Additiv fremstilling resulterer i håndtag med laveste vægt

Et projekt om et håndtag, fra skitse til et fuldt fungerende produkt med additiv fremstilling. Ved at anvende additiv fremstilling og innovativ konstruktion bliver resultatet produkter som vejer mindre og koster mindre at producere.

For noget tid siden fik Protech en forespørgsel fra en af sine partnere: kan I konstruere et håndtag ud fra en designskitse? Håndtaget skulle først fremstilles som en prototype og senere i en mindre produktion på 5 stk. håndtag. Den sluttelige produktion af håndtag skulle være 100 stk. pr. år. Håndtaget skulle være let og derfor foresloges aluminium.

Fræset håndtag i aluminium

Vores partner ønskede at håndtaget skulle have en glat overflade for at lette rengøringen. Kravet gjorde at vi ikke kunne gøre produktet let i form af ribber og huller på ydersiden af håndtaget. Den første konstruktion tog 12 timer fra skitse til færdig CAD-fil og udførtes i det integrerede CAD/CAM-system TopSolid’Design. Efter færdig konstruktion lavede vi CNC-programmering i TopSolid’CAM og påbegyndte bearbejdningen. Det færdigfræste håndtag blev rigtigt godt, men krævede en del manuelt arbejde. Vi fjernede håndtaget fra fræseblokken, fikserede det og blæste derefter hele overfladen ren. Det færdigfræste håndtag vejede 187,5 gram.

Fræsetiden for det første håndtag var ganske lang. Det er forventeligt når det gælder fræsning af den første prototype, da det ofte kræver en del justering og omprogrammering af NC-koden inden maskineoperatøren er helt tilfreds. Første fræsning tog 8 timer og kostede inkl. materialer, CNC-programmering og maskinarbejdstid 807 euro. Efterfølgende fræsning af et håndtag tog 1 time og 25 minutter og der er sikkert en del mere man kan gøre for at reducere tiden i maskinen. I tabellen længere nede kan du se omkostninger og produktionstid for nogle forskellige produktionsmængder.

Hvorfor ikke anvende additiv fremstilling?

Efter at vi havde analyseret det fræste aluminiumshåndtags vægt og produktionsomkostninger stillede vi os selv dette spørgsmål – hvorfor ikke anvende additiv fremstilling og fremstille et hult håndtag i rustfrit stål? Kravet til håndtaget var at indsatsdelen skulle være i metal, men ikke nødvendigvis i aluminium.

Vi valgte at fremstille det hule håndtag i rustfrit stål (316L), i stedet for aluminium, da maskinomkostningerne for at producere med additiv fremstilling er betydelig lavere i rustfrit stål end aluminium. Produktionskapaciteten for additiv fremstilling i rustfrit stål er desuden betydelig større end i aluminium. Den originale håndtagskonstruktion blev gjort hul med en vægtykkelse på 1 mm. Vi tilføjede endda et lille hul for at kunne få overskudspulver ud af håndtaget. Det tog mindre end 5 minutter i CAD-systemet at udføre disse to justeringer. For at kunne 3D-printe et komplet håndtag var vi tvunget til at tilføje støttestruktur. Genereringen af støttematerialet er en forholdsvis automatisk proces. Genereringen af støttematerialet til det komplette håndtag tog 15 minutter. Det tog 43 timer og 11 minutter at printe det hule håndtag i vores Xact Metal XM200C. Byggevolumen i XM200C begrænsede os til at printe ét håndtag af gangen.

Fjernelse af støttematerialet efter 3D-print med Metal Powder Bed Fusion (Metal-PBF) er i mange tilfælde et tidskrævende arbejde. For et emne svarende til vores håndtag fjernes det meste manuelt. 3D-printet af det hule håndtag blev rigtigt godt og med en vægt på 112,2 gram. Vægten på håndtaget var nær målet på under 100 gram, men omkostningen pr. håndtag var for høj og produktiviteten blev for dårlig. Selvom man kunne anvende en maskine med en større byggevolumen og dermed printe flere emner af gangen, var produktiviteten stadig for lav.

Kulfiberforstærket Nylon gav styrke i håndtaget

Udfordringen var at sænke vægten på håndtaget uden at gå på kompromis med konstruktionskravene. Selve indsatsdelen skulle være i metal, men hvad sker der hvis man kombinerer plast og metal? Med en todelt konstruktion kunne selve håndtaget fremstilles i plast hvilket ville sænke vægten på hele håndtaget drastisk. Omkonstruktion af håndtaget til et todelt produkt tog 8 timer.

Selve håndtagsdelen af det todelte emne blev konstrueret således at det kunne 3D-printes i kulfiberforstærket Nylon (Nylon 12CF) i vores Stratasys 450mc 3D-printer. De mekaniske egenskaber for materialet er enestående og emnet blev printet med en indvendig såkaldt Lattice-struktur. Ti håndtagsdele blev fordelt på 3D-printerens byggeplade og blev printet på 7 timer og 36 minutter. En enkelt del tog 1 time og 10 minutter at printe og havde en totalvægt på 25 gram.

Indsatsdelen printes i Xact Metal

Indsatsdelen af håndtaget blev konstrueret for at afkorte printtiden og behovet for støttemateriale. Der kunne pakkes ti indsatsdele på byggepladen i vores Xact Metal XM200C og det tog 125 timer og 10 minutter at printe. Fjernelse af støttemateriale og færdiggørelse af hvert emne tog også tid. Hvert emne blev derefter glasblæst for at få en jævn overflade. En indsatsdel tog 17 timer at printe og vejede 60 gram.

Et komplet håndtag på 85 gram

Det todelte håndtag fik til sidst en totalvægt på 85 gram, hvilket betød den laveste vægt og laveste produktionsomkostning for alle varianter af håndtag produceret i projektet.

Ved at anvende additiv fremstilling og innovativ konstruktion bliver resultatet produkter som vejer mindre og koster mindre at producere. Konstruktion til additiv fremstilling udfordrer konstruktører til at tænke i andre retninger, men kan resultere i bedre produkter end med traditionel produktionsteknologi - tænk additiv fremstilling.

Omkostningsoversigt

Tabellen viser omkostninger og tid for fremstilling af 1, 10, 25 og 100 stk. af de forskellige håndtagsvarianter.

Omkostningerne vist i tabellen er de faktiske omkostninger i Sverige. Selvfølgelig kan omkostningerne variere fra land til land. Manuelt arbejde er en stor del af omkostningerne for de forskellige varianter af håndtagskonstruktionen og omkostningerne for manuelt arbejde variere temmelig meget landene imellem. I tabellen vises omkostninger og det er ikke de faktiske priser på et fremstillet håndtag. Virksomheder som fremstiller produkter lægger altid en margen på sine produktionsomkostninger. Hvilken margen som pålægges varierer vældigt meget i de forskellige virksomheder. Derfor kan den faktiske pris på et produkt variere en del.

Alle de konklusioner som drages i dette projekt er helt og holdent baseret på geometri. Et andet produkt med en anden konstruktion kan meget vel resultere i andre konklusioner.

Protech har fået tilladelse til at publicere dette projekt for at inspirer andre til at tænke over hvordan deres produkter kan fremstilles. Projektet kan frit anvendes og modeller samt underliggende beregningsdata kan rekvireres af Anders Brask (Kontaktoplysninger findes længere nede).

Reduceret vægt på et produkt sparer omkostninger, mindsker et produkts klimaaftryk samt dets transportomkostninger. Additiv fremstilling kommer til at spille en vigtig rolle i at ændre den måde, hvorpå produkter fremstilles.

Kontaktperson for dette projekt

Anders Brask
anders.brask@protech.se
Telefon: +46 (0)8 - 594 708 06

Kontaktperson for øvrige henvendelser

Thomas Tønnesen
tt@protech.dk
Telefon: 7683 8107