Wie sich die digitale Desktop-Fertigung auf das abrasive Wasserstrahlschneiden auswirkt

Mar 10, 2023

ABBILDUNG 1. Die digitale Desktop-Fertigungslandschaft umfasst vier Haupttechnologien: CNC-Bearbeitung, 3D-Druck, Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden.

Heutige kundenspezifische Blechbauer kennen das „Einzelstück“ nur allzu gut. Ein Kunde möchte möglicherweise ein oder mehrere Stücke für eine Bestellung mit sehr geringem Volumen oder vielleicht auch nur eine Stückzahl. Dieser Auftrag könnte für einen Prototyp gelten, und wenn es um die Prototypenerstellung geht, ist Zeit von entscheidender Bedeutung.

Prototyping erfordert eine schnelle Iteration. Designer verbringen immer nur eine begrenzte Zeit mit dem entscheidenden Problemlösungsprozess des Ausprobierens, Scheiterns und Verbesserns. In der Vergangenheit bedeutete dies, dass man ein engagiertes Team interner professioneller Modellbauer und Maschinisten mit einem entsprechend großen und spezialisierten Bestand an komplexen Geräten einsetzen musste, die qualifizierte Bediener erforderten, die im Allgemeinen vom eigentlichen Entwicklungs- und Designziel entfernt waren. In einem Custom-Fab-Shop arbeiteten diese Bediener wahrscheinlich in einem separaten Prototyping-Bereich.

Alternativ könnte ein Hersteller einen Eilauftrag für einen Prototypen an die Produktion senden. Blechbearbeitungsmaschinen sind flexibler als früher. Dennoch wird der Produktionsfluss durch das Hineinzwängen eines Prototyps oder einer Kleinserienbestellung gestört.

Einige Betriebe prüfen derzeit eine dritte Option. Sie bringen Werkzeugmaschinen in die Konstruktionsabteilung selbst. Einige haben mit 3D-Druckern experimentiert, sowohl aus Kunststoff als auch aus Metall, die Prototyping-Ingenieure daran hindern, die Maschinenwerkstatt zu nutzen. Andere nutzen eine neue Profilschneidetechnologie, die es Ingenieuren ermöglicht, ein Profil selbst zu schneiden – ohne dass die Anfrage an die Prototypenwerkstatt oder die Produktionshalle übergeben werden muss.

Das Desktop-Abrasiv-Wasserstrahlschneiden ist ein Prozess unter einer wachsenden Zahl von Technologien in der sogenannten Desktop-Digitalfertigung. Das Konzept hat neue Möglichkeiten für Produktdesigner geschaffen. Die Zeit, die vom ersten Designkonzept bis zum Endprodukt aufgewendet wird, ist nicht mehr die Hürde, die es einmal war. Dies ist eine direkte Folge der Demokratisierung der Fertigung. Heutzutage kann die Fertigung in der Produktion, in einer Prototyping-Zelle oder in einem Bereich der Werkstatt erfolgen, der nur wenige Schritte vom Arbeitsplatz des Ingenieurs entfernt ist.

Die Praxis der digitalen Desktop-Fertigung begann vor mehr als einem Jahrzehnt mit Desktop-3D-Druckern. Diese eignen sich hervorragend zur Herstellung komplexer Teile aus verschiedenen Kunststoffmaterialien. Dann kamen Desktop-Laserschneider auf, die präzise 2D-Teile aus weichen, dünnen Materialien wie Holz und Kunststoff herstellen können – Leistungen, die 3D-Drucker nicht erreichen konnten. Auch erschwingliche CNC-Fräsen erfreuten sich großer Beliebtheit und boten die Möglichkeit, komplexe 3D-Teile aus Metall herzustellen.

Diese Technologien haben Ingenieuren die Flexibilität gegeben, Prototypenteile im eigenen Haus herzustellen. Ein Herstellungsprozess blieb jedoch unerreichbar: Digitale Werkzeuge mit der Fähigkeit, präzise Teile aus Platten- oder Hartblechmaterial herzustellen, standen den meisten Ingenieuren immer noch nicht zur Verfügung. Allerdings sind seit Kurzem kleinformatige Wasserstrahlschneider auf den Markt gekommen, mit denen Ingenieure Präzisionsteile aus Blech, Kohlefaser, Glas und Gummi herstellen können.

Wasserstrahlen schneiden eine Reihe von Materialien, indem sie Ultrahochdruckwasser und Schleifpartikel in einer Düse bündeln und die Aufschlämmung auf das Werkstück blasen. Da alle Materialien erodieren und es sich um einen Kaltschneideprozess handelt, können Wasserstrahlen in vielen Materialien, die 3D-Drucker, Laser mit geringer Leistung oder CNC-Maschinen nicht verarbeiten könnten, präzise Prototypenteile mit einer hervorragenden Oberflächengüte herstellen (siehe Abbildung 1). .

Beispielsweise sah ein Entwurf für eine neue Industrieanlage einen großen Elektromotor mit Riemen- und Riemenscheibenübertragung vor. Bei dieser Anwendung war das Übersetzungsverhältnis zwischen den Riemenscheiben eine entscheidende Konstruktionsvariable, die sich auf die Leistung des Geräts auswirkte. Um dem entgegenzuwirken, erkannte das Designteam das Problem und entwickelte eine einfache Lösung zum Testen und Messen von Verbesserungen, um die Effizienz des Designs zu steigern.

Zunächst erstellten die Ingenieure CAD-Zeichnungen für eine Reihe von Antriebsriemenscheiben unterschiedlicher Größe, einige mit mehr und andere mit weniger Zähnen, sodass die verschiedenen Antriebsübersetzungsverhältnisse anschließend getestet werden konnten, um diejenige mit der größten Effizienz zu ermitteln. Anstatt die verschiedenen Riemenscheiben an eine Maschinenwerkstatt zu schicken und die damit verbundenen Zeitverzögerungen und Produktionskosten hinzuzurechnen, schneiden die Projektingenieure die Teile für die Testriemenscheiben intern auf ihrem kleinen Wasserstrahlschneider (siehe Abbildung 2).

ABBILDUNG 2. Ein Desktop-Wasserstrahlschneider erstellt einen funktionsfähigen Prototyp einer Aluminiumriemenscheibe.

CNC-gefräste Riemenscheiben und Zahnräder sind bekanntermaßen teuer und zeitaufwändig und erfordern einen hochqualifizierten Bediener, um sie zuverlässig herzustellen. Hier gab es keine Verzögerungen und keine zusätzlichen Kosten, die über die für die Herstellung der Teile erforderlichen physischen Materialien hinausgingen. Der Einsatz des abrasiven Wasserstrahls ermöglichte es ihnen auch, die Riemenscheiben aus einem Endmaterial herzustellen – in diesem Fall Aluminium.

Letztendlich ermittelten die Ingenieure das optimale Riemenscheibendesign, das ihren Spezifikationen entsprach und gleichzeitig die gewünschte Lebensdauer des Motors und des Antriebsstrangs beibehielt (siehe Abbildung 3). In der Vergangenheit hätten die für einen solchen iterativen Prozess aufgewendeten Ressourcen mehr finanzielle und zeitliche Überlegungen für das Projekt erfordert, als sich der Hersteller wahrscheinlich leisten konnte, was zu unerwünschten Designkompromissen geführt hätte.

Nahezu jeder Hersteller stand schon einmal vor der Herausforderung der Nacharbeit. Es könnte eine Überraschung sein oder aufgrund einer späten Designänderung erwartet werden. Wie dem auch sei, die Möglichkeiten eines Herstellers waren begrenzt, insbesondere bei zugekauften Komponenten. Die Rücksendung der Teile an den Lieferanten zur Nacharbeit kann Wochen oder sogar Monate dauern. Dies ist manchmal völlig unpraktisch, insbesondere wenn die Teile groß sind und über eine weite Strecke transportiert wurden.

Betreten Sie die digitale Desktop-Fertigung und die Geschichte ändert sich. Werkzeuge wie Desktop-Wasserstrahldüsen geben Ingenieuren die Flexibilität, diese Herausforderungen im Handumdrehen zu bewältigen. Beispielsweise musste ein Hersteller einen Satz großer Aluminium-Strangpressrahmen überarbeiten. Insbesondere mussten neue Merkmale in die Strangpressteile eingearbeitet werden, damit der vorhandene Bestand im aktualisierten Baugruppendesign verwendet werden konnte. Nach dem Biegen wurden die Aluminiumstrangpressteile normalerweise in einer Maschinenwerkstatt mit großen vertikalen Bearbeitungszentren bearbeitet, die die übergroßen Teile aufnehmen konnten – eine Ausrüstung, über die der Hersteller sicherlich nicht im eigenen Haus verfügte.

Mit Hilfe eines kleinformatigen Wasserstrahls stellten die Ingenieure eine Reihe von Blechvorrichtungen her, um das Schneiden der neuen Merkmale mithilfe einer Handfräse zu steuern (siehe Abbildung 4). Nach einigen Iterationen der Vorrichtungskonstruktionen wandelten die Ingenieure im Wesentlichen ein handgeführtes Elektrowerkzeug in eine großformatige CNC-Fräsmaschine um, allerdings nur für die genauen Bearbeitungsvorgänge, die sie benötigten. Durch die Zeitersparnis konnte das Unternehmen letztendlich Geld sparen. Anstatt wochenlang auf Nacharbeiten warten zu müssen, konnten die Ingenieure ihren Entwurf vollständig prüfen und schnell mit der Serienproduktion beginnen.

Durch die schnelle Iteration beim Prototyping können Ingenieure, die normalerweise eher konservativ sind, weniger konservativ vorgehen. Früher wurde ein Entwurf, der möglicherweise eine umfangreiche Entwicklung erfordert hätte, zugunsten eines weniger ehrgeizigen Entwurfs zurückgestellt, dessen Entwicklung weniger Experimente erforderte, oder, schlimmer noch, durch ein ungeeignetes, aber leicht verfügbares Standardteil ersetzt. Beim neuen Prototyping-Modell liegt der Schwerpunkt nun auf Mikroiterationen. Diese tragen dazu bei, die Grenzen des Designs zu erweitern, um größtmögliche Effizienz und Benutzerfreundlichkeit zu erzielen und konservatives Denken überflüssig zu machen.

Ein Designteam wurde beispielsweise damit beauftragt, einen spritzgegossenen Steckverbinder mit einem Kupferschieneneinsatz zu entwickeln. Normalerweise wäre dies als umspritztes Teil entstanden, was jeden Tag zu Zehntausenden geschieht. An der endgültigen Form des Steckverbinders wurde jedoch noch gearbeitet. Die Bearbeitung der Spritzgussformen wäre zu diesem Zeitpunkt außerordentlich kosten- und zeitintensiv gewesen, und es gab keine geeignete Standardalternative.

Dieses scheinbar bahnbrechende Hindernis wurde sowohl durch 3D-Druck als auch durch Desktop-Wasserstrahlschneiden aus dem Weg geräumt. Die Fähigkeit der 3D-gedruckten Teile, ein Material wie ABS-Kunststoff zu emulieren, ermöglichte eine schnelle Weiterentwicklung des Prototypteils während der sich ständig ändernden Designphase. Testiterationen waren außerdem deutlich kostengünstiger als die herkömmliche CNC-Bearbeitung.

Auch die Kupferschiene, die im Endprodukt umspritzt werden sollte, musste geändert werden, um den Designaktualisierungen gerecht zu werden. Auch hier verwendeten die Ingenieure einen kleinen hauseigenen Wasserstrahlschneider und passten das Kupfermaterial an die neueste Designversion an. Die Kombination aus 3D-Druck und einem kleinen Wasserstrahl trug dazu bei, dass dieses Projekt zum Abschluss gebracht werden konnte, ohne wochenlang zwischen unabhängigen Lieferanten hin- und herwechseln zu müssen.

Die digitale Desktop-Fertigung hat die Art und Weise verändert, wie Ingenieure neue Produkte entwickeln. Es ersetzt die traditionelle Prototypenwerkstatt durch eine Umgebung, in der Design-Iterationen schnell umgesetzt, Risiken minimiert und der Zeitaufwand für die Markteinführung neuer Designs drastisch reduziert werden. Wenn das schnellste Angebot für eine Prototypenbauwerkstatt eine Vorlaufzeit von zwei bis vier Wochen vorsieht, gibt es keinen Ersatz für einen engagierten Ingenieur, der einen gut sortierten Betrieb voller CNC-Technologien leitet, die im Einklang arbeiten.

Digitale Desktop-Fertigungssysteme können individuelle Fertigungsmöglichkeiten bieten. Wenn Designer Prototypen erstellen, ist es umso besser, je mehr Iterationen sie in kürzerer Zeit erstellen können. In dieser Welt ist schnelle Reaktion das wichtigste Unterscheidungsmerkmal.