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Prototyping

Funktionsteile aus dem 3D-Drucker

Wo Wasser in Bewegung gesetzt oder gehalten werden muss, können Pumpen des Seelscheider Herstellers Homa zum Einsatz kommen. Das Unternehmen addressiert den High-End-Bereich der Pumpenanwender. Die Serien sind klein und der Engineering-Aufwand hoch. Die Konstrukteure des Fabrikanten benutzen seit Kurzem einen 3D-Drucker von Keyence.



Bild: Keyence Deutschland GmbH

Die Homa Pumpenfabrik GmbH versucht bei ihren internationalen Kunden durch besondere Flexibilität und schnelles Eingehen auf individuelle Wünsche zu punkten. Dabei werden die Konstrukteure des Herstellers seit Kurzem durch einen 3D-Drucker unterstützt. Der ‚Agilista‘ von Keyence lässt sich einfach bedienen und mit ihm lassen sich funktionsfähige Bauteile wie Laufräder oder Gehäusekomponenten drucken. Die Abwasserentsorgung auf den Palm Islands in Dubai und die Gebäudeentwässerung im Flughafen Frankfurt sind zwei von vielen Einsatzbeispielen für Homa-Pumpen. Das 1946 in Neunkirchen-Seelscheid bei Köln gegründete Unternehmen entwickelt und fertigt Pumpen, Hebeanlagen und Rührwerke mit Motoren für verschiedene Drehzahlen, Stromspannungen und Frequenzen sowie Hydrauliken für unterschiedlichste Anwendungen.

Lösungen nach Kundenwunsch

Dabei reagiert das Unternehmen immer flexibel auf die Wünsche der Kunden und bietet ihnen hoch individuelle Lösungen an. Martin Senkowski, Leiter Konstruktion und Entwicklung: „Wir bedienen den High-End-Bereich der Pumpenanwender, die besondere Wünsche und hohe Anforderungen haben. Das kann die Integration von Sensorik – zum Beispiel einer elektronischen Zustandsüberwachung – sein oder der Einsatz eines besonderen Werkstoffs.“ Dabei nutzt man ein Modulsystem, das kurze Entwicklungs- und Fertigungszeiten auch bei Sondermodellen und Varianten ermöglicht. Auch die sehr hohe Fertigungstiefe leistet dazu einen Beitrag: Selbst die Motorwicklungen der Antriebe stammen aus eigenem Hause.

Wenn das ‚virtuelle Prototyping‘ an Grenzen stößt

Im Unterschied zu anderen Pumpenherstellern ist der Engineering-Aufwand deshalb vergleichsweise hoch und die Serien klein. Die Konstrukteure nutzen moderne Werkzeuge wie das 3D-CAD-System Autodesk Inventor und Programme für die Strömungssimulation. Aber es gibt gerade in der Pumpenentwicklung auch Aufgaben, die sich nicht allein an der Workstation lösen lassen. Martin Senkowski nennt ein Beispiel: „Eine Pumpe ist mit einem Schneidrad ausgerüstet, das vor dem Laufrad angeordnet ist und Feststoffe zerkleinert. Wie verhalten sich Durchfluss und Pumpverhalten, wenn man die Schneidradgeometrie verändert? Muss man dann gegebenenfalls auch das Design des Laufrades anpassen? Diese Abhängigkeiten lassen sich zwar mit Computational Fluid Dynamics errechnen, aber zu guter Letzt ist es besser, die geänderte Konstruktion zu testen, bevor man die Pumpe baut.“ Ähnliches gilt für die Konstruktion von Spritzgussteilen für die Gehäuse von kleineren Pumpen. „Hier kann es zum Beispiel Formänderungen geben, die sich auf die Funktion von Dichtflächen auswirken. Das kann man nicht immer berechnen – es lässt sich aber vermeiden, wenn man vorher einen Prototypen erstellt.“

Immer intensivere Nutzung von 3D-Funktionsteilen

Deshalb arbeiten die Homa-Konstrukteure regelmäßig mit Funktionsteilen aus dem 3D-Drucker und kooperierten dabei in der Vergangenheit regelmäßig mit externen Dienstleistern. Ganz wichtig war dabei die Tatsache, dass es bei den gedruckten Bauteilen nicht nur um die Optik geht: Die Teile werden eingebaut und müssen sich im Pumpenbetrieb bewähren. Angesichts des steigenden Bedarfs an 3D-Druck-Bauteilen stellte sich für Homa die Frage, ob ein eigener 3D-Drucker angeschafft werden sollte. Hinzu kam der Zeitfaktor. Martin Senkowski: „Wir mussten oft rund zwei Wochen auf ein Bauteil warten. Das ist vielleicht akzeptabel bei Großserienteilen, aber nicht bei kundenspezifischen Projekten und Kleinserien.“ Neben der Frage ‚Rechnet sich ein eigener 3D-Drucker?‘ stand auch das Ziel im Raum, das Prototyping zu beschleunigen, um durch zusätzliche ‚Loops‘ die Produkte gezielter zu optimieren. Die Verantwortlichen sahen sich am Markt um und nahmen Kontakt mit vier Anbietern von geeigneten Druckern auf. Neben der Bedienfreundlichkeit stand die Funktionsfähigkeit der Teile an vorderster Stelle. Im Ergebnis entschied sich Homa für den ‚Agilista‘ von Keyence und zählte damit zu den ersten Anwendern in Deutschland, weil das Gerät nach der Einführungsphase bei japanischen Kunden gerade erst in Europa vorgestellt worden war.

Geeignet zum Druck von Funktionsteilen

Das Gerät arbeitet nach dem Prinzip eines Inkjet-Druckers, nur mit einer zusätzlichen Dimension: Der flüssige Kunststoff wird Schicht für Schicht mit einer Dicke von jeweils 15 Mikrometern gedruckt und mit UV-Strahlung ausgehärtet. Das Verfahren, das dabei zum Einsatz kommt, bietet den Vorteil, dass die Teile mechanisch stabil sind und dennoch eine gewisse Elastizität aufweisen. Damit ist das Druckmaterial auch bestens für die Produktion von komplexen Bauteilen sowie von Funktionsteilen wie Einrastelementen und Federn geeignet. Nach der Begutachtung eines Testdrucks wurde der Drucker installiert und ging nach einer halbtägigen Schulung in Betrieb. Martin Senkowski: „Die Bedienung ist wirklich sehr einfach. Man wandelt die Datei ins STL-Format um, wählt ´High Resolution´ und druckt. Der Datenimport hat bisher immer fehlerfrei geklappt, die Fehlersuchfunktion haben wir noch nie benötigt.“ Zu den großen Vorteilen die das Gerät bietet, gehört die einfache Entfernung des benötigten Supportmaterials. Dies geschieht ohne jede mechanische Bearbeitung in einem Wasserbad. Das spart nicht nur Zeit, es schließt auch das Risiko einer Beschädigung bei der Nacharbeit aus.

Ausdrucken, testen und optimieren an einem Tag

Von Beginn an war der Agilista ein häufig und gern genutztes Werkzeug in der Konstruktion von Homa. Martin Senkowski zeigt ein aktuelles Beispiel: Nicht nur die einzelnen Gehäusebauteile eines Hebeanlage-Prototyps sind im 3D-Drucker entstanden, sondern auch die zentrale Flanschplatte und das Laufrad: „Wir haben die Anlage zusammengebaut, mit dem Medium Wasser getestet und festgestellt, dass an einem Ablassstutzen Undichtigkeiten auftraten, was wohl an der Materialpaarung lag. Hier haben wir nachgearbeitet, die CAD-Konstruktion geändert, die Teile neu ausgedruckt und die Aufgabe noch am selben Tag lösen können.“ Ein anderes Beispiel scheint auf den ersten Blick die Möglichkeiten selbst des leistungsfähigsten 3D-Druckers zu übersteigen. Martin Senkowski: „Wir benötigten eine Hohlkugel mit definiertem Durchmesser und Gewicht, die als Schwimmer und als Verschluss für eine Leitung genutzt wird. Die Wandstärke ließ sich anhand des Materialdatenblattes errechnen. Der Drucker hat dann zwei Halbkugeln ausgedruckt, die wir verklebt haben. Keyence hatte uns zuvor darauf hingewiesen, dass sich das Druckmaterial gut kleben lässt.“ So lassen sich auch ungewöhnliche Konstruktionsaufgaben mit einfachen Mitteln lösen – und mit einem 3D-Drucker.

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