der Schlüssel liegt darin, das Material auf die Anwendung abzustimmen, anstatt standardmäßig auf Metall zurückzugreifen.
3D-gedruckte Werkzeuge können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter Standard-Thermoplaste, technische Kunststoff-Materialien, Hochleistungs-Verbundmaterialien, flexible Materialien und Produktionsharze. Die Wahl des besten Materials hängt von der mechanischen Belastung, der Temperatureinwirkung, der chemischen Beständigkeit und der erforderlichen Langlebigkeit in der Produktsionshalle ab.
Standard-Thermoplaste eignen sich oft ideal für leichte Fertigungshilfsmittel.
Materialien wie ABS, ASA oder Standard-Nylons werden häufig für Montagehilfen, Bohrvorrichtungen für moderate Belastungen, Schablonen und starre Muster, einfache Prüfvorrichtungen sowie Trimm- und Fräsführungen verwendet.
Für Werkzeuge, die nur begrenzten mechanischen Belastungen und geringer Hitzeeinwirkung ausgesetzt sind, sind Standard-Thermoplaste mehr als ausreichend. Sie bieten kurze Druckdauern, geringere Materialkosten und eignen sich gut für Kleinserien oder sich weiterentwickelnde Programme.
Mit der FDM-Technologie erhalten Sie technische Kunststoff-Materialien wie verstärkte Nylons und andere Materialien, die sie zu einer ernstzunehmenden Alternative zur herkömmlichen Zerspanung machen. Sie zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit im Verhältnis zu ihrem Gewicht, hohe Schlagfestigkeit, robuste Ermüdungsfestigkeit, chemische Beständigkeit und hervorragende Formstabilität aus.
Dadurch eignen sich diese Materialien besonders gut für Werkstückhalterungen, Montagevorrichtungen, weiche Klemmbacken, Produktionsbohrvorrichtungen oder großformatige Fertigungshilfsmittel.
In vielen dokumentierten Anwendungen im Werkzeugbau berichten Unternehmen von Kosteneinsparungen von bis zu 70 % und einer Verkürzung der Vorlaufzeiten von Wochen auf Tage, wenn sie bearbeitete Aluminium-Vorrichtungen durch FDM-gefertigte Alternativen ersetzen.
Für die meisten strukturellen Werkzeuge/Werkzeugbau, die nicht in der Nähe eines Ofens oder eines Prozesses mit hoher Temperatur zum Aushärten eingesetzt werden, deckt diese Kategorie ein breites Spektrum an Anwendungsfällen ab.
Wenn Hitze, chemische Einwirkung oder mechanische Beanspruchung zunehmen, kommen Hochleistungsthermoplaste zum Einsatz. Materialien wie Resin - Kunstharz und fortschrittliche Hochleistungspolymere bieten hohe Wärmeformbeständigkeitstemperaturen, robuste mechanische Eigenschaften, hervorragende chemische Beständigkeit und langfristige Haltbarkeit.
Dies macht sie ideal für die Produktsionshalle / Werk / Fertigungshalle / Fertigungsstätte, insbesondere für:
Verbundmaterialien, insbesondere kohlefaserverstärkte Polymere, finden aufgrund ihrer Steifigkeit breite Anwendung im additiven Werkzeugbau. Sie werden zunehmend für große Werkstückspannvorrichtungen, Werkzeuge mit großer Spannweite, EOAT und Robotergreifer gewählt, da sie sich durch hervorragende Festigkeit, geringe Durchbiegung und erhebliche Gewichtsersparnisse gegenüber Metall auszeichnen.
Wenn Steifigkeit wichtiger ist als die Stabilität, sind Verbundmaterialien oft die beste Materialwahl.
Flexible Materialien kommen zum Einsatz, wenn Werkzeuge eine kontrollierte Nachgiebigkeit anstelle von starrem Kontakt erfordern. Sie werden häufig für Greiferpolster, Schutzvorrichtungen und Kontaktflächen mit Bauteilen verwendet, an denen fertige Komponenten zerkratzt oder beschädigt werden könnten.
Durch die Absorption von Vibrationen und eine gleichmäßigere Druckverteilung tragen diese Materialien dazu bei, optische Mängel und Ausschuss zu reduzieren. Langlebige Materialien wie ToughONE für PolyJet verbinden feine Details mit verbesserter Zähigkeit und eignen sich daher für Präzisionsprüfvorrichtungen und Fertigungshilfsmittel aus gemischten Materialien.
Produktionskunstharze und Photopolymere kommen zum Einsatz, wenn Oberflächenfinish und Maßgenauigkeit im Vordergrund stehen. Sie eignen sich gut für Prüfvorrichtungen, Messlehren, Bohrführungen für feine Details und Werkzeuge, die komplexe Geometrien validieren müssen.
Hochauflösende Systeme wie industrielle SLA-Plattformen können große, präzise Werkzeuge mit glatten Oberflächen und engen Toleranzen herstellen. Bei Qualitätsprüfungsanwendungen sind diese Detailgenauigkeit und Wiederholbarkeit oft wichtiger als maximale strukturelle Festigkeit.
