Sulzer Technical Review Ausgabe 3 / 2017

Schnellere Entwicklungsprozesse mit additiver Fertigung

13. Dezember 2017 | Viet Huong Bister

Für die Entwicklung von Prototypen setzen die Entwicklungsabteilungen bei Sulzer vermehrt additive Fertigungsverfahren ein. Sulzer war die erste Firma, die ein neuartiges Kunststoffpulver einsetzte und den Prozess des selektiven Lasersinterns für die Bürstenproduktion angewendet hat. Dank der Elastizität des Kunststoffes können die so produzierten Prototypen von Geka-Mascarabürsten auch für Schminktests verwendet werden. Anstatt 18 Wochen auf eine im Spritzgussverfahren hergestellte Bürste zu warten, haben die Kunden die Prototypen bereits nach einer Woche in der Hand.

Mascara brush produced by additive manufacturing

Additive Fertigungsverfahren werden bei Sulzer schon seit Längerem eingesetzt. Die Anzahl der Materialien, die im 3-D-Druck verarbeitet werden können, steigt ständig und eröffnet neue Möglichkeiten in der Entwicklung und Produktion. Noch sind die Verfahren kostenintensiv und werden vornehmlich für die Herstellung von Prototypen oder Bauteilen in geringen Stückzahlen eingesetzt. In absehbarer Zukunft werden additive Fertigungsverfahren auch in die Fabrikhallen von Sulzer Einzug halten.

Herstellung von Mascara-Prototypenbürsten

Seit 2007 setzt Sulzer 3-D-Druckverfahren zur Herstellung von visuellen Prototypen ein. Die visuellen Prototypen von Mascara-Auftragsbürsten wurden anhand einer dreidimensionalen CAD-Zeichnung aus einem harten Kunststoffmaterial gefertigt. So hatten die Kunden die Möglichkeit, die Auftragsbürsten visuell zu beurteilen und in die Hand zu nehmen. Die Borsten dieser Prototypen waren aber zu hart, um sie im praktischen Einsatz zu testen.

Das Entwicklungsteam und das Prototypen-­Fertigungsteam der Division Sulzer Applicator Systems suchten gemeinsam nach alternativen Verfahren und Materialien für die Herstellung von 3-D-gedruckten Prototypen. Nach längerer Suche wurden sie im Jahr 2015 fündig. Ein neuartiger Kunststoff in Pulverform kam auf den Markt. Er hatte ähnliche chemische Eigenschaften wie das ­Material, das bei der Serienfertigung der Spritz­gussteile für Mascarabürsten zum Einsatz kam. Dieser spezifische Kunststoff gewährleistet, dass jede einzelne Borste die richtige Elastizität und Stabilität besitzt: stabil genug, um die Wimpern zu trennen, und elastisch genug, um die Augen nicht zu verletzen. Um das Herstellverfahren zu evaluieren und die optimalen Einstellungen zur Verfestigung des Kunststoffes für die 3-D-­gedruckten Prototypen zu entwickeln, wurde viel Entwicklungskapazität eingesetzt. Seit 2016 lässt Sulzer alle Prototypen von Mascara-Auftragsbürsten durch selektives Lasersintern – gemäss der von Sulzer entwickelten Methode – bei einem externen Lieferanten herstellen.

3-D-Druckverfahren erlaubt neue Möglichkeiten

Selektives Lasersintern (SLS) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem räumliche Strukturen aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt werden. Zum Verschmelzen des Pulvers wird eine Energiequelle benötigt. Diese Energie wird durch einen Laserstrahl zugeführt, der mithilfe eines beweglichen Spiegels an die richtige Stelle umgelenkt wird. So wird das Bauteil schichtförmig aufgebaut. Den schichtförmigen Auftrag kann man bei der Prototypenbürste (Abb. 1) in Form von kleinen Vertiefungen auf den Borsten erkennen.

Funktionsweise von selektivem Lasersintern (SLS)

Eine Lasersinteranlage (Abb. 2) trägt eine dünne Schicht pulverförmigen Materials auf eine Bauplattform auf. Mithilfe eines Laserstrahls und eines beweglichen Spiegels wird das Material selektiv verschmolzen. Nach dem Absenken der Bauplattform wird die nächste Pulver-Materialschicht aufgetragen. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Bauteil – Schicht um Schicht – im Pulverbett aufgebaut wurde.

Bei diesem Verfahren haben die Bauteile nicht die exakt gleiche Oberflächenstruktur wie Spritzgussteile. Sulzer hat die Eigenheiten der SLS-Verfahrenstechnik genutzt, um einzigartige, neue Bürsten zu entwickeln.
Abb. 2 Funktionsprinzip des selektiven Lasersinterprozesses, auch SLS genannt.
Drawing of the tip of a mascara brush
Abb. 3 Schematische Darstellung eines Prototyps einer Mascara-Bürstenborstenspitze mittels Lasersintern (SLS).

Die Technik des 3-D-Druckens macht es möglich, spezielle Oberflächenstrukturen und Topografien zu entwickeln. Damit kann man die Eigenschaften der Bürste im Hinblick auf die Befeuchtung und/oder Make-up Aufnahme und Speicherung verbessern. Diese Oberflächentopografie ist auf Abb. 3 zu sehen, bei dem ein Teil der Borstenspitze weggeschnitten wurde, um diese spezielle Mikrostruktur um den Borstenkern sichtbar zu machen. Diese beiden Abbildungen stammen aus einem Gebrauchsmuster, für das Sulzer das geistige Eigentumsrecht beantragt hat.

Reduzierte Entwicklungszeit

Durch die additive Fertigung ist der Entwicklungsprozess für Mascara-Auftragsbürsten extrem beschleunigt worden. Früher wurden Zeichnungen erstellt, visuelle Prototypen im 3-D-Druck gefertigt, und es wurde nach kundenspezifischen Zeichnungsanpassungen ein Pilotwerkzeug für den Spritzguss hergestellt. Die Herstellung eines Pilotwerkzeuges nimmt 12 Wochen in Anspruch und ist sehr kostenintensiv. Für jede einzelne Mascara-Borste muss ein kleiner Hohlraum, eine sogenannte Kavität, in das Spritzgusswerkzeug hineingefräst werden. Bis zum ersten Schminktest dauerte es 18 Wochen. Im Gegensatz dazu stehen die Prototypenbürsten die durch selektives Lasersintern (SLS) hergestellt werden, bereits nach 5 bis 7 Arbeitstagen zur Verfügung (Abb. 4).
Abb. 4 Bis zu 17 Wochen können in der Entwicklungszeit durch 3D-Druck gespart werden.

Optimierter Designprozess

Nach Erstellung der Zeichnung lässt Sulzer SLS-Bürsten herstellen. Der Kunde führt umgehend Schminktests durch, und wenn es Änderungswünsche gibt, werden die Zeichnungen sofort angepasst. Anschliessend werden neue SLS-Bürsten produziert und getestet.

Die Oberfläche der 3-D-gedruckten Bürsten ist anders als bei den Spritzgussteilen. Die Übertragungsmenge der Mascara-Masse kann abweichen, aber der Kunde kann anhand der Prototypen ausreichend genaue Ergebnisse ableiten. Erst wenn die Schminktests zufriedenstellend sind, gibt der Kunde die Herstellung der Spritzguss-­Pilotwerkzeuge bzw. Serienwerkzeuge in Auftrag.

Durch die Möglichkeit, mehr Schminktests mit den SLS-gefertigten Bürsten durchzuführen, wird der Entwicklungsprozess beschleunigt, und die Produkte können schneller am Markt eingeführt werden. Zudem kann Sulzer das SLS-Herstellverfahren einsetzen, um neue, einzigartige Borstenoberflächen mit verbesserten Eigenschaften zu gestalten.

Sulzer Technical Review

Nadia Qaud

Editor-in-Chief

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