In der industriellen Fertigung sind die richtigen Geschwindigkeiten für Werkzeuge oder Vorrichtungen bekannt, was die Produktivität erhöht. Aber das ist erst der Anfang. Gut konzipierte Werkzeuge sind ergonomischer und bieten sowohl eine erhöhte Arbeitssicherheit und Produktivität als auch Kosteneinsparungen.
Bei der herkömmlichen Bearbeitung werden schwere, teure, mehrteilige Werkzeuge hergestellt, die zu einer noch größeren Belastung werden, da Verletzungen durch wiederholte Bewegungen die Produktivität der Fertigungslinie durch Arbeitsunfähigkeit der Mitarbeiter beeinträchtigen. Eine Neukonstruktion bedeutet noch längere Lieferzeiten für bearbeitete Teile.
Obwohl Werkzeuge und Vorrichtungen für Effizienz, Genauigkeit und Sicherheit unerlässlich sind, werden sie im gesamten Produktionsprozess oft als notwendiges Übel betrachtet. Kostspielige, langwierige Fristen für bearbeitete Vorrichtungen und Befestigungen sind hier der Grund, insbesondere für die oft komplexen Designs, die erforderlich sind, um die Anforderungen an einzigartige Teile zu erfüllen.
Dies, zusammen mit bestimmten komplexen Designs, die mit herkömmlichen Methoden einfach nicht hergestellt werden können, ist in der Produktion Realität. Aber es gibt einen besseren Weg.
3D-gedruckte Werkzeuge und Vorrichtungen für die Produktion können die Herstellungskosten um 50–90 % senken.
Die Mission von BOOM ist klar: die Welt durch die Entwicklung eines Flugzeugs, das doppelt so schnell ist wie die heutige kommerzielle Flugzeugflotte, deutlich zugänglicher zu machen, wodurch die Welt wiederum doppelt so klein wird. In einer Branche, in der Innovation der Schlüssel zum Erfolg ist, darf die Bedeutung von Werkzeugen zur Unterstützung sich schnell entwickelnder Designs nicht unterschätzt werden. „Hier kommt der 3D-Drucker ins Spiel“, sagt Ryan Bocook, Fertigungsingenieur.
Geschwindigkeit ist das Herzstück von BOOM, und die Möglichkeit, die Entwicklungszeit durch schnelle Iteration eines Teils zu verkürzen, bedeutet, dass die Beschaffungsvorlaufzeit verkürzt wird. Laut Bocook können wir mit der additiven Fertigung "innerhalb weniger Stunden ein kundenspezifisches Werkzeug entwerfen und bauen".
BOOM hat kürzlich eine Ausrichtungslehre gebaut, um das Material- und Prozesslabor bei der Herstellung von Testmustern für den XB-1 Überschall-Demonstrator zu unterstützen. "Wir haben Bohrvorrichtungen mit Taschen für Bohrbuchsen und Werkzeugkugeln gebaut, um Teile im Flugzeug sehr genau zu lokalisieren."
Die Kosteneinsparungen durch additiv gefertigte Vorrichtungen und Halterungen bei BOOM sind erheblich. „Ich habe kürzlich ein kleines Teil für eine Montagevorrichtung von zwei Maschinenwerkstätten anbieten lassen. Beide lagen über 1.000 $ pro Teil über dem Preis, zu dem ich sie in 3D drucken lassen konnte“, so Bocook. „Ganz zu schweigen von der Vorlaufzeit und den Versandkosten."
Additiv gefertigte Werkzeuge sind heute eine tragende Säule bei BOOM Supersonic, aber der Wert der Werkzeuge geht über Zeit- und Kosteneinsparungen hinaus. Die Komplexität des Designs, die mit herkömmlicher Bearbeitung nicht möglich ist, bedeutet, dass die einzige Einschränkung von Boom ihre Vorstellungskraft ist. "Wenn wir daran denken, können wir es drucken und ausprobieren", sagt Bocook.
Ratschläge von Ryan Bocook von BOOM:
1. In vielen Fertigungsbereichen ist die Nutzung von 3D-Druckern auf einige wenige Mitarbeiter beschränkt. „Das ist kontraproduktiv. Lassen Sie Ihr Team die Möglichkeiten erkunden. Ermöglichen Sie den Zugang zum gesamten Betrieb. Geben Sie ihnen ein Materialbudget und Zeit an der Maschine. Ich wette, sie werden Dinge drucken, die Ihre Herangehensweise revolutionieren werden."
2. Wählen Sie den richtigen 3D-Drucker. Alle Vorteile des 3D-Drucks, einschließlich Geschwindigkeit, Kosten und Iterationen, gehen verloren, wenn der 3D-Drucker schwer zu bedienen ist oder ständig gewartet werden muss. „Unsere Stratasys-Maschinen sind im Grunde genommen eine berührungs- und lichtlose Fertigung und erfordern nur sehr wenig Aufwand, um in Betrieb zu bleiben. Ich kann jeden in der Werkstatt darin schulen, die Maschinen einzurichten und zu bedienen, und sie sind noch am selben Tag ohne Probleme einsatzbereit."
Liberty Electronics, eine Auftragsfertigungswerkstatt, die High-End-Baugruppen für die Militär-, Luft- und Raumfahrtindustrie in Pennsylvania herstellt, begann mit dem 3D-Druck von Vorrichtungen, um Zeit und Kosten bei der kundenspezifischen Werkzeugherstellung zu sparen. Am Ende retteten sie etwas noch Wertvolleres – die Gesundheit und den Lebensunterhalt der Arbeiter.
Der Wert eines ergonomisch gestalteten Werkzeugs liegt auf der Hand: Eine effizientere Produktion entsteht durch besseres Design, geringes Gewicht und die Möglichkeit, schnell individuelle Vorrichtungen zu entwerfen. Aber laut George Allman, Manufacturing Engineering Supervisor bei Liberty, umfasst Effizienz nicht nur die Zeit bis zum Teil, sondern auch die Mitarbeiterbindung.
Für eine Mitarbeiterin war ein einmaliges Sonderwerkzeug in 3D gedruckt worden, das es ihr ermöglichte, trotz einer schmerzhaften Erkrankung ihren Job fortzusetzen. Der Erfolg dieses kundenspezifischen Werkzeugs brachte Liberty dazu, über den wahren Wert von ergonomisch gestalteten und 3D-gedruckten Werkzeugen nachzudenken.
"Wir wollen unsere Mitarbeiter halten", sagt Allman. "Wir wollen Vorkehrungen treffen, die es den Menschen ermöglichen, sicher und kontinuierlich zu arbeiten."
Bereits 2013 kaufte das Unternehmen seinen ersten 3D-Drucker, eine Stratasys uPrint SE™, was den Kauf einer Fortus 380mc™ und einer Objet30 Prime schnell rechtfertigte™. "Die Kosten enden nicht mit dem Preis der Verletzung selbst", sagt Allman, "es sind die zugrunde liegenden Kosten für Produktivitätsverluste, verlorene Zeit und Überstunden." Für Liberty wurde die anfängliche Investition in den 3D-Druck schnell durch die Einsparungen bei der Steigerung der Produktivität und der Mitarbeiterbindung sowie durch den Wegfall von Outsourcing ausgeglichen.
~65% Reduzierung der Prozesszeit pro Aufgabe
300% Steigerung der Produktivität
~85% Kosteneinsparungen durch 3D-gedruckte kundenspezifische Teile im Vergleich zum Outsourcing
Eckhart, ein führender Anbieter fortschrittlicher industrieller Lösungen, arbeitet daran, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz in der Fertigung zu verbessern. In Branchen, von medizinischen OEMs bis hin zur Automobilindustrie, hilft das in Michigan ansässige Unternehmen bei der Anpassung von Fabriklösungen und passt ihre Lösungen an die individuellen Bedürfnisse jedes Kunden an.
"Unsere Kunden wollen bewährte Lösungen, langlebige Lösungen; Die Montageumgebung ist rau", sagt Bob Heath, Anwendungsingenieur für additive Fertigung. Sich wiederholende Aufgaben können für die Mitarbeiter besonders belastend sein. "Diese Werkzeuge werden 60 Mal pro Stunde für eine 8-Stunden-Schicht, 3 Schichten pro Tag, 6 bis 7 Tage die Woche eingesetzt."
Eine Möglichkeit, wie der 3D-Druck Eckhart dient, ist die Verringerung der wiederholten Belastung des Bedieners. Die Möglichkeit, maßgeschneiderte, ergonomische Werkzeuge zu entwerfen, die zudem viel leichter sind als herkömmlich konstruierte Werkzeuge, ist ein Vorteil des additiven Verfahrens bei Eckhart. Aber die heutige Fertigungsumgebung hat auch mit einem anderen Defizit zu kämpfen – dem Mangel an Fachkräften.
"Der Mangel an Fachkräften ist ein Thema, das wir ständig von unseren Kunden hören, und ein Teil unserer Arbeit besteht darin, diesen Bedarf zu decken", sagt Drew Morales, Director of Business Development and Engineering Systems. 3D-gedruckte Werkzeuge helfen dabei, Lösungen bereitzustellen, die dazu beitragen, den Mangel an Arbeitskräften auszugleichen, und "die Fähigkeiten eines Bedieners so zu projizieren, dass einer das Gleiche sein kann wie fünf ... ", sagt Morales.
Ein Teil des Erfolgs von Eckhart im 3D-Druck ist auf die Robustheit und die vielseitigen Materialien zurückzuführen, die mit den 3D-Druckern von Stratasys verfügbar sind. "Mit technischen Materialien von Stratasys wie FDM Nylon 12™ Carbon Fiber und ULTEM™ 1010 resin sind wir in der Lage, langlebige Lösungen herzustellen, die den Strapazen einer Automobilumgebung standhalten", sagt Heath.
Wenn der Erfolg eines Unternehmens von seiner Fähigkeit abhängt, sich schnell anzupassen, können Werkzeuge aufgrund der Zeit bis zum Teil und der Kosten, die damit verbunden sind, zum Hindernis für den Erfolg werden. Nova Tech Engineering, ein Hersteller von automatisierten Maschinen für Geflügelbrütereien weltweit, war mit maschinell bearbeiteten Werkzeugen zufrieden, bis das Unternehmen in die Wachstumsphase eintrat und die Fähigkeit benötigte, schnell zu iterieren. CNC-Bearbeitung, Spritzguss oder RTV-Formteile wurden für das Ingenieurbüro aufgrund der unterschiedlichen Geometrie ihrer Produkte unerschwinglich teuer.
Bestimmte komplexe Teile können nicht immer im Spritzgussverfahren hergestellt werden, und Nova Tech hat die Lösung für diese Herausforderung im 3D-Druck gefunden. Zum Beispiel betrug der Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung von 10 12-teiligen Trägerbaugruppen vier Wochen und fast 45.000 US-Dollar. Mit dem 3D-Druck können diese in drei Tagen zu einem Preis von 1.500 US-Dollar hergestellt werden – eine Ersparnis von 89 % bzw. 97 %.
Für Nova Tech Engineering hören die Vorteile des 3D-Drucks hier nicht auf. "Es gibt weitere Vorteile wie die digitale Inventur der CAD-Konstruktionen, reduziertes Outsourcing, Just-in-Time-Fertigung, eliminierte Werkzeugkosten und die Möglichkeit, Komponenten zu kombinieren", sagt Rooney.
Nova Tech kaufte seine ersten beiden Stratasys 3D-Drucker hauptsächlich für das Prototyping. Nach diesem Kauf erwarb das Ingenieurbüro einen weiteren 3D-Drucker für die Vorproduktion und Fertigung. "Heute verwenden wir diese Drucker für verschiedene Anwendungen wie Rapid Prototyping, die Erstellung von Gussformen, Thermoformen, Vorrichtungen und die Herstellung von Fertigteilen", sagt Rooney.
Werkzeuge sind vielleicht nicht das Erste, woran man denkt, wenn man an Rennwagen für Meisterschaften denkt. Aber Werkzeuge und Vorrichtungen sind eines der vielen Tools im Werkzeugkasten des Team Penske, die für den Sieg auf der Rennstrecke unerlässlich sind. „Technologie spielt heute im Rennsport eine große Rolle“, sagt Tim Cindric, Präsident des Team Penske.
Die additive Fertigung "ermöglicht es uns, den geringsten Zeitaufwand zu nutzen, um eine Idee auf die zuverlässigste und effizienteste Weise auf die Rennstrecke zu bringen."
Die Aktualisierung und Iteration von Teilen ist eines der wichtigsten Elemente eines erfolgreichen Teams. In der Lage zu sein, dies schnell zu tun, kann leicht den Unterschied zwischen Gewinnen und Verlieren ausmachen. Ein gutes Beispiel dafür ist die Neugestaltung des IndyCar-Kraftstoffsondengriffs von Team Penske. Zuvor aus Aluminium gefertigt, war die Idee eines neuen, leichteren, ergonomischeren und stromlinienförmigeren Griffs in Betracht gezogen worden, aber da die Deadline für das Indy 500-Rennen nur noch wenige Tage entfernt war, war die Hoffnung nicht groß, dass das Kunststück erreichbar war.
Doch Team Penske griff auf 3D-gedruckte Verbundwerkstoff-Urmodelle und Sacrificial Tools zurück. Dank der Partnerschaft mit Stratasys konnte Team Penske rechtzeitig zum Rennen sechs neue Sonden herstellen. „Alle unsere Komponenten wurden ohne Ausfälle oder Probleme hergestellt, was für unseren Fertigungsprozess eine beachtliche Leistung ist“, so Andrew Miller, Verbundwerkstoffingenieur bei Team Penske.
Es gibt schnell, und dann gibt es schnell, wenn es um die Werkzeugwechselzeit geht. In der Lage zu sein, ein kundenspezifisches Teil innerhalb von Tagen statt Wochen herzustellen, ist eine Herausforderung, die nur wenige Unternehmen alleine bewältigen können, zumindest zu Beginn ihrer 3D-Druckreise.
Als MAHLE, der Automobilzulieferer, feststellte, dass er nur eine Woche Zeit hatte, um eine kundenspezifische Vorrichtung zu entwerfen, zu bauen und nach Südkorea zu versenden, um den Zeitplan einzuhalten, wandte er sich an Stratasys Direct Manufacturing, um bei der Entwicklung einer HLK-Baugruppe für die Automobilindustrie zu helfen. Ein Teil der Herausforderung bei diesem speziellen Teil bestand darin, dass MAHLE dieses Teil von drei Teilen auf ein Stück konsolidieren wollte. Die additive Fertigung ermöglicht es den Designern, sich von den Zwängen der traditionellen Fertigung zu befreien und ein Teil zu liefern, das sowohl robust als auch präzise ist.
Stratasys Direct Manufacturing bietet Unternehmen wie MAHLE mit seinem Team von Additivexperten und einer breiten Palette von Technologien, die genau die Antwort für Sie sein können, wenn Ihr Zeitplan mehr als eng bemessen ist.
In weniger als einer Woche hatte MAHLE ein neu konstruiertes, maßgenaues und stabiles Teil aus der ganzen Welt geliefert – ein Prozess, der bei herkömmlicher Fertigung 4 bis 5 Wochen gedauert hätte. Dank der Teilekonsolidierung verfügte die Vorrichtung über eine durchgehende und glatte Steckschnittstelle, die nur mit erheblichen Kosten in einer Metallvorrichtung repliziert werden konnte, wodurch MAHLE durch den Einsatz von 3D-Druck anstelle der CNC-Bearbeitung Tausende einsparte.
