3D Systems AM-Technologie: Fördertöpfe für die Automationstechnik

Fördertöpfe werden für die Ausrichtung und Aufreihung von Komponenten zur Entnahme in der Automatiserung verwendet.

Fördertöpfe werden konventionell mehrheitlich aus Stahlblech, rostfreiem Stahl oder Aluminium durch Zuschneiden, Biegen und Schweißen aufgebaut, gegossen oder aus Vollmaterial gefräst. Ausgeprägte handwerkliche Fähigkeiten sind dabei entscheidend, denn die Töpfe sind sehr komplex aufgebaut. „Jeder neue Fördertopf ist ein einzigartiges Projekt“, erklärt Stefan Freiburghaus, Leiter Entwicklung der Rüfenacht AG. „Es gibt keine Eins-für-alles-Lösung und die Fördertöpfe mit den besten Leistungen erhält man, wenn man für jede neue Komponente wieder bei null anfängt und eine neue, einzigartige Gestalt entwickelt.“

Additiv hergestellte Fördertöpfe können in einem Stück gefertigt werden, wo früher viele Einzelteile in mühevoller Handarbeit montiert werden mussten.

Potenzial der AM-Technologie erkannt

Vor einigen Jahren erkannte Rüfenacht das große Potenzial, das AM-Technologien bieten, indem sie die konventionellen Vorgänge ergänzen oder gar vollständig ersetzen und dabei auch einige ihrer Nachteile eliminieren können. Zwei Faktoren waren ausschlaggebend für die Erweiterung der Produktion auf Additive Fertigung. Zum einen ermöglicht es der Einsatz von AM, einen größeren Teil der Produktion in die eigene Firma zu verlegen. Zuvor wurde z. B. der Fräsprozess von einer externen Partnerfirma durchgeführt. Die Umstellung auf Additive Fertigung bot somit die Gelegenheit, einen größeren Teil der Wertschöpfung auf das eigene Unternehmen zu verlagern und gleichzeitig den Koordinationsaufwand für die einzelnen Fertigungsschritte zu reduzieren.

Der zweite Faktor war die Reproduzierbarkeit des additiven Prozesses. Ein verbreitetes Problem der konventionellen Herstellung von Fördertöpfen ist die hohe Anfälligkeit für Abweichungen, die durch die handwerklich geprägte Fertigung bedingt ist. So können sich zwei konventionell gefertigte Kopien des gleichen Fördertopfes in ihrer Performance deutlich unterscheiden, selbst wenn sie vom selben Facharbeiter gefertigt wurden.

Die Umstellung auf AM führte nicht nur zu einheitlicheren Produkten. Nun können leicht Ersatzteile oder bei Bedarf auch zusätzliche Kopien der Töpfe geliefert werden, wenn Kunden die Kapazität ihrer Produktionslinien erweitern wollen.

In einer ProX 500 können die Fördertöpfe in einem Stück aufgebaut werden und sind nach der Reinigung sofort einsetzbar.

FDM und SLS – zwei Additive Fertigungsmethoden

Die Rüfenacht AG ist das erste Unternehmen in der Schweiz, das Fördertöpfe mit der Additiven Fertigungsmethode des Selektiven Lasersinterns SLS herstellt. Da das Unternehmen im Vorfeld kaum Erfahrung im Bereich der Additiven Fertigung hatte, wurde ein Zeitraum von sechs Monaten auf die Evaluation der beiden infrage kommenden AM-Technologien FDM und SLS angesetzt. Die elementaren Anforderungen an das hergestellte Produkt sind eine korrekte Übertragung der Vibrationen innerhalb des Fördertopfes und eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit, um die Bewegung der geförderten Teile zu erleichtern. Hinzu kommt die Notwendigkeit eines großen Bauraums für die Fertigung der Töpfe.

Erste Versuche für die Produktion mit FDM zeigten, dass die benötigten Standards mit dieser Fertigungsmethode nicht erreicht werden konnten. Dies äußerte sich hauptsächlich in schlechten Vibrationseigenschaften. Zusätzlich gab es durch den herstellungsbedingten Treppenstufeneffekt Probleme bei der Förderung von sehr kleinen Teilen. Die Produktion von Fördertöpfen mittels SLS aus Duraform PA Pulver in einer ProX 500 Maschine von 3D Systems lieferte dagegen zufriedenstellende Ergebnisse. Die Qualität der Endergebnisse liegt auf einem vergleichbaren Niveau mit konventionell gefertigten Töpfen.

Die Entwicklung und Fertigung eines neuen Fördertopfes mittels Additiver Fertigung dauert etwa zwei Wochen, wobei die Feingestaltung der Modelle im CAD einen Großteil der Zeit ausmacht. Um eine passende Gestalt zu erhalten, greifen die Konstrukteure vor allem auf ihren eigenen Erfahrungsschatz im herkömmlichen Topfbau zurück und können so die meisten Probleme direkt am Computer lösen. Dennoch müssen einige Konzepte oder spezielle Funktionen zunächst mittels Versuchen in konventionellen Fördertöpfen mit Originalteilen des Kunden getestet werden – oder es müssen zunächst bestimmte Teilbereiche des finalen Produkts additiv gefertigt werden. Durch ausreichende Erfahrung und fundiertes Wissen über den Ausrichtungsprozess, kann die Gestaltungsphase aber beschleunigt und Testphasen häufig vermieden werden.

In der Automatisierung stellen Fördertöpfe wesentliche Anlagenkomponenten dar, die viel Know-how beinhalten.

Gestaltungsfreiheit und Rüstzeiten als wichtige Faktoren

Die Gestaltungsfreiheit bei der Additiven Fertigung ist hier ein besonderer Vorteil. Die Konstrukteure sind in der Lage, schnell zusätzliche Funktionen in die Fördertöpfe zu integrieren – etwa pneumatische Kanäle, Sensoren, Rückführungen, Schlitze und Laschen. So können auch Elemente, die bei konventioneller Fertigung in einem zusätzlichen Arbeitsschritt hinzugefügt werden mussten, bereits in die Gestalt des Fördertopfes integriert und alles in einem einzigen Produktionsschritt gefertigt werden.

Auch Rüstzeiten sind ein wichtiger Faktor. Produktionslinien müssen regelmäßig auf ein anderes Format umgerüstet werden, wozu häufig ein Austausch von Wechselteilen im Fördertopf notwendig ist. Die Befestigung dieser Wechselteile erfordert aufgrund der notwendigen Kalibrierung normalerweise erfahrene Mitarbeiter. AM bietet hier die Möglichkeit, kostengünstig den ganzen Fördertopf als Wechselteil zu konzipieren. So kann die Umrüstung auch ohne spezielle Kenntnisse und noch dazu mit weniger Zeitaufwand erfolgen.

Der selektive Fertigungsprozess liefert direkt aus der Maschine Bauteile von ausreichender Qualität. Lediglich nach einer kurzen Sandbestrahlung zur Reinigung der Oberfläche sind die Fördertöpfe sofort einsatzbereit.

Additive Fertigung steigert Wettbewerbsfähigkeit

Durch den Einsatz von AM konnte der gesamte Wertschöpfungsprozess auf das Unternehmen selbst verlagert und die Abhängigkeit von externen Dienstleistern reduziert werden. Dabei wurde auch der Arbeitsaufwand des gesamten Produktionsprozesses verringert und zudem die Reproduzierbarkeit des finalen Produkts verbessert. Die Wertschöpfung läuft nun vollständig über die Gestaltung im CAD.

Wo der Fertigungsprozess zuvor spezialisiertes Fachwissen und profunde handwerkliche Erfahrung verlangte, können nun, basierend auf dem 3D-Modell, zahlreiche Kopien in kurzer Zeit produziert werden. Dies wirkt sich auch auf den Servicebereich der Firma aus, da defekte und abgenutzte Bauteile nicht mehr von Spezialkräften repariert werden müssen. Stattdessen wird einfach eine neue Kopie des entsprechenden Bauteils gefertigt oder gar der gesamte Fördertopf ersetzt. Gerade diese Möglichkeiten erlauben es den Kunden der Rüfenacht AG, ihre Produktionskosten erheblich zu senken, da Stillstandzeiten der Zuführungen in der Produktion auf ein Minimum reduziert werden können. All diese Vorteile konnten die internationale Wettbewerbsfähigkeit und die Innovationskraft der mittelständischen Rüfenacht AG in hohem Masse steigern.