Additive Fertigung Serienproduktion keramischer Bauteile mittels LCM

Mithilfe des Lithography-based-Ceramic-Manufacturing konnte die Steinbach AG ein Kundenprojekt durchführen, welches mit konventionellen Fertigungstechnologien nicht realisierbar gewesen wäre. Die Anforderung war die Serienfertigung von keramischen High-Performance-Tubes mit neuartiger, komplexer Geometrie in einer jährlichen Reproduzierbarkeit von 12.000 Einheiten.

Im Sommer 2017 fragte ein Medizinprodukte-Hersteller ein Keramikbauteil bei der Steinbach AG aus Detmold an. Dieses Bauteil sollte als Führungselement in einer neuentwickelten Operationsanlage eingesetzt werden. Nach Prüfung der ersten, auf Lithoz-Cerafab-Druckern hergestellten Bauteilmuster, entschied sich der Kunde für die Entwicklung und additive Serienfertigung durch Steinbach. Voraussetzung war die Herstellung des Tubes mit dem vom detmolder Unternehmen betriebenen Verfahren LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing) des Technologieanbieters Lithoz.

Besondere Herausforderungen zu Beginn

Einige der in dem Fertigungsauftrag festgelegten Parameter bildeten innerhalb der zur Verfügung stehenden Ressourcen die zentralen Herausforderungen. Der deutliche Pioniercharakter des Projektes im Bereich des keramischen 3D-Drucks begründete sich v. a. durch die Verwendung der etablierten LCM-Fertigungstechnologie in industrieller Dimension. Insbesondere galt es dabei, die Skalierbarkeit der Produktion bei konstant hoher Bauteilqualität zu gewährleisten. Ein konkreter Zielbereich für die Herstellungskosten, sowie eine straffe Zeitvorgabe von sechs Monaten bis zum Start der Serienproduktion, formten die Rahmenbedingungen des Projekts.

Merkmale des Bauteils und Anforderungen an die Serienfertigung

Die Realisierung einer gänzlich neuartigen Geometrie der Tubes mit Knick und Innenkontur, die minimale Wandstärke von 200 µm sowie eine perfekte Oberfläche mit Rauigkeitswerten von Ra_max=0,4 definierten den Innovationswert der Lösung. Die notwendige enge Toleranz der Außengeometrie von 20 µm, mit einer Reproduzierbarkeit von 12.000 Stück pro Jahr waren mit konventionellen Fertigungstechnologien wirtschaftlich nicht realisierbar.

Um die vom Kunden erwartete Wirtschaftlichkeit des Fertigungsauftrags zu gewährleisten, war es für Steinbach daher klares Ziel, die mit der LCM-Technologie erzielbaren Bauteileigenschaften für First Parts verlässlich auf die Großserie zu übertragen. Die Umsetzung erfolgte in drei Phasen, mit Schwerpunkten bei den Schlüsselkriterien Produktivität, Prozessstabilität, Qualitätssicherung und nicht zuletzt Wirtschaftlichkeit.

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Phase 1: Passendes Bauteildesign für die LCM-Fertigungstechnologie

Mit konsequentem Design for Manufacturing (DFM) der komplexen Geometrie legte Steinbach durch intensive Zusammenarbeit mit dem Kunden den Grundstein dafür, selbst unter gewinnorientierter Serienfertigung tausender Bauteile die volle Funktionalität des Tubes zu gewährleisten. Entwickelte Prototypen wurden jeweils unter seriennahen Bedingungen auf ihre Funktionalität getestet, sodass die Bauteilqualität vom ersten Stück an bereits Serienreife aufwies. Die Produktvalidierung erfolgte beim Kunden. Die Freigabe der Bauteilgeometrie schloss als Meilenstein jene erste Projektphase ab.

Phase 2: Skalierung des Prozesses für die industrielle Massenfertigung

Infolge konzentrierte sich das Technical Ceramics Team von Steinbach auf die Details der Prozessoptimierung zur Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften in der Serienfertigung ohne Qualitätsverlust. Dazu war es erforderlich die verfügbaren Möglichkeiten der LCM-Fertigungstechnologie voll auszuschöpfen. So wurden in enger Zusammenarbeit mit Lithoz Software-Upgrades durchgeführt, wie pixelgenaues Ausrichten der Bauteile. Zur Absicherung des robust aufgesetzten Fertigungsprozesses wurden systematische Kontrollmaßnahmen eingeführt. Aus einer stabilen Produktion heraus wurden in weiterer Folge Maßnahmen zur Steigerung der Produktivität umgesetzt, etwa im Bereich des thermischen Prozesses (Ofenbeladung), Optimierung der Reinigung und des Wannenwechsels.

Die gewonnen Daten dienten als analytische Grundlage der Qualitätssicherung, und sind gleichzeitig statistische Basis für rationale Entscheidungen in zukünftigen Projekten. Mit der Erstmusterfreigabe und einem Prozessaudit durch den Kunden erreichte man den Meilenstein der zweiten Phase.

Phase 3: Hochfahren der Serienfertigung

Bereits im Februar 2018 lieferte Steinbach termingerecht die erste Charge aus der Serienproduktion. Ab Juli 2019 kam es analog zum wachsenden Kundenbedarf zur Erreichung des vollen Produktionsumfanges von 12.000 Tubes pro Jahr. Jede Anpassung unterlag dabei wiederum einer Erstmusterfreigabe durch den Kunden. Durch die Steigerung der Effizienz und auch die maßgeschneiderte Weiterentwicklung des Materials, schaffte es das Team wiederholt die Herstellkosten zu senken, v. a. durch die Minimierung des Ausschusses in den vorgegebenen Zielbereich.

Erfolgreicher Projektabschluss

Durch den beschriebenen Aufbau einer wirtschaftlich erfolgreichen Serienfertigung 3D-gedruckter keramischer Bauteile, gelang Steinbach ein entscheidender Schritt von der Theorie in die unternehmerische Praxis. Dank konsequenter Optimierung des gesamten Herstellprozesses, konnte innerhalb der Zeitvorgabe die Implementierung einer Serienproduktion mittels LCM-Technologie erfolgreich realisiert und der erwartete Return on Investment (RoI) über die gesamte Wertschöpfungskette sichergestellt werden.

Das Technical Ceramics Team erarbeitete sich in diesem Projekt die lückenlose Kompetenz über den kompletten Prozess vom CAD-Design, der Formgebung über das Post-Processing bis hin zum fertig gesinterten Bauteil. Flankiert durch eine effizient aufgesetzte Qualitätssicherung und hohe Lieferperformance profitieren Kunden seither vom praxiserprobten Anwenderwissen.

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