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Als Hersteller von hochpräzisen Analysegeräten liefert Metrohm Applikon spezifische Systeme an eine Reihe von Branchen auf der ganzen Welt. Ganz gleich, ob in diesen Anlagen Jeans oder Smartphones, Halbleiter oder Medikamente hergestellt werden – die Geräte helfen produzierenden Unternehmen, ihre Prozesse rund um die Uhr zu kontrollieren. Um gleichbleibende Qualität zu liefern und gleichzeitig die Materialkosten und die Zeit für Produktion, Nachbearbeitung und Montage zu reduzieren, vertraut das Unternehmen auf den Metall-3D-Druck und Materialise.
Inhaltsverzeichnis
1. Die Herausforderung: Margas komplexer Kühlkörper
2. Ein neues Design extra für den 3D-Druck mit Metall
3. Die Wahl des richtigen Materials
4. Metall-3D-Druck sorgt für kompaktes leistungsfähigeres Bauteil
Jedes System von Metrohm Applikon muss strengen Anforderungen gerecht werden. „Robustheit ist entscheidend für die Begrenzung von Ausfallzeiten, und die müssen wir im Griff haben“, erklärt Dirk van den Brand, technischer Leiter Metrohm Applikon. „Wenn wir ein System, das in einer Fabrik installiert ist, anhalten müssen, um etwas zu ändern, muss manchmal auch die Anlage angehalten werden. Entfernte Systeme, wie Marga, sind auf andere Weise betroffen. Jemand muss hinfliegen und nachsehen, was los ist, was Zeit und Geld kostet.“
Marga ist ein Monitor für Aerosole und Gase in der Umgebungsluft. „Mit diesem System können wir uns mit dem Internet verbinden und beispielsweise die Luftverschmutzung in Peking messen“, so van den Brand.
Die Herausforderung: Margas komplexer Kühlkörper
Diese Kontrolle und Robustheit zu gewährleisten, ist verständlicherweise schwierig und steht für Dirk van den Brand und sein Team während des gesamten Entwicklungszyklus immer im Mittelpunkt. Bei der Arbeit an den Prototypen für Marga war es schwierig, die hohen Anforderungen von Metrohm Applikon zu erfüllen.
„Dieses System funktioniert, indem Dampf in die Hauptkammer geleitet wird. Wenn Luft von außen angesaugt wird, trifft sie auf den Dampf, der die Partikel zurückhält“, erläutert van den Brand. „Dann bilden sich Wassertröpfchen mit diesen Partikeln im Inneren, die in die darunter liegende spezielle Flüssigkeit fallen. Wir können diese Probe dann zu einer Analysestation bringen, um zu messen, was in der Luft ist.“
Bild: Metrohm Applikon
Aber mit dem ersten Modell hatte man einige Probleme. van den Brand: „Die metallene Heizschlange zum Beispiel war groß, schwer und nicht besonders effektiv. Manchmal sahen wir, dass Wassertröpfchen statt Dampf in das System gelangten oder sichtbare Tröpfchen im erzeugten Dampf waren, was wir vermeiden wollen.“
Eine weitere Herausforderung war die Herstellung des Geräts selbst, da das Team von Metrohm Applikon Komponenten wie die Metallspulen von Hand fertigte. Sie wickelten das Metall mit einer Drehmaschine so eng wie möglich auf und versuchten dann, ein Langloch von 1,5 mm durch ein anderes Stück zu bohren. Außerdem mussten sie jedes einzelne Teil, wie Halterungen, Führungen und Kühlkanäle, herstellen und später kombinieren. Dadurch war es fast unmöglich, Konsistenz zu erreichen, und es wurde sehr viel Material verbraucht.
„Jedes Instrument, das wir gebaut haben, war anders als das vorherige. Die Qualität war nicht gleichbleibend. Ich wollte etwas Kompakteres machen, mit immer besserer Qualität“, so van den Brand.
Ein neues Design extra für den 3D-Druck mit Metall
Der 3D-Druck war die naheliegende Wahl, um viele dieser Probleme zu lösen. Mit 3D-Modellierungssoftware nutzten van den Brand und sein Team die Designfreiheit der 3D-Druck-Technologie, um eine Reihe von Prototypen – und später Endverbrauchsteile – im hochmodernen Metall-Kompetenzzentrum von Materialise in Bremen herzustellen. Mit einem erfahrenen Design & Engineering-Team und speziellen Produktionslinien ermöglicht das Zentrum Partnern wie Metrohm Applikon, die Flexibilität und Effizienz des Metall-3D-Drucks sowohl für das Prototyping als auch für die Serienproduktion zu nutzen.
Geringere Wandstärke
„Mit dem 3D-Druck konnte ich die Vorteile einer geringeren Wandstärke erkennen, indem ich die Spulen ineinander druckte“, erinnert sich van den Brand. „Wir können den Stahl nicht von Hand wickeln“. Dies hätte eine doppelte Wandstärke zur Folge gehabt. Dieses Design macht das Teil viel kompakter, produziert viel besseren Dampf und verbraucht weniger Energie.
Die Freiheit des Metall-3D-Drucks erlaubte es van den Brand auch, neue Elemente in sein Design aufzunehmen. Er konnte nun Teile einbauen, die er früher einzeln hergestellt hatte, so dass eine weitere Nachbearbeitung oder Montage nicht mehr erforderlich war. Auf diese Weise wurde sogar eine neue Funktionsebene hinzugefügt, die mit keiner anderen Herstellungsmethode möglich gewesen wäre.
Mehr Funktionen für den Kühlkörper
„Es begann damit, dass wir einige zusätzliche Anforderungen an die Sicherung erhielten. Ich dachte, ich könnte auch den Temperatursensor und den Erdungsanschluss in dieses Teil integrieren und das Kabel mit einer Zugentlastung halten“, erzählt van den Brand. Danach dachte er darüber nach, einen Sattel für einen O-Ring hinzuzufügen und eine Art Schlauchtülle anzufertigen, damit sich der Schlauch nicht so leicht lösen würde.
van den Brand: „Durch die Verwendung von Edelstahl konnten wir diese zusätzlichen Funktionen hinzufügen. Bei dieser Klemme ist sie so dünn, dass man sie mit einer Zange um ein Kabel biegen kann. Wir konnten die Röhren auch unglaublich dünn machen, etwa 0,5 mm, und ein anderes Material hinzufügen, um sicherzustellen, dass es keine Kurzschlüsse gibt.“
Die Wahl des richtigen Materials
Es war jedoch nicht nur die Druckfähigkeit von Edelstahl 316L, die van den Brand dazu veranlasste, mit diesem Material zu arbeiten. Die Wahl des richtigen Materials begann damit, dass er sowohl die Anforderungen des zu bauenden Instruments als auch die Eigenschaften des Metalls selbst verstand. van den Brands Team arbeitet eng mit Chemiespezialisten zusammen, die ihm für jede Anwendung den richtigen Weg wiesen.
Angesichts der Art dieser Instrumente ist dies eine wichtige Aufgabe. Die Instrumente sind oft sehr rauen Umgebungen ausgesetzt, für die Metalle nur selten geeignet sind. Für dieses spezielle Teil war jedoch rostfreier Stahl die ideale Wahl, da er die von Metrohm Applikon geforderten Eigenschaften aufweist und keine Gefahr der Verunreinigung der Flüssigkeit im Werkzeug besteht.
“Dieser neue Kühlkörper ist drei- bis viermal kleiner, einfacher zu fertigen und kompakter. Die Produktion ist zuverlässig und wiederholbar, so dass wir bei jeder Einheit die gleiche Qualität erhalten”, so van den Brand.
Metall-3D-Druck sorgt für kompaktes leistungsfähigeres Bauteil
Natürlich bringt das neue Design sowohl Metrohm Applikon als auch seinen Kunden viele Vorteile. Es erfordert weniger Material, spart viel Zeit bei der Produktion, Nachbearbeitung und Montage und ermöglicht den Druck auf Abruf. Die Stückkosten des Dämpfungsmoduls sind beispielsweise um fast 19 % gesunken, und da das Team nun rund 25 Einheiten pro Jahr produziert, summieren sich diese Einsparungen schnell.
Abgesehen von den konstruktiven und kostensparenden Vorteilen liegt der spürbarste Gewinn jedoch in der Leistung des Systems. van den Brand wollte Qualität, und genau die hat er auch bekommen: „Unser bisheriges Modell war inkonsistent. Die Benutzer mussten mehr Energie aufwenden, um Dampf zu erzeugen, oder sie mussten die Pumpendrehzahl verringern. Sie mussten es immer wieder neu einstellen. Das war wirklich mühsam.“
Dieser neue Kühlkörper sei drei- bis viermal kleiner, einfacher zu fertigen und kompakter – und die Leistung bliebe erhalten. Er sei robuster und sicherer. van den Bran: „Wir verbrauchen weniger Material, und die Produktion ist zuverlässig und wiederholbar, so dass wir bei jeder Einheit die gleiche Qualität erhalten.“
Wie bei jeder Produktionsmethode muss der 3D-Druck für die jeweilige Anwendung sinnvoll sein, und van den Brand und sein Team beherrschen die Kunst der Anwendungsfindung. Sie wissen, wann und wo die Technologie einen Nutzen bringt, und sie sind mit ihrer Zusammenarbeit mit Materialise zufrieden.
„Wir haben einige eigene Drucker, die wir für die Anfangsphase verwenden“, erklärt er. „Aber wenn wir 3D-Druck für die Produktion benötigen oder wenn wir eine Serie produzieren wollen, ist Materialise die Wahl.“ (eve)
