Seit einigen Jahren sorgt der ­3D-Druck – auch additive Fertigung genannt – in zahlreichen Bereichen der industriellen Produktion für vielfältige Innovationen. Da sich die Dauer von der Konstruktion im CAD-Programm bis zum fertigen Bauteil reduziert, lassen sich Entwicklungszeiten und das Time-to-Market ebenso verringern. Durch neu gewonnene Gestaltungsfreiheiten ist zudem die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen möglich, die man bislang nicht konventionell produzieren konnte. Die sich daraus ergebenden Potenziale nutzt ­Protiq unter anderem zur additiven Fertigung von Prototypen im Zinkdruckgießen und Serienbauteilen im Zinkdruckguss-Serienmaterial Zamak.

Prototypen im Zinkdruckgießen

Seit der Erfindung des 3D-Drucks in den 1980er Jahren hat sich die Technologie ­rasant weiterentwickelt. Die ersten 3D-Drucker arbeiteten mit einem UV-­Laser und einem durch die UV-Strahlen aushärtenden Photopolymer-Harz. Die so entstandenen Bauteile eigneten sich vor allem als Anschauungsmuster und Prototypen im Zinkdruckgießen. Mittlerweile hat sich eine Vielzahl neuer 3D-Druckverfahren etabliert, zum Beispiel das selektive Laserschmelzen oder Lasersintern, die eine Herstellung von ­Serienbauteilen erlauben. Damals wie heute bauen sich die Komponenten verfahrensübergreifend Schicht für Schicht auf. Durch diese Prozesse können sogar hochgradig komplexe Geometrien wie aufwändige Freiformflächen oder innenliegende Strukturen effizient produziert werden. Die Fülle der vorhandenen 3D-Druckverfahren gestattet ferner die Verarbeitung einer großen Bandbreite an Werkstoffen. Als Dienstleister für den industriellen 3D-Druck setzt Protiq zahlreiche technische Kunststoffe und metallische Werkstoffe in der additiven Fertigung ein. 2016 als Teil der Phoenix-Contact-Gruppe gegründet, zeichnet sich das Unternehmen seither durch hohe Produktionsqualität und geringe Lieferzeiten aus.

Bislang späte Verfügbarkeit von Funktionsprototypen

Eine Besonderheit stellt der durch Protiq entwickelte Prozess zur additiven Verarbeitung des Serienwerkstoffs Zamak 5 dar. Die Zinklegierung mit Anteilen von Aluminium, Kupfer und geringen Mengen Magnesium findet eine breite Anwendung bei der Herstellung im Zinkdruckgieß-Prozess und hat sich in der Branche als Standardmaterial durchgesetzt. Bei diesem Produktionsverfahren wird das aufgeschmolzene ­Metall mit hoher Geschwindigkeit und unter großem Druck in eine zuvor angefertigte Stahlform – das Werkzeug – gepresst. Dieses Werkzeug definiert beim anschließenden Erstarren der Schmelze die Geometrie des Bauteils. So lassen sich je nach Bauteil­größe zwischen einigen hundert und über tausend Bauteile pro Stunde herstellen.

In diesem Zusammenhang erweist sich die Fertigung des Werkzeugs als wesentlicher Kostentreiber und kann schnell mit fünf- bis sechsstelligen Beträgen zu Buche schlagen. Besonders in der Entwicklungsphase neuer Produkte, bevor die finale Bauteilgeometrie festgelegt ist, erzeugt dies hohe Kosten. Bereits minimale Änderungen an der Geometrie erfordern eine Anpassung oder sogar die Herstellung ­eines neuen Werkzeugs. Deshalb wird auf die Nutzung von Prototypenwerkzeugen bei der Bauteilentwicklung vergleichsweise spät zurückgegriffen, wenn die finale Bauteilgeometrie schon zu großen Teilen definiert ist. Dadurch sind Funktionsprototypen aus dem Serienmaterial erst spät verfügbar, sodass man kaum noch Änderungen vornehmen kann. Das schränkt den Entwicklungsprozess unnötig ein. In Zeiten immer kürzerer Produktlebens­zyklen und Entwicklungszeiten zeigt sich die beschriebene Situation für Unternehmen in einem umkämpften Markt als große Herausforderung.

Teure Werkzeuge nicht erforderlich

Durch den von Protiq konzipierten Prozess zur additiven Verarbeitung des Serienmaterials Zamak lassen sich diese Einschränkungen überwinden. Bereits zu Beginn der Bauteilentwicklung können Funktionsprototypen im 3D-Druck mit den Eigen­schaften des späteren Serienbauteils angefertigt werden – und das ohne die Notwendigkeit teurer Werkzeuge. Die additiv hergestellten Bauteiloberflächen sind dabei wie gewohnt gut galvanisch beschichtbar, zum Beispiel für eine edle, hochglänzende Chromoptik. Hier hat das Unternehmen schon in der frühen Prozessentwicklung mit HDO Druckguß- und Oberflächentechnik aus Paderborn kooperiert, einem Experten für galvanische Oberflächenveredelung mit höchsten Qualitätsansprüchen.

Aufgrund der effizienten Abläufe bei Protiq stehen die bestellten Bauteile dem Entwickler innerhalb weniger Tage zur Verfügung. Er muss also nicht wie bisher mehrere Wochen auf die Fertigung des Werkzeugs warten. Das spart kostbare Zeit und ermöglicht den Entwicklern frühe Bauteiltests. Indem Funktionsprototypen zu jeder getroffenen Bauteiländerung vorhanden sind, entstehen eine höhere Flexibilität und ein deutlicher Mehrwert in der Bauteilentwicklung.

Schnelle Herstellung kleiner Stückzahlen und Prototypen im Zinkdruckgießen

Neben der Herstellung von Prototypen in der Entwicklungsphase bietet die additive Fertigung in Zamak das Potenzial, das Serienbauteil auch direkt zu drucken. Wegen der hohen Werkzeugkosten müssen Bauteile im Zinkdruckgießen in sehr großen Stückzahlen produziert werden, damit man einen geringen Bauteilpreis realisieren kann. Üblicherweise sind Zinkdruckgieß-Werkzeuge für Mengen von mehreren Hunderttausend bis einigen Millionen Bauteilen ausgelegt. Dennoch kommt es vor, dass ebenfalls Bauteile in erheblich geringeren Stückzahlen durch Zinkdruckgießen hergestellt werden, beispielweise weil sie die Sonderform eines Artikels mit wesentlich höherer Stückzahl darstellen und aus dem gleichen Material bestehen müssen. Bei diesen sogenannten Lowrunnern kann die Produktion eines teuren Werkzeugs schnell unwirtschaftlich werden. Wird der Artikel auf Basis von additiven Fertigungsverfahren bei Protiq hergestellt, lassen sich die hohen Werkzeugkosten einsparen. Zusätzliches Potenzial ergibt sich bei Ersatzteilartikeln, die selten angefragt werden, für die allerdings langfristige Lieferantenverpflichtungen vorliegen. Hier erzeugen die alten Werkzeuge hohe Einlagerungskosten.

Spätestens, wenn solche Werkzeuge beschädigt werden und aufwändig zu überarbeiten oder zu reparieren sind, kann sich die Fertigung der Artikel im 3D-Druck – on demand – lohnen. Der AM-Dienstleister bietet somit die besten Voraussetzungen, um ergänzend zur Herstellung von Prototypen im Zinkdruckgießen auch kleine und mittelgroße Serien unter höchsten Qualitätsansprüchen zu bearbeiten. Durch die erworbenen Zertifizierungen nach DIN ISO 9001 sowie zum Additive Manufacturer – gemäß den Standards nach PPP 11001:2018 durch den TÜV Süd – sind selbstverständlich die hohen Qualitätsstandards sichergestellt.

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