3D-Druck fertigt Patiententracker in Serie und skaliert auf bis zu 60.000 Stück jährlich

Der 3D-Druck galt lange als Verfahren für Prototypen, Muster und Kleinstserien. In der Serienfertigung von Kunststoff- und Metallteilen dominierten Spritzguss, Umformen, spanabhebende Bearbeitung, Schweißen oder Gießen. Inzwischen stehen mit FFF, SLA und SLS mehrere Druckverfahren zur Verfügung, die als technisch ausgereift gelten und auch für größere Stückzahlen infrage kommen. Ein Beispiel aus der Medizintechnik zeigt, welche Rolle dabei der gesamte Ablauf rund um den Drucker spielt.

Spritzguss, Umformen, Fräsen und Gießen geben den Ton an

Wer große Stückzahlen schnell und wirtschaftlich herstellen will, hat eine ganze Reihe etablierter Verfahren zur Auswahl. Bei Kunststoffen dominiert der Spritzguss. Bei Metallen hängt die Wahl von der Form, dem Material und den geforderten Produktspezifikationen ab, und die Zahl der möglichen Verfahren ist kaum zu überblicken. Dazu gehören das Kalt- und Heißumformen, etwa Pressen, Walzen, Formstanzen und Ziehen, ebenso spanabhebende Bearbeitungsarten wie Fräsen und Drehen. Hinzu kommen Verbindungstechniken wie Schweißen, Löten und Kleben. Sollen komplexe Bauteile in einem Stück und in Serie entstehen, kommt der Guss in seinen verschiedenen Spielarten ins Spiel. Der 3D-Druck war in dieser Aufzählung über weite Strecken nicht zu finden. Die Auswahl richtet sich nach Form, Material, Stückzahl und den geforderten Spezifikationen.

Warum der 3D-Druck lange ein Nischenverfahren war

Der 3D-Druck ist im Vergleich zu Spritzguss, Umformen, Gießen oder spanabhebender Bearbeitung ein sehr junges Verfahren. Lange wurde er in erster Linie für Prototypen, Muster, Kleinstserien oder Kunstgegenstände eingesetzt. Für die Großserienfertigung war er zu teuer und zu langsam. Auch bei der Präzision, der Langlebigkeit, der UV-Beständigkeit sowie bei Biege- und Bruchfestigkeit erreichten die gedruckten Ergebnisse lange nicht die Standards, die von den etablierten Verfahren gewohnt waren. Für typische Massenartikel blieb der 3D-Druck damit über Jahre keine ernsthafte Option.

Die Entwicklung der vergangenen Jahre hat den 3D-Druck nach Darstellung des Fertigungsdienstleisters MAKRA PRO für die Serienfertigung tauglich gemacht. Mit der Fused Filament Fabrication (FFF), der Stereolithografie (SLA) und dem selektiven Lasersintern (SLS) stehen mehrere technisch ausgereifte Verfahren samt passenden Materialien zur Verfügung. Jede dieser Technologien hat wie jedes andere Fertigungsverfahren ihren eigenen Anwendungsbereich.

Komplexe Geometrien und hohe Flexibilität als Vorteile

Als Vorteile des 3D-Drucks in der Serienproduktion gelten hinterschnittige und filigrane Strukturen, die sich drucken lassen, ohne dass eine Form sie freigeben müsste. Teile, die in anderen Verfahren kaum herstellbar wären, entstehen so in einem Stück. Ein weiterer Punkt ist die Flexibilität: Änderungen während einer laufenden Produktion in die Serie einfließen zu lassen oder unterschiedliche Produkte auf einer Linie zu fertigen, ist in der klassischen Großserienfertigung praktisch nicht möglich. Beim 3D-Druck müssen dafür nur die Druckdaten und gegebenenfalls das Material getauscht werden.

Wirtschaftlich fällt ins Gewicht, dass der 3D-Druck keine Formen und Werkzeuge benötigt. Damit lassen sich auch kleine Serien fertigen, ohne teure Werkzeuge anzuschaffen. Soll die Produktionsmenge steigen, sind ebenfalls keine neuen Formen nötig. Es reicht, einen weiteren, baugleichen Drucker in Betrieb zu nehmen. Diese Skalierung über zusätzliche Anlagen statt über neue Werkzeuge ist einer der Gründe, warum das Verfahren für bestimmte Bauteile interessant wird.

Ein Patiententracker für die Haut am Rücken

Für bestimmte medizinische Diagnosen und Behandlungen müssen kontinuierlich Vitaldaten der behandelten Person erfasst werden. Diese Aufgabe übernehmen Patiententracker, die am Rücken des Patienten aufgelegt werden. MAKRA PRO fertigt solche Geräte im 3D-Druck in Serie. Ein Grund dafür ist ihre hinterschnittige und filigrane Form, die sich in klassischen Verfahren wie dem Spritzguss nicht ohne Weiteres herstellen lässt. Weil die Bauteile auf der Haut liegen, spielt die Hautverträglichkeit des verwendeten Materials eine entscheidende Rolle. Die Wahl fiel deshalb zunächst auf eine Fertigung im SLA-Verfahren auf einem Drucker des Typs Form 3B mit dem Material BioMed Black des Anbieters Formlabs.

Von 20.000 auf bis zu 60.000 Teile pro Jahr

Der Kunde wünschte deutlich höhere Stückzahlen. Geplant waren zunächst etwa 20.000 Teile pro Jahr, mit einem Hochlauf auf bis zu 60.000 Teile jährlich. Damit stellte sich die Frage nach dem Druckverfahren erneut. Im SLA-Verfahren wären diese Mengen grundsätzlich ebenfalls herstellbar gewesen, hätten aber eine entsprechend hohe Zahl an Anlagen und deutlich mehr Personal erfordert. MAKRA PRO hat nach eigenen Angaben die Fertigung im SLS-Verfahren für diese Anwendung weiterentwickelt und auf eine möglichst effiziente Serienproduktion ausgelegt. Der Patiententracker entsteht nun auf einem Drucker vom Typ Fuse 1+ mit dem Material PA12 Tough. Pro Bauraum kommen rund 80 Stück zusammen. Die Umstellung betrifft neben dem Material auch die Anlagentechnik und die Abläufe.

Nachbearbeitung entscheidet über die Bauteilqualität

Wie bei anderen Fertigungsverfahren ist der eigentliche Druck nur ein Teil des Gesamtprozesses. Schritte wie die Nachbearbeitung oder das Handling müssen mitgeplant werden. Gerade bei sehr filigranen Bauteilen besteht die Schwierigkeit darin, Beschädigungen und Abbrüche während der Produktion und der Nachbearbeitung zu vermeiden. Dafür müssen zahlreiche Parameter aufeinander abgestimmt werden, angefangen bei der Ausrichtung der Bauteile im Drucker über die Entpulverung bis zur Nachbearbeitung.

Das gilt auch für die automatisierte Nachbearbeitung. Welche Drehzahl wird verwendet, wie intensiv darf gestrahlt werden, wie lange müssen die Teile bearbeitet werden? Alle diese Parameter müssen nach Angaben von MAKRA PRO so eingestellt sein, dass die Sinterschicht zuverlässig abgetragen wird, ohne die filigranen Bauteile zu beschädigen. Jeder einzelne Handgriff zählt, wenn effizient gearbeitet und gleichzeitig eine konstant hohe Bauteilqualität erreicht werden soll.

Umlaufverpackung aus dem FFF-Drucker

Berücksichtigt werden mussten auch Aufbewahrung und Transport der fertigen Patiententracker. Die Bauteile besitzen eine sehr filigrane Brückenverbindung, die geschützt werden muss. MAKRA PRO hat dafür eine eigene Umlaufverpackung entwickelt und fertigt sie im FFF-Verfahren. Darin lassen sich die Tracker sicher transportieren und lagern. Damit stammt auch die Verpackung aus einem 3D-Druckverfahren. Anschließend werden die Verpackungen gereinigt, an MAKRA PRO zurückgeführt und wiederverwendet, was den Bedarf an Einwegverpackungen reduziert.

Entscheidend für Qualität und Wirtschaftlichkeit ist nach Angaben des Anbieters, den gesamten Prozess auf die jeweilige Anwendung und die benötigte Stückzahl abzustimmen: vom geeigneten Verfahren und Material über die Ausrichtung und Fertigung bis zur Nachbearbeitung, Verpackung und Logistik. Diese Überlegung muss bei jeder Serienfertigung getroffen werden. Weitere Informationen zum Projekt nennt MAKRA PRO unter makra-pro.de.