Mehr Designfreiheit bei geringerem Aufwand
Zinkbauteile aus dem 3D-Drucker
Sollen Prototypen per Zinkdruckgießen hergestellt werden, erforderte dies bislang viel Zeit und Geld. Das es auch anders gehen kann, zeigt der 3D-Druck-Spezialist Protiq. Durch einen neuartigen Prozess lassen sich jetzt auch Zinkbauteile aus dem Serienwerkstoff Zamak 5 additiv fertigen.
Bauteile, die aus der Zinklegierung Zamak 5 bestehen, sind in der Industrie weit verbreitet, denn das Material hat sich als Standardwerkstoff für das Zinkdruckgießen etabliert. Die Einsatzbereiche von Zamak 5 reichen von Komponenten, die im Innenraum von PKW montiert sind, über Steckverbinder bis zu Beschlägen in der Fenster- und Möbelindustrie. Mit dem Produktionsverfahren des Zinkdruckgießens lassen sich solche Bauteile in großen Stückzahlen wirtschaftlich herstellen. Dabei wird geschmolzenes Metall mit hohem Druck in eine vorher angefertigte Stahlform gepresst. Diese Urform – das Werkzeug – gibt die Geometrie des Bauteils vor und stellt gleichzeitig den größten finanziellen Aufwand bei der Produktion dar. Die Werkzeugkosten werden typischerweise über die geplante Stückzahl umgelegt, weshalb ihr Anteil bei hohen Stückzahlen zumeist nur wenige Cent beträgt, kleine Chargen aber erheblich verteuern kann (Bild 1).
Besonders in der Entstehungsphase neuer Produkte führen Änderungen an der Bauteilgeometrie zu großen finanziellen Aufwendungen. Jede Anpassung zieht hier eine Adaption des Werkzeugs nach sich, was Kosten von mehreren tausend Euro verursachen kann. Vor diesem Hintergrund wurden die ersten Produktmuster aus dem Serienmaterial bisher möglichst spät hergestellt, wenn die Bauteilgeometrie weitgehend finalisiert ist. Das spart zwar Geld ein, kann jedoch zu Designfehlern führen, die zu diesem späten Zeitpunkt schnell die Entwicklungskosten und -zeiten vervielfachen sowie die pünktliche Markteinführung gefährden.
Funktionsprototypen ohne kostspielige Werkzeuge
Mit dem Ziel, die Freiheit der Produktentwicklung von Zinkbauteilen zu erhöhen, ist es der Protiq GmbH als weltweit erstem 3D-Druck-Anbieter gelungen, einen Prozess zur additiven Verarbeitung des Serienwerkstoffs Zamak 5 zu konzipieren. So lässt sich der für den Zinkdruckguss übliche hohe Zeit- und Kostenaufwand
überwinden. Prototypen sowie Kleinserien können zu einem geringen Bauteilpreis gefertigt werden. Die Herstellung von Prototypen aus Zink stellt dabei ein Weltneuheit dar. Der Werkstoff Zamak 5 weist eine Bruchdehnung von 2 ± 0,5 Prozent und ein Elastizitätsmodul von 70 ± 10 GPa auf. Die Genauigkeit beläuft sich auf ± 0,1 Millimeter und die minimale Wandstärke auf 0,4 Millimeter. Der Wert für die Zugfestigkeit liegt bei 218 ± 40 MPa, während die Bauteildichte größer als 95 Prozent ist.
Durch Nutzung der additiven Fertigung können jetzt also ab sofort bereits in einem frühen Stadium der Produktentwicklung Funktionsprototypen aus Zamak 5 mit den Eigenschaften des späteren Serienbauteils produziert werden. Dazu sind keine kostspieligen Werkzeuge notwendig, denn die Herstellung erfolgt direkt aus den 3D-CADDaten. Die additiv gefertigten Werkstücke lassen sich wie gewohnt galvanisch beschichten, um beispielsweise eine edle hochglänzende Chromoptik zu erhalten. Die typischerweise sehr raue Bauteiloberfläche muss hierzu zunächst poliert werden. Im Gegensatz zum Zinkdruckguss, der sich erst ab einer sehr großen Stückzahl rechnet, ermöglicht der 3D-Druck eine wirtschaftliche Produktion von Einzelstücken und Kleinserien, sogenannten Low Runnern. Durch die additive Fertigung zahlen sich die Produktentwicklung, der Serienanlauf sowie die Ersatzteilversorgung folglich auch bei kleinen Stückzahlen aus (Bild 2).
Produktion gleich nach Auftragseingang
Neben den deutlichen Zeit- und Kostenvorteilen bietet der 3D-Druck von Zinkbauteilen zudem neue Potenziale. Im Gegensatz zum Zinkdruckgießen lässt sich durch den schichtweisen Aufbau der Bauteile fast jede erdenkliche Geometrie erzeugen. Restriktionen durch Materialanhäufungen, Trennungsebenen oder Auswerfern sind nicht weiter zu beachten. Insbesondere kleine und filigrane Bauteile mit neuen Funktionen können so innerhalb eines Tages auf den Markt gebracht respektive mittels selektivem Laserschmelzen in Serie hergestellt werden. Interessant ist darüber hinaus die Möglichkeit, gleichzeitig beliebig viele unterschiedliche Geometrien auf einer Anlage zu fertigen. Das sogenannte Print on Demand erlaubt die direkte, werkzeuglose Produktion von Produkten gleich nach dem Auftragseingang. Auf diese Weise spart der Besteller Lagerkosten ein und der Logistikaufwand reduziert sich ebenfalls auf ein Minimum. Im Bereich des Papierdrucks haben sich derartige Geschäftsmodelle schon etabliert: Der Kunde bestellt sein Buch online und stößt den Druck automatisch an. Das Erzeugnis wird ihm dann am nächsten Tag druckfrisch zugeschickt. Die neue additive Fertigungstechnologie für Zinkbauteile eröffnet dieses neue Geschäftsfeld nun auch für die Herstellung industrieller Bauteile. Wird der Vorteil der unmittelbaren, schnellen Produktion ferner mit der neuen Geometriefreiheit kombiniert, ergibt sich außerdem die Chance, kundenindividuelle Bauteile in Serie herzustellen. „Complexity for free“ist das passende Stichwort. Mit der additiven Fertigungstechnologie lassen sich beispielsweise Produktvarianten oder Beschriftungen frei definieren.
Anwendbarkeit von Änderungen
Zu diesem Zweck umfasst das Leistungsspektrum von Protiq bereits einige OnlineKonfiguratoren. Ohne spezifisches Konstruktions-Know-how kann jeder Nutzer sein individuelles Produkt innerhalb von wenigen Minuten online und kostenfrei designen sowie die Produktion direkt als Print on Demand anstoßen. Wegen der standardisierten und digitalisierten Prozesse bei Protiq sind die Zamak-5-Bauteile in wenigen Werktagen lieferfertig.
Als einzigartig erweist sich ebenfalls das „Instant Pricing“für Zinkbauteile auf der Web-Plattform. Die Herstellbarkeit der vom Kunden übermittelten Bauteilgeometrie wird automatisch überprüft und innerhalb von Sekunden ein Preis für die Fertigung generiert. So muss der Produktentwickler nicht wochenlang auf die Informationen warten und kann schon deutlich früher aussagekräftige Tests durchführen. Darüber hinaus lässt sich jede Änderung am 3D-Modell schnell und kosteneffizient auf einen neuen Prototyp anwenden, was zu einer höheren Flexibilität und einem Mehrwert in der Produktentwicklung führt. Protiq bietet somit die Voraussetzungen, um ergänzend zur Produktion von Prototypen auch kleine und mittelgroße Serien unter höchsten Qualitätsansprüchen herzustellen. Aufgrund der Zertifizierungen gemäß DIN ISO 9001 sowie zum Additive Manufacturer gemäß den Standards nach PPP 11001:2018 durch den TÜV Süd sind dabei die hohen Qualitätsstandards sichergestellt (Bild 3).