Serienfertigung mit SLS 3D-Druck

SLS revolutioniert die Fertigung

3D-Druck hat die traditionellen Fertigungsprozesse revolutioniert und ist heute ein unverzichtbarer Bestandteil in der Produktentwicklung zahlreicher Unternehmen. Dank der technologischen Fortschritte der letzten Jahre spielt 3D-Druck nun auch in der Endproduktion eine immer größere Rolle.

Besonders hervorzuheben sind Technologien wie das Selektive Lasersintern (SLS) im 3D-Druck, deren Potenzial insbesondere in der Serienfertigung liegt.

Aber warum eignet sich der SLS 3D-Druck so hervorragend für die Massenproduktion? In diesem Beitrag gehen wir auf die Vorteile, Einsatzmöglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit des SLS-3D-Drucks in der Serienfertigung im Vergleich zu traditionellen Produktionsmethoden ein.

Herkömmliche Serienfertigungsverfahren und ihre Nachteile

Traditionelle Serienfertigungsverfahren wie Spritzguss und CNC-Bearbeitung bieten zwar in bestimmten Situationen Vorteile, stoßen aber auch auf signifikante Grenzen.

Die Vorteile von 3D-Druck für Serien

3D-Druck bietet im Vergleich zu Serienfertigungsverfahren wie Spritzguss und CNC-Bearbeitung erhebliche Vorteile, die besonders in der Flexibilität, Schnelligkeit und Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung kleiner bis mittlerer Serien liegen. Hier sind die Hauptvorteile des 3D-Drucks für die Serienfertigung zusammengefasst:

• Schnelle Fertigung: 3D-Druck beschleunigt den Produktionsprozess erheblich. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, die Wochen oder Monate für die Herstellung benötigen, ermöglicht 3D-Druck die Produktion von Teilen innerhalb von Stunden. Diese Geschwindigkeit fördert schnelle Iterationen und eine rasche Markteinführung.
• Rentabilität bei kleinen Losgrößen: Im Gegensatz zu Verfahren mit hohen Anfangskosten wie Spritzguss, erlaubt 3D-Druck die wirtschaftliche Produktion kleiner Serien zu wettbewerbsfähigen Preisen, ohne dass hohe Vorabinvestitionen in Werkzeuge oder Formen erforderlich sind.
• Flexibilität in der Produktentwicklung: Dank der Möglichkeit, schnell auf Designänderungen zu reagieren und mehrere Iterationen durchzuführen, ermöglicht 3D-Druck eine flexible Produktentwicklung. Dies führt zu verbesserten Produktfeatures und einer höheren Qualität der Endprodukte.
• Just-in-time Produktion: 3D-Druck ermöglicht eine Produktion auf Abruf, wodurch Lagerkosten gesenkt und das Risiko von Überproduktion vermieden wird. Die Fertigung erfolgt genau dann, wenn die Teile benötigt werden.
• Möglichkeit der In-House-Fertigung: Durch die Verfügbarkeit von 3D-Druckern können Unternehmen ihre Produktion intern durchführen. Dies bietet nicht nur Zeitersparnis und Kontrolle über die Kosten, sondern schützt auch interne Daten.

Die Vorteile der SLS-Technologie

Die selektive Lasersinter-Technologie (SLS) bietet innerhalb der 3D-Druckverfahren signifikante Vorteile, die sie besonders für die Serienfertigung attraktiv machen. Diese Vorteile unterstreichen, warum SLS eine bevorzugte Methode für die Herstellung von Teilen mit spezifischen Anforderungen ist:

• Produktivität: SLS-3D-Druck ermöglicht es, Hunderte von Teilen gleichzeitig innerhalb eines 24-Stunden-Zyklus zu produzieren, was sie für die Serienproduktion besonders wertvoll macht.
• Wiederholbarkeit und Maßhaltigkeit: SLS gewährleistet eine hohe Wiederholbarkeit und Maßhaltigkeit der produzierten Teile. Unternehmen können sich somit auf eine konstant hohe Qualität der gefertigten Komponenten verlassen, was für Serienproduktionen essenziell ist.
• Oberflächenqualität: Teile, die mittels SLS gefertigt werden, zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Oberflächenbeschaffenheit aus. Diese Eigenschaft macht sie ideal für sichtbare Komponenten. Zudem lassen sich die Teile nachbearbeiten, beispielsweise durch Färben, Polieren oder Lackieren, um spezifische Oberflächenanforderungen zu erfüllen.
• Komplexe Geometrien ohne Stützmaterial: Einer der größten Vorteile von SLS ist die Fähigkeit, komplexe Geometrien, dünne Wandstärken und feine Strukturen ohne Stützmaterialien zu drucken. Dies erlaubt eine größere Designfreiheit und reduziert den Nachbearbeitungsaufwand.
• Robuste und temperaturbeständige Materialien: SLS ermöglicht den Einsatz von besonders widerstandsfähigen Materialien wie PA12, PA11-CF oder PP, die eine hohe Robustheit und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese Materialien sind beständig gegen Chemikalien und Witterungseinflüsse und eignen sich ausgezeichnet für funktionale Teile.
• Zugänglichkeit und Kosteneffizienz: Die Kosten für SLS-Systeme sind in den letzten Jahren gesunken, was diese Technologie zunehmend auch für kleinere Unternehmen und die Produktion von geringeren Stückzahlen zugänglich macht. Kompakte und ausgereifte SLS-Drucker sind mittlerweile zu Preisen ab etwa 22.000 € erhältlich, was die Anschaffung auch für kleinere Budgets realisierbar macht.

Diese spezifischen Vorteile machen SLS zu einer optimalen Technologie für die Serienfertigung, indem sie eine Kombination aus hoher Produktivität, Präzision und Flexibilität bietet, die mit traditionellen Fertigungsmethoden schwer zu erreichen ist.

Der kompakte SLS 3D-Drucker für die In-House Serienfertigung: Formlabs Fuse 1+

Materialien für SLS 3D-Druck

Für die Fuse 1 SLS-Drucker wurde eine Vielzahl von Materialien entwickelt, um unter anderem die Serienproduktion von Endteilen auf SLS-Druckern zu ermöglichen. Aktuell sind diese 6 unterschiedliche SLS-Pulver erhältlich:

• Nylon 12 Pulver: Mit einer Zugfestigkeit von 50 MPa und einer Bruchdehnung (X/Y) von 11% bietet dieses Material eine ausgewogene Kombination aus Stärke und Detailgenauigkeit. Somit ideal für funktionale Prototypen und die Produktion von dauerhaften Endteilen, die eine hohe Umweltstabilität aufweisen.
• Nylon 11 CF Pulver: Verbindet die Vorteile von Nylon mit Kohlefaser, um hochstabile, leistungsstarke Materialien für Endanwendungen zu bieten, die sowohl eine hohe Steifigkeit als auch eine hohe Festigkeit erfordern. Es eignet sich besonders für leichte, starre Teile, die wiederholten Stößen standhalten und über die Zeit hinweg stabil bleiben, selbst bei hohen Temperaturen.
• Nylon 12 GF Pulver: Ein mit Glasfaser verstärktes Material, das erhöhte Steifigkeit und thermische Stabilität für anspruchsvolle industrielle Umgebungen bietet. Dieses Material eignet sich für steife, funktionale Prototypen oder Endteile in Anwendungen, bei denen strukturelle Steifigkeit und thermische Stabilität wichtig sind.
• Nylon 11 Pulver: Bietet eine höhere Duktilität und ist weniger spröde als Nylon 12, was es besser für das Drucken von dünnen Wänden macht. Dieses Material eignet sich für hochbelastbare Prototypen, Vorrichtungen und Kleinserienproduktionen.
• Polypropylen Pulver: Bietet hohe Duktilität, was wiederholtes Biegen ermöglicht, während es gleichzeitig haltbar bleibt. Es ist chemisch beständig, schweißbar und wasserdicht, was es ideal für Prototypen und Endteile macht, die diese Eigenschaften erfordern.
• TPU 90A Pulver: Ein robustes SLS-Elastomer, das flexible, hautverträgliche Prototypen und Endteile ermöglicht, die den Anforderungen des täglichen Gebrauchs standhalten. Es bietet eine hohe Dehnbarkeit bei Bruch und überlegene Reißfestigkeit.

Jedes Material bringt spezifische Eigenschaften mit, die es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet machen, von hochleistungsfähigen Prototypen und Kleinserienfertigungen bis hin zu dauerhaften Vorrichtungen, Werkzeugen und biokompatiblen, sterilisierbaren Teilen.

6 wichtige Anwendungsbereiche von SLS 3D-Druck

SLS (Selektives Lasersintern) 3D-Druck bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten in unterschiedlichen Branchen durch seine Fähigkeit, komplexe Teile mit hoher Präzision und Haltbarkeit herzustellen. Hier sind sechs Schlüsselbereiche, in denen SLS 3D-Druck bedeutende Vorteile bietet:

• Produktentwicklung und Produkteinführung: SLS 3D-Druck unterstützt sowohl Startups als auch etablierte Großunternehmen bei der Entwicklung und Einführung neuer Produkte. Wie oben schon erwähnt, ist für Losgrößen unter 10.000 Stück SLS oft die effizienteste Methode, die eine breite Palette von Produkten wie Haushaltsgeräte und Dekorationsartikel umfasst.
• Automobilindustrie: In der Automobilbranche wird SLS für den Prototypenbau, die Produktentwicklung und die Herstellung maßgeschneiderter Komponenten eingesetzt. Es ermöglicht die Produktion von Teilen, die komplex, langlebig und beständig gegen extreme Bedingungen sind.
• Medizintechnik: SLS spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung medizinischer Instrumente, Prototypen und Ersatzteilen für medizinische Geräte. Die Technik eignet sich besonders für maßgeschneiderte und komplexe Teile, was ihre Anwendung in der Medizintechnik weiter vorantreibt.
• Elektronik: Der SLS 3D-Druck ist ideal für die Fertigung von Gehäusen, Halterungen und anderen Komponenten für elektronische Geräte. Materialien, die robust und hitzebeständig sind, bieten bedeutende Vorteile für die Elektronikindustrie.
• Robotik & Automatisierung: SLS wird häufig zur Herstellung von Bauteilen für Roboter genutzt, um diese leichter, effizienter und leistungsfähiger zu gestalten. Die Technologie erlaubt schnelle und kosteneffiziente Produktion maßgeschneiderter Teile.
• Ersatzteil-Wartung: Die Möglichkeit, digitale Inventare zu nutzen und Ersatzteile on-demand zu produzieren, revolutioniert die Lagerhaltung und maximiert die Leistungsfähigkeit von Maschinen und Anlagen.

Die Flexibilität und Effizienz des SLS 3D-Drucks macht ihn zu einem unverzichtbaren Werkzeug in modernen Produktionsumgebungen. Die Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für Design und Fertigung über eine Vielzahl von Branchen hinweg, mit dem Potenzial, die Serienfertigung weiter zu transformieren.

Case Studies, Interviews und Erfolgreiche Anwendungen

Kostengünstiger SLS-3D-Druck für patientenspezifische Prothetiklösungen

Erfahren Sie, wie Partial Hand Solutions mit dem Fuse 1 SLS-3D-Drucker und der Fuse Sift von Formlabs leistungsstarke, patientenspezifische Prothesen 3D-gedruckt hat.

Serienproduktion von professionellen Lautsprechersystemen mittels SLS-3D-Druck

Erfahren Sie, wie Kling & Freitag den Formlabs Fuse 1 nutzt, um professionelle Beschallungssysteme und Lautsprecher hausintern und in Serie zu produzieren.

Beispielrechnung: Kosteneffizienz und Wirtschaftlichkeit von Spritzguss vs. SLS 3D-Druck

Um die Kosteneffizienz und Wirtschaftlichkeit des SLS 3D-Drucks im Vergleich zum Spritzgussverfahren zu bestimmen, analysieren wir den spezifischen Fall der Herstellung einer Steckerbuchse vom Typ SAE J1772 für Elektrofahrzeuge.

Bitte beachten Sie, dass diese Berechnungen auf Annahmen und Schätzungen basieren (die wir so realitätsnah wie möglich gewählt haben) und tatsächliche Kosten variieren können.

SLS 3D-Druck:

• Werkzeugkosten: KEINE
• Material: PA12
• Materialkosten pro Kilogramm: 100 €
• Gewicht des Teils: 5 cm³ * 1,3 g/cm³ = 6,5 g = 0,0065 kg
• Produktionsmenge: 1 Teil
• Produktionszeit: 1h
• Stromverbrauch pro Stunde: 0,5kW
• Stromkosten: 0,30 €/kWh

Berechnung pro Teil:

Materialkosten = 0,0065kg × 100€/kg              = 0,65 €
Stromkosten    = 0.5kW × 1h / 1 Teil × 0,30€/kWh = 0,15 €
Gesamtkosten   = Materialkosten + Stromkosten    = 0,80 €


Spritzguss:

• Werkzeugkosten: 5.000 €
• Material: ABS-Kunststoff
• Materialkosten pro Kilogramm: 2 €
• Gewicht des Teils: 6,5 g = 0,0065 kg
• Produktionsmenge: 1.000 Teile
• Produktionszeit: 1h
• Stromverbrauch pro Stunde: 15 kW
• Stromkosten: 0,30 €/kWh

Berechnung pro Teil:

Fixkosten      = Werkzeigkosten / Produktionsmenge        = 5,0000 €
Materialkosten = 0,0065kg × 2€/kg                         = 0,0130 €
Stromkosten    = 15kW × 1h / 1000 Teile × 0,30€/kWh       = 0,0045 €
Gesamtkosten   = Fixkosten + Materialkosten + Stromkosten = 5,0175 €


Gesamtkosten pro Teil für Spritzguss bei verschiedenen Produktionsmengen, unter Einbeziehung der Fixkosten für die Werkzeugherstellung:

• Bei 100 Teilen: 50,0175 € pro Teil
• Bei 500 Teilen: 10,0175 € pro Teil
• Bei 1000 Teilen: 5,0175 € pro Teil
• Bei 5.000 Teilen: 1,0175 € pro Teil
• Bei 6390 Teilen: ~ 0,80 € pro Teil (Break-Even-Point)
• Bei 10.000 Teilen: 0,5175 € pro Teil

Break-Even-Point: 6.390 Teile – Das heißt, vom ersten Teil bis zum Teil 6.390 produziert man mit SLS-3D-Druck günstiger als mit Spritzguss.

Diese detaillierte Beispielrechnung verdeutlicht, dass die Entscheidung zwischen SLS 3D-Druck und Spritzguss nicht nur von den Stückkosten abhängt, sondern auch entscheidend von der geplanten Produktionsmenge beeinflusst wird.

Für kleine bis mittlere Serien bietet SLS 3D-Druck eine kosteneffiziente Lösung, während Spritzguss bei höheren Stückzahlen wirtschaftlicher wird.

Herausforderungen bei der SLS-Serienfertigung

Neben den vielen Vorteilen der Serienproduktionen mit SLS-3D-Druck wollen wir nun auch auf mögliche Herausforderungen aufmerksam machen für die es auch bewährte Lösungsansätze gibt:

• Qualitätskontrolle: Ein fertiges Endteil muss einer Reihe von Kriterien für eine optimale Produktqualität entsprechen. Dafür gibt es folgende Ansätze zur Gewährleistung der Qualität:
  • Vermessung und Batch-Kontrolle mit 3D-Scan, um eine durchgehende Qualitätsüberwachung zu gewährleisten.
  • ISO-Messberichte ermöglichen die Überprüfung der Toleranzen mit einer Genauigkeit von bis zu 0,015 mm.
• Nachbearbeitung: Die Entfernung von Pulverrückständen und die Oberflächenveredelung sind essenziell, können jedoch aufwendig sein, daher bietet sich folgendes an:
  • Einsatz von kompakten automatisierten Sandstrahlanlagen, die eine staubfreie Nachbearbeitung ermöglichen und nur minimale manuelle Eingriffe erfordern.
• Skalierbarkeit: Die Produktion schnell und effizient zu skalieren, kann eine Herausforderung darstellen.
  • 1 Mitarbeiter kann bis zu 20 SLS-Drucker betreiben, was die Herstellung von Zehntausenden Bauteilen täglich ermöglicht und eine hohe Skalierbarkeit gewährleistet.

Fazit

SLS 3D-Druck bietet entscheidende Vorteile für die Serienfertigung, indem es eine schnelle, flexible und kosteneffiziente Produktion ermöglicht. Die Technologie überwindet viele der Einschränkungen traditioneller Fertigungsverfahren und ist ideal für die Produktion komplexer, kundenspezifischer und funktioneller Teile.

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