Kostenoptimierung von Kleinteilen für den 3D-Druck

Additive Fertigung von Kleinteilen - Beitragsbild

Die additive Fertigung von Kleinteilen (Bauteile <= 50 mm maximale Bauteillänge) kann in vielen Fällen ökonomisch Sinn machen. Dies trifft insbesondere für zwei Anwendungen zu:

  • Nicht standardisierte Bauteile in kleinen bis mittleren Stückzahlen
  • Kleinteile mit einem hohen Individualisierungsgrad

Nicht standardisierte Bauteile: In diesem Fall handelt es sich häufig um Komponenten von Anlagen, Maschinen und Fahrzeugen. Meist versucht man bei kleinen Komponenten auf Standardteile zurückzugreifen. Je nach Konstruktion der Anlage ist dies aber teilweise nicht möglich, sodass die Bauteile spezifisch konstruiert werden müssen.

3D-Druck von Kleinteilen - Automotive

Drehknöpfe im Fahrzeugbau mit den Dimensionen 15 × 15 × 12 mm und dem Gewicht von ca. 1,5 g. Foto: 3Faktur

Bei sehr hohen Stückzahlen (ab mehreren Tausend), wird dabei meist auf den Spritzguss zurückgegriffen. Bei Stückzahlen bis wenige Tausend kann sich jedoch ein 3D-Druck durchaus lohnen. Insbesondere bei komplexen Geometrien kann dies die deutlich ökonomischere Produktionsmethode sein.

Neben dem Preis bietet die additive Fertigung jedoch auch den Vorteil, dass die Konstruktion der Teile jederzeit geändert werden kann, die Vorlaufzeiten nur bei wenigen Tagen liegen und Lagerhaltung minimiert wird, da kleinere Batches bestellt werden können.

Kleinteile mit hohem Individualisierungsgrad: Diese Bauteile sind vor allem in der Medizintechnik und Bausätzen (bspw. für Kits oder im Modellbau) gefragt. Hierbei wird zwar eine hohe Stückzahl an Bauteilen benötigt, jedoch unterscheiden sich viele, im Bereich der Medizintechnik sogar alle voneinander (z. B. patientenspezifische Hörgeräte).

additive Fertigung von Högeräten

Hörgeräte-Gehäuse sind Beispiele für Bauteile mit einem extremen Individualisierungsgrad. Im Beispiel wird jedes einzelne Stück für den entsprechenden Patienten individuell angepasst. Entwickelt wurde dieses hier dargestellte Verfahren (CAMISHA – Computer-Aided-Manufacturing-for-Individual-Shells-for-Hearing-Aids) von der dänischen Firma Widex A/S. Foto: Widex A/S


In beiden Fällen spielen die Kosten der Produktion jedoch eine große Rolle. Speziell bei Kleinteilen gibt es in der generativen Fertigung jedoch ein Problem: häufig sind die Materialkosten gering, jedoch ist der manuelle Aufwand der Bearbeitung der Bauteile hoch, sodass die Kosten in die Höhe schnellen.

Um die Kosten zu minimieren, gibt es für beide Anwendungen zwei Lösungsoptionen: Verstauen der Bauteile in einer Gitterbox (auch genannt „Sinterbox“) oder das Verbinden der Bauteile mit Stegen. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile, reduzieren jedoch den Stückpreis. Das Einsparungspotenzial ist dabei abhängig von der Geometrie der Bauteile. In der Regel ist dies eher relevant für kleine Bauteile.

Nachfolgend stellen wir beide Möglichkeiten etwas näher vor. Alle Hinweise beziehen sich auf das Multi Jet Fusion Verfahren mit dem Material Polyamid 12, da dies am besten und ökonomischsten für Kleinteile geeignet ist.

Verpacken der Bauteile in einer Gitterbox bzw. Sinterbox

Sinterbox Multi Jet Fusion Kleinbauteile

Bei einer Gitter- oder Sinterbox werden die Bauteile zunächst angeordnet (Bild Links), anschließend eine Sinterbox um die Bauteile gelegt (Bild Mitte). Wichtig ist, dass die Bauteile nicht miteinander verbunden sind und innerhalb der Box „frei im Raum“ schweben (Bild Rechts). Abbildung: 3Faktur

Es werden mehrere Bauteile neben- und übereinander im Raum angeordnet. Um die Bauteile wird anschließend eine Gitterbox gezogen. Die einzelnen Bauteile sind weder miteinander noch mit der Box verbunden und schweben innerhalb der Box „frei im Raum“. Die Box wird als Ganzes gedruckt, nachbearbeitet und an Sie verschickt.

Warum kommt es zu Kosteneinsparungen?

Anstatt einer Vielzahl von Einzelteilen wird nur ein einziges Objekt bearbeitet. So werden bspw. anstatt von 15 Einzelteilen, welche alle einzeln angefasst werden müssten, nur die Gitterbox aus dem Drucker entnommen, entpulvert, gereinigt, ggf. gefärbt und verpackt.

Für welche Bauteile eignet sich diese Option?
  • Sehr kleine Bauteile
  • Sätze von Bauteilen (bspw. Modellbausätze mit verschiedenen Teilen, welche zusammengehörig sind)
  • Geometrisch einfach Bauteile (komplexe Modelle sind in einer Sinterbox schwer zu reinigen)
Kosteneinsparungen im 3D-Druck durch Sinterboxen

Das Modell (15 x 15 x 12 mm, 1,5 g Gewicht) kostet bei 20 Stück in der Einzelbestellung ca. EUR 75 gesamt, bzw. EUR 3,77 zzgl. 19% MwSt. pro Stück (Abbilding Links). Durch das Packen in eine Sinterbox reduziert sich der Preis auf ca. EUR 25 oder EUR 1,25 zzgl. 19% MwSt. pro Stück (Abbildung Rechts). Abbildung: 3Faktur

Was ist der Nachteil einer Sinterbox?

Die Box wird von außen gereinigt, sprich es wird mit einer Sandstrahlpistole auf die Box geschossen. Dabei wird nicht jedes Bauteil individuell bestmöglich behandelt, sondern alle Bauteile unspezifisch gereinigt. Folglich kann es zu folgenden Problemen kommen:

  • Es verbleibt Restmaterial oder Strahlgut an den Einzelbauteilen.
  • Filigrane Bereiche oder Komponenten können während der Bearbeitung beschädigt werden bzw. brechen. Dies kann von uns weder kontrolliert noch beeinflusst werden, folglich ist bei Sinterboxen eine Erstattung ausgeschlossen. Wir empfehlen daher, sich unbedingt an die Konstruktionsrichtlinien (bspw. Wandstärke >= 0,5 mm) zu halten, sodass diese Fehlerquelle weitgehend ausgeschlossen werden kann.
Was ist bei der Erstellung der Boxen zu beachten?

Sinterboxen sind eher für erfahrene Anwender, die bereits Komponenten mit 3D-Druck erstellt haben. Man benötigt etwas Erfahrung um die Teile so anzuordnen und zu konstruieren, dass die Bauteile den Reinigungsvorgang unbeschadet überstehen.

  • Der Mindestabstand zwischen den Bauteilen beträgt 3 mm – wir empfehlen jedoch 5 mm, da dies einen effizienteren Reinigungsvorgang ermöglicht.
  • Die Größe der Gitterboxen ist auf maximal 70 x 70 x 70 mm beschränkt.
  • Beachte Sie für die Einzelteile die Konstruktionsrichtlinien (insb. Mindestwandstärke von 0,5 mm für das Multi Jet Fusion Verfahren). Wir können die Einzelkomponenten bei Sinterboxen nur sehr begrenzt auf Druckfähigkeit überprüfen.
Praktisches Vorgehen

Positionieren Sie die Bauteile im Raum an. Dies können Sie mit ihrem eigenen Konstruktionsprogramm oder mit frei verfügbarerer Software tun.

Fügen Sie die Gitterbox hinzu. Sie können entweder die Gitterbox selbst erstellen oder diese hier herunterladen.

Verbinden der Bauteile mit Stegen

3D-Druck Teile mit Stegen verbinden

Die Modelle werden nebeneinander aufgereiht und mit Stegen verbunden. Abbildung: 3Faktur

Die Vorgehensweise ist hierbei denkbar einfach, alle Bauteile werden mit Stegen verbunden. Eine Gitterbox ist dabei nicht notwendig.

Warum kommt es zu Kosteneinsparungen?

Auch hierbei müssen von uns nicht die einzelnen Bauteile, sondern nur ein Stück bearbeitet werden, wodurch sich der Aufwand in der Bearbeitung verringert.

Für welche Bauteile eignet sich diese Option?

Eher für Werkstücke von ca. 20 mm bis 60 mm und wenn es sich um nur ein Objekt handelt, welches mehrfach benötigt wird (kann besser aneinandergereiht werden als unterschiedliche Bauteile).

Kosteneinsparungen im 3D-Druck durch Stegverbindungen

Bei dem Beispielbauteil (48 × 33 × 24,8 mm, Gewicht ca. 7,5 g) reduziert sich der Stückpreis bei 10 Stück von EUR 7,94 zzgl. 19% MwSt. (lins) auf EUR 5,31 zzgl. 19% MwSt. Abbildung: 3Faktur

Was ist der Nachteil dieser Vorgehensweise?
  • Einige Stellen können ggf. Restmaterial bzw. Strahlmaterial enthalten.
  • Die Stege müssen manuell von Ihnen entfernt werden und hinterlassen am Bauteil u. U. sichtbare ‚Narben‘.
  • Beschädigungen sind eher selten. Diese können dann auftreten, wenn Hebelkräfte wirken, sprich die Kette sehr lang und filigran ist.
Was ist bei der Erstellung der Stege zu beachten?
  • Mindestabstand 3 mm.
  • Stege min. 1 mm Durchmesser.
  • Jedes Bauteil muss an mindestens 2 Stellen (äußere Bauteile der Kette), bzw. 4 Stellen (Bauteile in der Mitte) miteinander verbunden sein.
  • Maximale Länge einer Kette 250 mm.
  • Die Kette muss so konstruiert sein, dass diese durch den Werker problemfrei bearbeitet werden können. Große, instabile Konstrukte können zerbrechen und schlecht bearbeitet werden.
Praktisches Vorgehen

Mit gängigen CAD-Programmen sollte die Erstellung kein Problem darstellen. Ein Beispiel wie die Stege mit Meshmixer angebracht werden können, finden Sie nachfolgend:



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