Additive Fertigung in der Serie

Meinolf Droege,

Bauteile mit hohen Stückzahlen fertigen

Ralf Kaufmann, Konstrukteur bei IWK Verpackungstechnik in Stutensee hat die Möglichkeiten des 3D-Drucks bereits verinnerlicht: „Ein Konstrukteurs-Leben ohne generative Fertigung ist mittlerweile schwer vorstellbar.“ Sein Arbeitgeber entwickelt seit mehr als 125 Jahren Verpackungstechnologien, vorzugsweise für die Pharma- und Kosmetikindustrie. Damit die High-Speed-Maschinen bei der Tubenabfüllung und Kartonierung mit hoher Leistung und ebensolcher Zuverlässigkeit laufen, kommt man an Bauteilen aus additiver Fertigung nicht mehr vorbei. Und dabei geht es längst nicht mehr nur um Prototypenbau, sondern um extrem funktionale und gleichzeitig robuste und langlebige im 3D-Druck gefertigte Module für den Einsatz in der Serienfertigung.

Der „Becher“ ist für die Positionierung und den Transport der Tuben zuständig, der „Sauger“ übernimmt das Greifen der Tuben und die Ablage in die Umverpackung. © IWK

Seit zehn Jahren arbeiten Kegelmann Technik und IWK bei der Entwicklung und Fertigung von Bauteilen für die Verpackungslinien zusammen. Jetzt suchte man dort nach einer Lösung für zwei ganz unterschiedliche Bauteile. Beide kommen am Ende des Verpackungsprozesses, nachdem die Tuben bereits mit dem Produkt befüllt sind und in die Umverpackung gesetzt werden sollen, zum Einsatz. Zur Steigerung der Taktfrequenz entwickelte und produziert Kegelmann Technik zwei spezifische Module, die sogenannten Becher und Sauger. Während der Becher in der Zuführungsphase für Positionierung und Transport der Tuben zuständig ist, übernimmt der Sauger das Greifen der Tuben und die Ablage in die Umverpackung.

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Aus der Geometrie der zu verpackenden Tuben mit ihren Freiformflächen und der erforderlichen integrierten integrierte Vakuumkanäle ergaben sich hohe Anforderungen. Neben Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit wurde Wert auf Optik und Haptik gelegt. Dank integriertem Kanalsystem sollten platzsparend Medien durch das Bauteil durchgeführt und außenliegende Schläuche minimiert werden. Auch der Formatwechsel auf eine andere Tube sollte ohne Werkzeug möglich sein. Außerdem mussten Becher und Sauger für die hohen Geschwindigkeiten im Verpackungsprozess ausgelegt sein. In der Summe bedeutet das viel Funktionalität und Leichtbau bei hoher Wirtschaftlichkeit in einem Bauteil. Realisieren ließ sich das letztlich nur mit additiven Verfahren.

Vorteile der additiven Fertigung ausgenutzt

Die additiv gefertigten „Becher“ kommen am Ende des Verpackungsprozesses zum Einsatz. © Kegelmann

Kegelmann setzt auf das Selektive Lasersintern (SLS), in diesem Fall ist das Material ein Polyamid 12. Aufgrund der besonderen Anforderungen an die Oberfläche werden die Teile zusätzlich gleitgeschliffen. Damit die Verpackungsmaschinen von IWK auch verschiedene Tubenvarianten und -größen befüllen und verpacken können, sorgt ein integrierter Clipmechanismus bei den Bechern dafür, dass Wechsel- und damit Stillstandzeiten reduziert werden. „Wir nutzen das Potenzial der additiven Fertigung aus und integrieren zusätzliche Funktionen in das Bauteil, was ohne additive Konstruktion und Fertigung vielfach so nicht möglich wäre. Diese höhere Komplexität eines Handhabungsmoduls führt bei additiver Fertigung nicht zu einer überproportionalen Erhöhung der Stückkosten, sondern im Gegenteil zu einer enormen Ersparnis bei den Prozessen in Produktion und Verpackung“, sagt Kai Kegelmann, Bereichsleiter Additive Fertigung bei Kegelmann Technik.

Aber auch sonst nutze das Unternehmen die Vorteile der additiven Fertigung, Kunststoff statt Aluminium, das Einbringen einer Wabenstruktur, um die Steifigkeit zu erhöhen, die Integration der Kanäle und der Clipmechanismus zur Erhöhung der Funktionalität, die Reduktion der Funktionen auf ein Bauteil, die Möglichkeit der unterschiedlichen Farbgebung – auch nachträgliches Einfärben über eine Färbemaschine ist möglich – und schließlich der werkzeuglose Bauteilwechsel.

Qualität für die Serienfertigung

Die Teile werden nach der additiven Fertigung wegen der speziellen Anforderungen an die Oberfläche noch gleitgeschliffen. © Kegelmann

Da das Einsatzgebiet dieser Bauteile am Ende des Verpackungsprozesses liegt, werden von den additiv gefertigten Handhabungs- und Transportmodulen in einer Maschine auch mal 200 bis 250 Gleichteile benötigt. Im Ersatzteilfall muss das Bauteil auch nach mehreren Jahren noch passen. Kai Kegelmann: „Ein Bauteil herzustellen ist einfach, aber für Serienmaschinen gleichbleibende Qualität zu gewährleisten über das ganze Jahr verteilt, das ist die Herausforderung. Auch wenn große Stückzahlen kurzfristig benötigt werden, da bei der Montage der Maschine auffällt, dass etwas an der Konstruktion geändert werden muss, können wir mit großen Produktionskapazitäten schnell reagieren. Reproduzierbare Qualität bei geringen Lieferzeiten, das ist unsere Stärke.“

So enthalte der Qualitätssicherungsprozess für additive Bauteile die parallele Fertigung uns Auswertung von QS-Bauteilen. Hierzu wurde ein Qualitätszirkel entwickelt und für die Qualitätssicherung von Serienbauteilen ein Labor eingerichtet. Hier wird vom Pulver bis zum Endprodukt die Qualität geprüft. Schließlich laufen die Module beim Kunden viele 100 000 Zyklen und dürfen nicht versagen. Gemeinsam mit IWK sei die additive Fertigung in die Serie gebracht worden. Und die sei im Verpackungsmaschinenbau nicht mehr wegzudenken. Denn dadurch werden Leistung und Prozesssicherheit bei neuen Verpackungslinien ebenso wie bei vorhandenen Anlagen maximiert.

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