Roger Baggenstos ist Entwicklungsingenieur bei Geberit im Bereich Piping Systems.
Foto: Geberit

Rapid Prototyping

Mit Prototypen aus dem 3D-Drucker zum Massenprodukt

Um die Entwicklungszeit neuer Produkte zu minimieren, stellt Geberit viele Prototypen im 3D-Druck-Verfahren her. Die Vorgehensweise bietet diese Vorteile.

Seit 2016 steht im Prototypen-Labor eine Sintratec S1, mit der die Geberit Interntional AG eine Vielzahl an Prototypen mittels 3D-Druck fertigt. Der Drucker dient zu Designoptimierungen und Materialtests. Die Geberit-Gruppe betreibt 29 Produktionswerke in über 50 Ländern.

Prototypen entstehen durch die verschiedensten 3D-Druck-Verfahren

Bevor der Konzern ein neues Produkt für die Markteinführung freigibt, muss dieses eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Alle Prototypen werden am Konzernhauptsitz in Rapperswil-Jona (Schweiz) auf Qualität, Funktionalität, Design und Montagefreundlichkeit getestet. Vom modern eingerichteten Prototypen-Labor profitieren Entwicklungsingenieure diverser Abteilungen. Ihre Ideen setzen sie dort in kurzer Zeit um. Vor der Massenproduktion (z.B. im Spritzgussverfahren) durchläuft jedes Bauteil mehrere Designvarianten. Für deren Herstellung in den verschiedensten 3D-Druck-Verfahren stehen eine beträchtliche Anzahl professioneller Geräte im Prototypen-Labor. Insgesamt werden im Jahr rund 16.000 Teile gedruckt – via SLS, FDM, SLA, 3DP oder MJF.

Speziallösung aus Polypropylen für enge Platzverhältnisse

Eines davon war eine flexible Ummantelung eines Armaturenanschlusswinkels für den Einbau bei engen Platzverhältnissen. Speziallösungen wie diese entwickelt Roger Baggenstos, Geberit-Entwicklungsingenieur im Bereich Piping Systems: „Damit von der Warmwasserleitung möglichst wenig Wärme auf die Kaltwasserleitung abstrahlt und so das Warmwasser warm und das Kaltwasser kalt gehalten werden kann, werden Versorgungssysteme gedämmt. Dies ist auch erforderlich, um die normativen Anforderungen einzuhalten. Am Beispiel des Armaturenanschlusswinkels verwenden wir expandiertes Polypropylen, kurz EPP.“ Der geschäumte Kunststoff ist dehnbar und zugleich mechanisch fest.

Foto: Geberit
Links der Prototyp des Armaturenanschlusswinkels aus Sintratec TPE und rechts das Serienbauteil aus EPP.

Solche Anforderungen an die Hygiene betreffen generell die Auslegung der Wasserzuleitungen. Heute werden diese so ausgelegt, um Leitungsmeter mit stillstehendem Wasser möglichst gering zu halten. So führte früher beispielsweise je ein seprater Strang zum Waschbecken, einer zum WC und einer zur Dusche, während heute die Leitung von Installation zu Installation direkt weitergeführt wird.

Selektive Lasersintern ermöglicht das Drucken von flexiblem Material

Zurück zur EPP-Ummantelung: Um von einer solch anspruchsvoll zu fertigenden Komponente funktionale Prototypen mit weitgehend ähnlichen Eigenschaften zu fertigen, nutzt Geberit das selektive Lasersintern (SLS). Die Ummantelung wurde aus dem flexiblen Material Sintratec TPE auf dem SLS-Desktop-Drucker Sintratec S1 gedruckt und umgehend in einer realen Bausituation getestet. Somit wurde überprüft, ob die Produktidee auch wirklich montierbar ist. Mit Erfolg: Die beiden Ummantelungsteile konnten ohne Hindernis um den Armaturenanschlusswinkel gebracht und mittels erforderlichen Schnappmechanismus fixiert werden.

Foto: Geberit
Ausschnitt eines „Entwicklungswürfels“: Für diesen Armaturenanschlusswinkel wurde der Prototyp der flexiblen Ummantelung aus Sintratec TPE 3D-gedruckt und in dieser realen Bausituation getestet.

Wieso das SLS-Druckverfahren überzeugte

Hugo Arnold, Leiter der Prototypen-Werkstatt bei Geberit, blickt zurück auf das Projekt: „Mit anderen 3D-Druck-Verfahren hergestellte Prototypen wiesen die erforderliche Flexibilität und mechanische Festigkeit nicht auf.“ Der Entscheid, die Komponenten auf der Sintratec S1 zu fertigen, hing aber noch von anderen Faktoren ab. So erwiesen sich gerade die großen SLS-Anlagen für das Projekt als unpraktisch – aufgrund der aufwändigen Materialwechselprozesse. „Auf der Sintratec S1, die über einen kleinen Bauraum verfügt, kann ich mit relativ wenig Pulver sofort einen Testdruck durchführen“, fährt Hugo Arnold fort. Ein kleines Einzelteil auf einer großen SLS-Anlage zu drucken, das lohne sich nicht.

Foto: Geberit
„Wir schätzen die schnellen Umsetzungsmöglichkeiten von Testbauteilen. Auf der Sintratec S1, die über einen vergleichsweisen kleinen Bauraum verfügt, kann ich mit relativ wenig Pulver innert kurzer Zeit einen Testdruck durchführen“, erklärt Roger Baggenstos.

Konventionelle Methoden sind überwiegend abgelöst

Das SLS-Systeme, wie die Sintratec S1, Wettbewerbsvorteile schaffen, bestätigt auch Roger Baggenstos, der für dieses Projekt nur wenig Entwicklungszeit zur Verfügung hatte: „Wir schätzen die schnellen Umsetzungsmöglichkeiten von Testbauteilen. Mit dem gedruckten Prototypen in der Hand können wir gemeinsam mit unserem Produktionspartner deren Funktion umgehend evaluieren.“ Geberit druckt aus Sintratec PA12 Objekte wie Wassergehäuse, Verteiler oder Prüfkörper, die bis zu 48 bar standhalten. Für Dichtungen an Anschauungsmodellen, Schallschutzteile oder Wärmedämmungsteile nutzt Geberit das flexible Material Sintratec TPE. Um die entwicklerische Neugier der Ingenieure und des Laborpersonals zu stillen, werden mit der Sintratec S1 darüber hinaus Tests mit Fremdmaterialien durchgeführt.

Foto: Geberit
Aus dem Material Sintratec TPE gedruckt, wärmedämmend und mit Einschnappmechanismus versehen: Funktionaler Prototyp einer flexiblen Ummantelung bestehend aus zwei Komponenten.

Ausgedehnte Konstruktionsfantasie und kürzere Time-to-Market im Fokus

Geberit hatte bereits 2005 den ersten 3D-Drucker angeschafft. Waren damals im Prototypen-Labor noch Drehbänke und Fräsen in der Überzahl, dominieren heute die 3D-Drucker. Dabei gehört das selektive Lasersintern zur meist eingesetzten Technologie. Roger Baggenstos fasst zusammen: „Dank SLS profitieren wir von einer erleichterten Ideenfindung in der Produktentwicklung. Die Haptik 3D-gedruckter Objekte regt die Konstruktionsfantasie an und ermöglicht uns rasche Designoptimierungen und damit eine erheblich reduzierte Time-to-Market.“

Foto: Miriam Lenz

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