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4-2022

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Dienstleistung Chancen

Dienstleistung Chancen der additiven Fertigung für die EMS-Branche Moderne 3D-Druck-Technologien ermöglichen schnelles und agiles Vorgehen beim Prototyp- und Werkzeugbau sowie bei Kleinserien. Flexibilität, schnelle Umsetzung und geometrische Gestaltungsfreiheit sind nur einige der Gründe, warum der 3D-Druck in der Produktion zunehmend an Relevanz gewinnt. Geschwindigkeit ist im Entstehungsprozess eines Produktes entscheidend. Wer eine kurze Produkteinführungszeit realisiert, hat oft den größeren Markterfolg. So geht es etwa darum, Prototypen schnell und zu relativ niedrigen Kosten anfertigen zu können oder Verbesserungsideen schnell umzusetzen. Moderate Startkosten Mittels 3D-Druck lassen sich hohe Startkosten bei der Produktentwicklung und im Werkzeugbau vermeiden. Er beschleunigt einen sicheren Entwicklungsprozess für die Serienfertigung sowie bei Einzelanfertigungen – ohne den teuren, klassischen Spezialwerkzeugbau. Autor: Martin Silberkuhl Bereichsverantwortlicher 3D-Druck TQ-Systems GmbH www.tq-group.com/3d-druck Ganz konkret bietet sich der 3D-Druck beispielsweise an, um schnell und unkompliziert individuelle Werkzeuge und Aufsätze zu fertigen, zur Überprüfung der Passform in Gehäusen, zur Visualisierung und zum Testen von Gehäuse- Prototypen, aber auch für die Fertigung von Kleinserien. Für die vielen unterschiedlichen Anwendungen stehen verschiedenen 3D-Druck-Technologien zur Verfügung. Die gängigsten sind SLS (Selective Laser Sintering), FDM (Fused Deposition Modeling) und das Stereolithographie-Verfahren. Die verschiedenen 3D-Druck-Technolgien Beim Selective Laser Sintering bringt eine thermische Energiequelle selektiv Pulverpartikel innerhalb des Baubereichs zum Schmelzen und ermöglicht somit die Herstellung des Festkörpers. Dieses Verfahren wird häufig für das Drucken sehr komplexer, funktioneller Teile sowie für komplexe Kabelführung (hohle Designs) und für die Fertigung von Teilen in kleiner Stückzahl verwendet. Das Fused Deposition Modelling (Materialextrusion) wiederum ist ein 3D-Druck-Fertigungsverfahren, bei dem ein Filament aus festem, thermoplastischem Material durch eine beheizte Extruder-Düse gedrückt wird und dabei schmilzt. Der Drucker legt das Material dann über einen vorgegebenen Pfad auf der Bauplattform ab. Dort kühlt das Filament ab und härtet zu einem Festkörper aus. Übliche Anwendungsbereiche für das FDM-Verfahren sind der Werkzeugbau, Elektronikgehäuse, Form- und Passformüberprüfung sowie Heft- und Spannvorrichtungen. Das Stereolithographie-Verfahren schließlich wird vor allem für die Erstellung von spritzgussähnlichen Polymer-Prototypen, für Feinguss- Objekte sowie in der Zahntechnik und bei der Hörgeräte-Produktion verwendet. Es handelt sich dabei um ein 3D-Druck-Fertigungsverfahren, bei dem eine Lichtquelle einen Photopolymer-Resin selektiv in einem Behälter aushärtet. Additive Herstellung von Mustern (Rapid Prototyping) Die Entwicklung von neuen Produkten in der Elektronikbranche findet mittlerweile meist agil statt. Das heißt, nach einem Sprint – also einem Abschnitt von circa sechs Wochen – wird anhand eines ersten Prototyps besprochen, was die nächsten Schritte sind. Der schnellste Weg von der Idee zu den ersten Modellen führt dabei über den 3D-Druck. Beim Rapid Prototyping geht es darum, Ideen zu visualisieren und auszuprobieren und das zu verhältnismäßig geringen Kosten. 34 4/2022

Dienstleistung 3D-Druck – speziell im FDM-Verfahren – ermöglicht das schnelle Bauen von Prototypen. Das macht alle Aspekte einer Lösung praxisnah erlebbar und die Ergebnisse testbar. In der Produktentwicklung ist Rapid Prototyping mittlerweile unverzichtbar, da es nicht nur den Entwicklungsprozess beschleunigt, sondern auch Erkenntnisse und Sicherheit für die Serienfertigung liefert. Bei dem oben links abgebildeten Produkt wurde die SLS- Technologie gewählt, um eine hohe Festigkeit umzusetzen und Stützstrukturen zu vermeiden. Additiver Werkzeugbau (Rapid Tooling) Schnell und unkompliziert individuelle Werkzeuge und Aufsätze realisieren – darum geht es beim Rapid Tooling, einer Sonderform des Rapid Prototyping, das die Konstruktion von Spezialtools beschreibt. Hier kommen gleich mehrere Vorteile des 3D-Drucks zum Tragen: So lassen sich etwa Einzelanfertigungen ohne teuren klassischen Spezialwerkzeugbau realisieren sowie auch extrem komplexe, individuelle Formen umsetzen. Den Anwendungsbereichen sind also kaum Grenzen gesetzt. Möglichkeiten ergeben sich zum Beispiel in der Endmontage von Produkten: Egal ob Halterungen, Spannvorrichtungen, Schablonen, Materialrutschen oder Einpressvorrichtungen. Denn für diese genannten Fertigungshilfsmittel ist der konventionelle Werkzeugbau nicht zwingend notwendig. Ebenso wenig müssen diese stets aus Metall gefertigt sein. Oft lohnt es, sie aus einem Guss zu drucken – dann müssen sie auch nicht aus mehreren Teilen montiert werden. Im Bild ist die innere Kontur der Spannvorrichtung an die gerundete Form des Touchdisplay-Rahmens (nicht im Bild) angepasst und ein Führungskanal für das blaue Spannband eingebracht. So entsteht eine mittels FDM umgesetzte Konstruktion, die mit konventionellen Methoden nur schwer zu realisieren wäre. In diesem Fall würde die Vorrichtung nämlich aus mehreren Teilen bestehen, die es noch zu montieren gilt. Additive Fertigung (Rapid Manufacturing) Als additive Fertigung wird die Anwendung von 3D-Druck – meist im SLS-Verfahren – bei der Serienproduktion bezeichnet, mit welcher sich ganz neue technische und wirtschaftliche Möglichkeiten ergeben – etwa bei der kundenspezifischen Individualisierung. Gerade was Kleinserien anbelangt, sorgt die additive Fertigung nicht nur für viel Flexibilität, sondern auch für Kosteneinsparungen gegenüber klassischen Verfahren, wie der Spritzgussfertigung. In der Elektronikbranche wird sie meist für die Herstellung von Gehäusen genutzt. Im nebenstehenden Beispiel sind Gehäuseober- und unterschalen eines Handscanners kurz nach dem Druck zu sehen. Diese werden im nächsten Schritt entpulvert und eingefärbt, bevor sie dann in die Endmontage zum Einfügen der Elektronik und zum Endtest kommen Additive Fertigung zur Umsetzung von Lean Production Nicht zuletzt kann 3D-Druck auch dazu beitragen, Lean-Production-Konzepte umzusetzen. Bei der Anwendung von Lean-Methoden werden Arbeitsschritte in der Fertigung analysiert, vereinfacht und standardisiert. Die Herausforderung dabei besteht oft in der Materialzuführung oder auch der Werkzeugbereitstellung. Um Lean Production, also einen schlanken und zeiteffizienten Fertigungsprozess zu erreichen, werden Prozesse kontinuierlich verbessert. Der 3D-Druck ermöglicht es, diese Optimierungen schnell umzusetzen. Beispiele dafür sind Werkzeughalter, Ordnungssysteme für Staubsaugerzubehör, Mülltütenspender, Kabelhalterungen, Stoppvorrichtung und vieles mehr. Im Gegensatz zum konventionellen Werkzeugbau profitieren Anwender hier von der Möglichkeit, Optimierungspotentiale schnell zu nutzen und praktisch umzusetzen, Ordnung zu schaffen, Zeit einzusparen und Kosten zu senken. Die nächste Evolutionsstufe: Additive Elektronikfertigung Ein ganz neues, sehr spannendes Anwendungsfeld ist die Fertigung von 3D-gedruckten Leiterplatten. Das Verfahren basiert auf dem Inkjet-Druckverfahren, bei dem Metalle und dielektrische Polymere gleichzeitig auf eine Druckplatte aufgebracht werden. Somit lassen sich mehrlagige Leiterplatten (Multilayer PCBs) einschließlich Durchgangslöcher (Vias) herstellen. Ein Elektrotechniker, der die nächste Leiterplatte für das nächste Produkt entwirft, muss zunächst herausfinden, wie das Produkt funktionieren soll und welche Komponenten dafür erforderlich sind. Dies geschieht mithilfe einer EDA-Software (Electronic Design Automation). Diese ausgeklügelte Design-Software ermöglicht es, das Design anhand verschiedener Simulationen zu testen, bevor es an den Dritthersteller verschickt wird. Mit dieser neuen Technologie können Elektroingenieure eine physische Platine entwerfen, additiv herstellen und somit sicherstellen, dass diese korrekt ist oder anderenfalls Fehler oder Verbesserungsmöglichkeiten identifizieren. Diese Technologie eröffnet die Möglichkeit, eine Idee innerhalb eines Tages zu drucken, da keine Leiterplattenfertigung durch Dritte nötig ist, was – je nach Komplexität des Designs und der Verfügbarkeiten – mehrere Wochen dauern kann. ◄ Die Vorteile von 3D-Druck im Überblick • umfassende Anwendungsmöglichkeiten (Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Additive Kleinserienfertigung) mit allen gängigen 3D-Druck- Verfahren • schnelle und kostengünstige Realisierung von der Idee zum Modell • schnellerer Entwicklungsprozess und mehr Sicherheit für die Serienproduktion • individuelle Werkzeuge, auch bei komplexen Geometrien • erhebliche Kostenersparnis gegenüber klassischen Fertigungsverfahren für Spezialwerkzeuge oder bei Kleinserien 4/2022 35

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