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Statt mehreren Stunden, die ein Konstruktionsprozess in CAD-Systemen in Anspruch nehmen kann, dauert die webbasierte Konfiguration oftmals nur fünf Minuten.

Bild: iStock, Liuzishan

Webbasierte Konfiguration von Bauteilen Schneller zum Produkt und Prototypen

06.03.2019

Die bedarfsgerechte Produktion von industriellen Komponenten bietet einen großen Mehrwert für den Kunden. Eine gute Möglichkeit dafür stellt 3D-Druck dar. Mit ihm sind auch geringe Stückzahlen zu bezahlbaren Kosten möglich. In Verbindung mit einem Online-Konfigurator läuft nicht nur die Produktion, sondern auch die Bestellung schnell und unkompliziert.

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In Zeiten von Industrie 4.0 sind immer kürzere Produktlebenszyklen, höhere Spezialisierungsgrade und eine größere Individualität gefragt. Vor diesem Hintergrund muss die digitale Fabrik der Zukunft Kleinserien wie auch Einzelstücke flexibel und schnell fertigen können. Im industriellen Umfeld gibt es zahlreiche Produkte, bei denen oftmals besondere Anforderungen an die Geometrie vorliegen, die zugleich aber nur in geringer Stückzahl benötigt werden, beispielsweise Kupferinduktoren, Zahnräder oder Prototypen. 3D-Druck bietet sich als Produktionsverfahren in diesen Fällen an.

In der metallverarbeitenden Industrie ist die induktive Erwärmung ein beliebtes Heizverfahren, denn es ist prozesssicher, energieeffizient und präzise steuerbar. Zur Erwärmung wird eine Induktionsspule mit einem Wechselstrom beaufschlagt, sodass sich ein Magnetfeld bildet. Bringt der Anwender nun ein leitfähiges Bauteil in das Magnetfeld ein, wird ein elektrischer Strom erzeugt und das Bauteil erhitzt sich auf eine definierte Zieltemperatur.

Grundvoraussetzung für eine schnelle und homogene Erwärmung ist die Form des verwendeten Induktors. Je besser die Induktionsspule an das Werkstück angepasst wird, desto effektiver und einheitlicher gestaltet sich die Erwärmung. Deshalb müssen die in den verschiedenen Anwendungsbereichen genutzten Induktionsspulen speziell konstruiert und hergestellt werden. Aufgrund des händischen Biegens und Lötens können bei einer konventionellen Produktion von der Auftragserteilung bis zur Fertigstellung Wochen oder sogar Monate vergehen.

Keine Werkzeuge nötig

Die additive Fertigung bietet sich dafür in mehrfacher Hinsicht als erfolgversprechende Alternative an. Da die digitale Produktionstechnologie ohne Werkzeuge und Formen auskommt, lassen sich individuelle Geometrien für jeden Anwendungsfall herstellen, ohne dass sich die Kosten dadurch erhöhen.

Darüber hinaus eignet sich die additive Fertigung insbesondere zur Umsetzung komplexer Geometrien. Im Fall der Induktoren bedeutet das, dass sich die Geometrien mit ihren Spulenwindungen und inneren Kanälen viel präziser auf das jeweilige Werkstück adaptieren lassen, als dies durch konventionelles Biegen oder Löten möglich gewesen wäre. Außerdem zeichnen sich additiv gefertigte Induktoren durch einen weiteren Vorteil aus: Wegen des Wegfalls des Lötprozesses, um mehrere Komponenten zu verbinden, weisen sie keine Sollbruchstellen in der Geometrie auf. Das sorgt für eine höhere Standzeit.

Leitfähiges Kupfer drucken

Als wesentliche Bedingung für die Herstellung von Induktoren mittels additiver Fertigung müssen allerdings sehr leitfähige Materialien verarbeitet werden. Mit der aktuell verfügbaren Anlagentechnik lässt sich Kupfer jedoch nicht nutzen, weil die eingesetzte Laserstrahlung nahezu komplett reflektiert wird. Daher verwendet das 3D-Druck-Unternehmen Protiq seit 2013 einen Prozess, der die Verarbeitung von hochleitfähigem Kupfer erlaubt.

Ein anderer vielversprechender Anwendungsbereich für die additive Fertigung ist die Produktion von Zahnrädern. Additiv in geringen Stückzahlen hergestellte Sonderzahnräder profitieren ebenfalls von der schnellen Realisierung entsprechender Aufträge und der Entkopplung der Stückkosten von der Stückzahl. Sondergeometrien lassen sich ohne die Erstellung von kostenintensiven Werkzeugen wirtschaftlich und zeitsparend produzieren.

Regelbasiertes Design automatisieren

Ein besonderes Anforderungsumfeld stellen Ersatzteile dar, bei denen keine CAD-Daten für die einzelnen Zahnräder vorliegen. Im Oldtimer-Segment tritt häufig der Fall auf, dass ein Reverse-Engineering-Prozess aufgrund von abgenutzten oder beschädigten Geometrien an seine Grenzen stößt, da das gewünschte Design nicht vollständig reproduziert werden kann. In einem solchen Szenario besteht die Möglichkeit, das Zahnrad auf der Grundlage einer technischen Zeichnung nachzukonstruieren. Ein solcher Prozess erfordert allerdings einen erheblichen Zeitaufwand sowie tiefergehende CAD-Kenntnisse.

Bevor individuelle Bauteile bedarfsgerecht gedruckt werden können, muss zunächst eine entscheidende Hürde überwunden werden: der Entwurfsprozess der einzelnen Geometrien. Sollen diese Konstruktionsvarianten in einem konventionellen CAD-Konstruktionsprozess generiert werden, führt das zu vielen manuellen sowie wiederkehrenden Konstruktionsaufgaben. Dieser zeit- und kostenintensive Design-Workflow erweist sich als Engpass für das Angebot zahlreicher kundenindividueller Anwendungsfälle der additiven Fertigung. Mit neuartigen CAD-Softwarelösungen lassen sich derartige regelbasierte Designaufgaben automatisieren.

In Minuten konfiguriert

Auf dem webbasierten Marketplace von Protiq können Kunden ihre spezifischen Induktoren und Zahnräder innerhalb von wenigen Minuten passgenau konfigurieren. In den Online-Konfiguratoren, die auf der Software „Paramate“ des Berliner Softwareunternehmens Trinckle basieren, wählen die Nutzer dazu einfach die für ihre Anwendung benötigte Basisgeometrie aus und legen die einzelnen Parameter fest. Algorithmen kontrollieren dabei die Interdependenzen von mehr als 20 verschiedenen Parametern, sodass die Baubarkeit und Funktionalität jedes Modells sichergestellt ist. Zudem führt die Software bei jeder Anpassung eine unmittelbare Aktualisierung des live ermittelten Preises durch. Ist der Preis akzeptabel, kann der Kunde sofort einen Auftrag erteilen.

Anstatt viele sehr komplexe Konstruktionsschritte manuell zu durchlaufen, nimmt der Prozess im Web-Konfigurator nur wenige Minuten in Anspruch. Darüber hinaus entsteht ein für die additive Fertigung optimiertes Design, für das selbst erfahrene CAD-Konstrukteure einige Stunden Zeit investieren müssten. Trotz der komplexen Geometrien und zahlreichen Adaptionsmöglichkeiten ist die Bedienung der Konfigurationsoberfläche einfach.

Der Endkunde spart dadurch Zeit und Kosten. Im Vergleich zum manuellen Konstruktionsprozess in herkömmlichen CAD-Systemen, der mehrere Stunden dauern kann, benötigt die webbasierte Konfiguration oft lediglich fünf Minuten. Bei jedem Bauteil reduzieren sich die Kosten somit erheblich.

Ferner ist kein Know-how im Bereich der Konstruktion erforderlich. Aufgrund der additiven Fertigung sowie der Automatisierung des Konstruktionsprozesses gehören Lieferzeiten von mehreren Wochen oder sogar Monaten damit der Vergangenheit an. Die Kunden halten ihr fertiges Modell vielmehr nach wenigen Tagen in den Händen.

Bildergalerie

  • Induktionsspulen aus dem 3D-Drucker: Online konfigurierte Induktionsspulen aus elektrisch hochleitfähigem Kupfer bieten zahlreiche Vorteile.

    Bild: Protiq

  • Bedarfsgerecht konfigurierte Bauteile: Mit mehr als 20 Parametern je Konfigurator können die Anforderungen des Kunden optimal abgedeckt werden.

    Bild: Protiq

  • Simulationsbasierte Optimierung: Das Protiq-Team bietet ebenfalls die Möglichkeit, magnetfeldoptimierte Induktoren zu entwickeln.

    Bild: Protiq

  • Zahnradkonfiguration leicht gemacht: Ein vollständig digitalisierter Automatismus von manuellen Designabläufen ermöglicht die Erstellung eines baubaren Modells für die sofortige Produktion.

    Bild: Protiq

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