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Artikel und Hintergründe zum Thema

Zinkbauteile im 3D-Druck

Andreas Mühlbauer,

Prototypen wirtschaftlich fertigen

Sollen Prototypen per Zinkdruckgießen hergestellt werden, erforderte dies bislang viel Zeit und Geld. Doch durch einen neuen Prozess lassen sich jetzt auch Zinkbauteile aus dem Serienwerkstoff Zamak 5 additiv fertigen.

Durch einen neuen Prozess lassen sich jetzt Zinkbauteile aus dem Serienwerkstoff Zamak 5 im 3D-Druck produzieren. © Protiq

Bauteile, die aus der Zinklegierung Zamak 5 bestehen, sind in der Industrie weit verbreitet, denn das Material hat sich als Standardwerkstoff für das Zinkdruckgießen etabliert. Die Einsatzbereiche von Zamak 5 reichen von Komponenten, die im Innenraum von Pkws montiert sind, über Steckverbinder bis zu Beschlägen in der Fenster- und Möbelindustrie. Mit dem Produktionsverfahren des Zinkdruckgießens lassen sich solche Bauteile in großen Stückzahlen wirtschaftlich herstellen. Dabei wird geschmolzenes Metall mit hohem Druck in eine vorher angefertigte Stahlform gepresst. Diese Urform – das Werkzeug – gibt die Geometrie des Bauteils vor und stellt gleichzeitig den größten finanziellen Aufwand bei der Produktion dar. Die Werkzeugkosten werden typischerweise über die geplante Stückzahl umgelegt, weshalb ihr Anteil bei hohen Stückzahlen zumeist nur wenige Cent beträgt, kleine Chargen aber erheblich verteuern kann.

Besonders in der Entstehungsphase neuer Produkte führen Änderungen an der Bauteilgeometrie zu großen finanziellen Aufwendungen. Jede Anpassung zieht hier eine Adaption des Werkzeugs nach sich, was Kosten von mehreren tausend Euro verursachen kann. Vor diesem Hintergrund wurden die ersten Produktmuster aus dem Serienmaterial bisher möglichst spät hergestellt, wenn die Bauteilgeometrie weitgehend finalisiert ist. Das spart zwar Geld ein, kann jedoch zu Designfehlern führen, die zu diesem späten Zeitpunkt schnell die Entwicklungskosten und -zeiten vervielfachen sowie die pünktliche Markteinführung gefährden.

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Funktionsprototypen frühzeitig erstellen

Mit dem Ziel, die Freiheit der Produktentwicklung von Zinkbauteilen zu erhöhen, ist es Protiq als erstem 3D-Druck-Anbieter gelungen, einen Prozess zur additiven Verarbeitung des Serienwerkstoffs Zamak 5 zu konzipieren. So lässt sich der für den Zinkdruckguss übliche hohe Zeit- und Kostenaufwand überwinden. Prototypen sowie Kleinserien lassen sich zu einem geringen Bauteilpreis fertigen. Die Herstellung von Prototypen aus Zink ist eine Neuheit. Der Werkstoff Zamak 5 weist eine Bruchdehnung von 2 ±0,5 Prozent und ein Elastizitätsmodul von 70 ±10 GPa auf. Die Genauigkeit beläuft sich auf ±0,1 mm und die minimale Wandstärke auf 0,4 mm. Der Wert für die Zugfestigkeit liegt bei 218 ±40 MPa, während die Bauteildichte größer als 95 Prozent ist.

Prototypen und Serienbauteile aus Zamak 5 fertigt Protiq über Nacht auf 3D-Druckern. © Protiq

Durch Nutzung der additiven Fertigung lassen sich nun also bereits in einem frühen Stadium der Produktentwicklung Funktionsprototypen aus Zamak 5 mit den Eigenschaften des späteren Serienbauteils produzieren. Dazu sind keine kostspieligen Werkzeuge notwendig, denn die Herstellung erfolgt direkt aus den 3D-CAD-Daten. Die additiv gefertigten Werkstücke lassen sich wie gewohnt galvanisch beschichten, um beispielsweise eine edle hochglänzende Chromoptik zu erhalten. Die typischerweise sehr raue Bauteiloberfläche muss hierzu zunächst poliert werden. Im Gegensatz zum Zinkdruckguss, der sich erst ab einer sehr großen Stückzahl rechnet, ermöglicht der 3D-Druck eine wirtschaftliche Produktion von Einzelstücken und Kleinserien, sogenannten „Low Runnern“. Durch die additive Fertigung zahlen sich die Produktentwicklung, der Serienanlauf sowie die Ersatzteilversorgung folglich auch bei kleinen Stückzahlen aus.

Freie Definition der Geometrie

Neben den deutlichen Zeit- und Kostenvorteilen bietet der 3D-Druck von Zinkbauteilen zudem neue Potenziale. Im Gegensatz zum Zinkdruckgießen lässt sich durch den schicht weisen Aufbau der Bauteile fast jede erdenkliche Geometrie erzeugen. Restriktionen durch Materialanhäufungen, Trennungsebenen oder Auswerfern sind nicht weiter zu beachten. Insbesondere kleine und filigrane Bauteile mit neuen Funktionen lassen sich so innerhalb eines Tages auf den Markt bringen respektive mittels selektivem Laserschmelzen in Serie herstellen. Interessant ist darüber hinaus die Möglichkeit, gleichzeitig beliebig viele unterschiedliche Geometrien auf einer Anlage zu fertigen.

Das sogenannte „Print on Demand“ erlaubt die direkte, werkzeuglose Produktion von Produkten direkt nach dem Auftragseingang. Auf diese Weise spart der Besteller Lagerkosten ein und der Logistikaufwand reduziert sich ebenfalls auf ein Minimum. Im Bereich des Papierdrucks haben sich derartige Geschäftsmodelle schon etabliert. Der Kunde bestellt sein Buch online und stößt den Druck automatisch an. Das Erzeugnis wird ihm dann am nächsten Tag druckfrisch zugeschickt. Die neue additive Fertigungstechnologie für Zinkbauteile eröffnet dieses neue Geschäftsfeld nun auch für die Herstellung industrieller Bauteile. Wird der Vorteil der unmittelbaren, schnellen Produktion ferner mit der neuen Geometriefreiheit kombiniert, ergibt sich außerdem die Chance, kundenindividuelle Bauteile in Serie herzustellen. „Complexity for free“ ist das Stichwort. Mit der additiven Fertigungstechnologie lassen sich beispielsweise Produktvarianten oder Beschriftungen frei definieren.

Sofortiges Feedback bezüglich Herstellbarkeit und Kosten

Zu diesem Zweck umfasst das Leistungsspektrum von Protiq bereits einige Online-Konfiguratoren. Ohne spezifisches Konstruktions-Know-how kann jeder Nutzer sein individuelles Produkt innerhalb von wenigen Minuten online und kostenfrei designen sowie die Produktion direkt als „Print on Demand“ anstoßen. Aufgrund der standardisierten und digitalisierten Prozesse bei Protiq sind die Zamak-5-Bauteile innerhalb weniger Werktage lieferfertig.

Die Oberflächenveredelung von 3D-gedruckten Zinkbauteilen ermöglicht den Einsatz im Sichtbereich. © Protiq

Eine Besonderheit ist ebenfalls das „Instant Pricing“ für Zinkbauteile auf der Web-Plattform. Die Herstellbarkeit der vom Kunden übermittelten Bauteilgeometrie wird automatisch überprüft und innerhalb von Sekunden ein Preis für die Fertigung generiert. So muss der Produktentwickler nicht wochenlang auf die Informationen warten und kann schon deutlich früher aussagekräftige Tests durchführen. Darüber hinaus lässt sich jede Änderung am 3D-Modell schnell und kosteneffizient auf einen neuen Prototyp anwenden, was zu einer höheren Flexibilität und einem erheblichen Mehrwert in der Produktentwicklung führt.

Protiq bietet somit die idealen Voraussetzungen, um ergänzend zur Produktion von Prototypen auch kleine und mittelgroße Serien unter höchsten Qualitätsansprüchen herzustellen. Aufgrund der Zertifizierungen gemäß DIN ISO 9001 sowie zum Additive Manufacturer gemäß den Standards nach PPP 11001:2018 durch den TÜV Süd sind dabei die hohen Qualitätsstandards sichergestellt. Dr.-Ing. Johannes Lohn, Entwicklungsleiter, Protiq

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