Ersatzteile aus dem 3D-Drucker wie dieses mit Carbonfaserverstärkung können der Instandhaltung sehr helfen, schneller und effizienter zu arbeiten. - (Bild: Mark3D)
Bei Dunlop im britischen Coventry werden Produkte für Luftfederungssysteme hergestellt. Entsprechend der Vielzahl an Produktvariationen, Neuentwicklungen und Prototypen sind ständig Werkzeugteile zu ersetzen, zu reparieren oder zu erneuern. Verantwortlich dafür sind Produktionsingenieur Mark Statham und sein Team. Sie haben dafür zu sorgen, dass die Maschinen und Anlagen im Werk immer laufen – denn der Wettbewerb am Markt ist groß.
Doch ein Hemmschuh für das Werk stellt die oftmals nicht ganz einfache Bereitstellung von Ersatzteilen oder neu entwickelten Werkzeugen dar. "Einer der Hauptkosten für unser Geschäft ist die Herstellung von Lohnfertigungsteilen", sagt Statham. "Es ist nicht nur kostspielig, Teile herzustellen, es dauert auch lange, und Zeit ist etwas, was wir heutzutage einfach nicht haben."
Die Herausforderung, die Beschaffung zu beschleunigen und dabei noch Kosten zu sparen, führte Statham und sein Team relativ zügig zum Thema 3D-Druck. Doch die Tatsache, dass viele Druckmaterialien zwar in Sachen Formbarkeit, Anpassung und Bereitstellungsgeschwindigkeit durchaus wettbewerbsfähig waren, doch bei der Stabilität nicht die von Dunlop geforderten Werte liefern konnten, schob den Additiv-Bemühungen recht schnell einen Riegel vor.
Abhilfe schuf die Verbundfaser (Composite) Technologie des US-Unternehmens Markforged, das in Europa durch den Partner Mark3D vertreten wird. Die Entwickler dort waren auf die Idee gekommen, beim Drucken von Bauteilen eine Endlosfaser aus Carbon, Kevlar oder Glasfaser einzulegen. Das so erstellte Material erfüllte die Stabilitätserfordernisse von Statham und seinem Team in Coventry.
Bevor der Produktionsingenieur allerdings einen entsprechenden 3D-Drucker bestellen konnte, galt es, Vergleichsberechnungen zwischen der Bestellung konventionell und additiv gefertigter Ersatzteile anzustellen. Denn wie in jedem wirtschaftlich arbeitenden Unternehmen gilt auch bei Dunlop: Wenn der Return of Investment (ROI) nicht passt, wird die Anschaffung nicht genehmigt.
Zu diesem Zweck erstellte Statham eine Liste von Werkzeugen und Vorrichtungen, von denen zu erwarten war, dass sie in den kommenden Monaten beschafft werden müssten. Dazu kam eine Aufstellung der Elemente, die jährlich ersetzt werden müssen. Heraus kam, dass Dunlop in Coventry zwischen 2013 und 2018 im Schnitt 56.000 Pfund (etwa 64.000 Euro) pro Jahr in den Werkzeugbau investierte. Dazu kamen etwa 8.400 Pfund (9.600 Euro) pro Prototyp.
Laut Stathams Berechnungen bestand die Möglichkeit, mit dem 3D-Druck in den ersten fünf Monaten des Einsatzes 7.300 Pfund (8.300 Euro) im Neuwerkzeugbau und jährlich 4.300 (4.900 Euro) Pfund im Ersatzteilbereich zu sparen. Dazu kommen noch 20.000 Pfund (23.000 Euro) Einsparmöglichkeit im Bereich der Druckgeräte-Werkzeugherstellung. So kam der Produktionsingenieur auf einen möglichen Betrag von 26.800 Pfund (30.500 Euro), der im ersten Jahr eingespart werden könnte. Der Genehmigung stand also nichts mehr im Wege.
Inzwischen steht der 3D-Drucker vom Typ Mark Two in Stathams Büro und tut seinen Dienst. Das Team nutzt ihn zur Fertigung von Endteilen für die Prototypen-Aufhängungseinheiten, großen Montagevorrichtungen mit Metallkomponenten, Kragen für Crimpmaschinen und Werkzeug-Ersatzteile. Die Nutzer sind zufrieden: In einem Fall wurde ein bearbeitetes Teil mit einer Vorlaufzeit von vier bis sechs Wochen in fünfeinhalb Stunden vom 3D-Drucker geliefert. Es passte direkt in die Maschine und die Produktion war sofort im Gange.
Statham hat am 3D-Drucker inzwischen einen Zettel angebracht. Darauf notiert er – wöchentlich aktuell – die eingesparten Kosten. Seinen vom Unternehmen geforderten ROI konnte der Produktionsingenieur übrigens ebenfalls einhalten – allerdings fünf Monate früher als gedacht. Und das Gerät hat Zuwachs bekommen: Dunlop hat in vier weitere 3D-Drucker des Typs investiert.
Additive Fertigung von Ersatzteilen mit Endlosfasern? Wie geht das denn? Mark3D-Geschäftsführer Joachim Kasemann erklärt die Technologie:
Wie funktioniert 3D-Druck mit Endlosfasern?
"Als Technologie nutzen wir das filamentbasierte Verfahren, (FFF). Neben den Endlosfasern ist ein Basismaterial notwendig. Als Basismaterial wird ein PA6 Kunststoff mit bereits integrierten Carbon Kurzfasern verwendet. Der Druckkopf ist mit 2 Druckdüsen ausgestattet: einmal für das Basismaterial und einmal für das Endlosfasermaterial. In der Maschinensoftware, EIGER, lege ich fest, welche Bereiche ich mit Endlosfasern verstärken möchte. Im Druckprozess wird dann genau das ausgeführt. Wenn dann eine Schicht gefertigt wird, wo ich Endlosfaser einlege, dann ist das wirklich pro Schicht eine Endlosfaser, mit einem Anfangs- und einem Endpunkt. Es sind eben keine Segmente. Dadurch erreichen wir die hohen Steifigkeiten."
Für welche Anwendungen eignet sie sich?
"Grundsätzlich alle Anwendungen, die ich bisher zerspanen musste, aber nicht zerspanen wollte. Diese 3D-Drucktechnologie ist kein Fertigungsersatz, sondern eine sehr sinnvolle Fertigungsergänzung zur mechanischen Fertigung. Ideale Bauteile sind: Betriebsmittel, Produktionshilfsmittel, Vorrichtungen, Ersatzteile, weiche Spannbacken, et cetera. Ich erhöhe meine Verfügbarkeit und Unabhängigkeit."
Welche Spezifikationen hat ein so gefertigtes Bauteil im Grundsatz?
"Das lässt sich nicht pauschal beantworten, denn mit jeder Endlosfaser erhöht sich die Festigkeit des Bauteils. Die Carbon Endlosfaser hat beispielsweise eine grundsätzliche Zugfestigkeit von 800 Megapascal."
