3D-Druck und Kabelbaummontage

Kabelbaumhersteller können mit der H350-Maschine bei Bedarf hochwertige Steckverbinder auf Produktionsniveau in 3D drucken. Foto mit freundlicher Genehmigung von Stratasys Ltd.

Diese weißen Blöcke aus Kunststoff sind Halterungen, die die Steckverbinder während der Kabelbaummontage in Position halten. Foto mit freundlicher Genehmigung von HP Inc.

Der Kabelbaumhersteller Cesar-Scott Inc. druckt Steckverbinderhalter, Schalter, Vorrichtungen, Vorrichtungen sowie Maschinenschutzvorrichtungen und Ersatzteile in 3D. Foto mit freundlicher Genehmigung von Cesar-Scott Inc.

Auf diesem Foto sitzen CNC-gefräste Kabelbaumstecker auf ihren 3D-gedruckten Gegensteckern, die für Leitfähigkeitstests verwendet werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Electrex Inc.

Auf Wunsch eines Luft- und Raumfahrtherstellers hat TE Connectivity diesen Montagehalter für seine D369-Steckverbinder entworfen und 3D-gedruckt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Stratasys Ltd.

Jahrelang nutzten Kabelbaumhersteller den 3D-Druck nur für grundlegende Vorrichtungen und Werkzeuge, Prototyping-Anwendungen oder die Steckverbinder, die für die Durchgangsprüfung fertiger Kabelbäume erforderlich waren. Mittlerweile haben Anbieter von 3D-Druckern jedoch Maschinen auf den Markt gebracht, die es Unternehmen ermöglichen, ein breites Spektrum an Steckverbindern und Vorrichtungen wirtschaftlich zu drucken.

„Die Möglichkeit, die von uns per 3D-Druck gefertigten Kabelbaumkomponenten individuell anpassen zu können, ist ein großer Vorteil, aber es gibt auch noch andere Vorteile, wie z. B. die Korrektur von Fehlern und die schnellere Fertigstellung von Projekten“, bestätigt Tim Buhler, Director of Engineering Services bei Electrex Inc., einem Hersteller von Drähten Seit den späten 1970er Jahren produziert er Kabelbäume für Geländefahrzeuge und Spezial-Lkw auf der Straße. „Die Notwendigkeit, die Qualität unserer Kabelbäume zu verbessern, war der Hauptgrund, warum wir mit dem 3D-Druck von Teilen begonnen haben, darunter Testvorrichtungen, Klemmen zur Befestigung von Drähten an Platinen und Halter, die Monteuren dabei helfen, Steckverbinder am Kabelbaum zu lokalisieren, auszurichten und zu identifizieren.“

Der 3D-Druck hat es Electrex auch ermöglicht, seinen Kunden zu helfen. Im vergangenen Jahr druckte das Unternehmen beispielsweise einen einzigartigen Steckverbinder, der Funktions- und Durchgangsprüfungen von Kabelbäumen für einen vorrangigen Kunden durchführt, der Traktoren herstellt. Dies steigerte die Qualität der Geschirre.

Bis vor Kurzem nutzten nur Hersteller in etablierten Branchen wie der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie den 3D-Druck zu ihrem Vorteil. Jetzt tun es auch die Kabelbaumhersteller, und der Zeitpunkt könnte angesichts der Probleme in der Lieferkette, die die Fertigung beeinträchtigen, nicht besser sein.

Die traditionellen Vorteile des 3D-Drucks – wie Geld- und Zeitersparnis sowie eine größere Gestaltungsfreiheit und Materialflexibilität – sind für Kabelbaummonteure ebenso attraktiv wie für andere Hersteller. Die additive Fertigung ermöglicht es den Kabelbaummonteuren aber auch, täglich weniger auf Komponentenlieferanten von Drittanbietern angewiesen zu sein.

Allen Kreemer, kommerzieller Anwendungsingenieur bei Stratasys Ltd., sagt: Die Zeiten, in denen der 3D-Druck ausschließlich zur Herstellung von Prototyp-Steckverbindern verwendet wurde, sind vorbei. Er sagt, dass Kabelbaumhersteller dank der im Juli 2021 eingeführten Stratasys H350-Maschine jetzt hochwertige Steckverbinder auf Produktionsniveau nach Bedarf produzieren können.

„An der fortschrittlichen Technologie des H350 wird seit fast 15 Jahren gearbeitet, beginnend mit Forschungsarbeiten, die zu Beginn des Jahrhunderts an der University of Loughborough durchgeführt wurden“, erklärt Kreemer. „Aber erst in den letzten Jahren wurde es für den Einsatz in Kabelbäumen und anderen Märkten reif. Dazu gehören die Automobil-, Haushaltsgeräte-, Elektronik-, Schwermaschinen- und Freizeitfahrzeugindustrie.“

Der Schlüssel zum H350 ist seine Selective Absorption Fusion (SAF)-Technologie, bemerkt Alec Logeman, kommerzieller Anwendungsingenieur bei Stratasys. SAF verwendet eine gegenläufig rotierende Walze, um Pulverschichten auf ein Druckbett aufzutragen, bevor Absorberflüssigkeit aufgetragen wird, um die Teilschichten abzubilden. Anschließend werden die Schichten geschmolzen und verschmolzen, indem eine Infrarotlampe über die gesamte Spannweite des Druckbetts geführt wird.

Die Flüssigkeit wird von piezoelektrischen Druckköpfen in Industriequalität auf vorgegebene Bereiche aufgetragen, um den Querschnitt jedes Teils zu erzeugen. Der Prozess wird immer in der gleichen Richtung über das Druckbett hinweg durchgeführt, um ein einheitliches thermisches Erlebnis und eine gleichmäßige Teilekonsistenz zu gewährleisten, unabhängig von ihrer Platzierung im Druckaufbau.

„Hersteller können Steckverbinder jeder Form und mit jeder gewünschten Pin-Anzahl individuell drucken“, sagt Logeman. „Der gedruckte Steckerkörper ersetzt das, was normalerweise im Spritzgussverfahren hergestellt wird, und die Stifte werden in einem separaten Prozess eingesetzt.

„Der große Arbeitsraum des H350 (315 x 208 x 293 Millimeter) ermöglicht es einem Unternehmen, bis zu 200 standardmäßige dreipolige Molex-Steckverbinder in nur 13 Stunden in 3D zu drucken“, fährt Logeman fort. „Fast 400 kleinere Steckverbinder können auf derselben Fläche gedruckt werden. Das Produktionsvolumen variiert je nach Endbenutzer, aber der Drucker ist kostengünstig, unabhängig davon, ob das Unternehmen Tausende von Steckverbindern pro Woche oder Jahr druckt.“

Beim H350 verwendet Stratasys ein von Dritten zertifiziertes Pulvermaterial, PA11, anstelle eines Harzes oder Filaments. PA11 ist ein biobasierter Kunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen, gewonnen aus nachhaltigem Rizinusöl.

„Um bei der Umstellung auf den 3D-Druck die besten Produktionsteile zu erhalten, sollten Sie den Einsatz von Design für additive Fertigungsverfahren in Betracht ziehen“, empfiehlt Kreemer. „Die Umsetzung dieser Strategien bei der Anpassung bestehender Designs kann dazu führen, dass Teile schneller, billiger und besser hergestellt werden.“

Monteure verwenden verschiedene Arten von Vorrichtungen, um während der Montage einen Kabelbaum an einer Platine zu befestigen. Ein Typ ist ein Kunststoffhalter oder eine Abdeckung, in die jeder Stecker eingesetzt wird.

Isabel Sanz, Business Development Manager für die AMS-Region bei HP Inc., sagt, dass die Modelle Jet Fusion 5200 und 5210 von HP perfekt für 3D-Druck-Steckerhalter geeignet sind. Beide Maschinen nutzen die Multi-Jet Fusion (MJF)-Technologie für die Massenproduktion.

MJF verfügt über eine abnehmbare Baueinheit mit einem Druckkopf, der ein Fixiermittel in einem Durchgang auf eine Pulveroberfläche (PA11 oder PA12) in Form einer zweidimensionalen Schicht (0,003 Zoll dick) sprüht. Anschließend erhitzen und verschmelzen Infrarotlampen das Pulver, bevor eine weitere Pulverschicht aufgetragen wird und der Vorgang wiederholt wird.

Jeder Drucker verfügt über einen Arbeitsbereich von 15 x 11 x 15 Zoll und ein Düsensystem, das präzise 30 Millionen Tropfen Fixiermittel pro Sekunde und Zoll aufträgt. Bei Bedarf kann der Druckkopf ein Detailierungsmittel auf Bereiche neben dem vorgesehenen Fixierbereich auftragen, um thermisches Ausbluten zu verhindern und die Leistung des Teils zu verbessern. Dieses Mittel erzeugt auch Merkmale wie abgerundete Kanten, um Kabel- und Steckerschäden bei der Kabelbaummontage zu verhindern.

„Beide Modelle können bis zu 184 Halter in einem Druckauftragszyklus drucken, was 11 Stunden Druckzeit und anschließend 36 Stunden Abkühlung umfasst“, erklärt Sanz. „Unsere Tests und Untersuchungen zeigen, dass auf der 5200-Serie gedruckte Halter die Vorlaufzeit von zwei auf sechs Wochen auf einen Tag verkürzen. Bei einer Herstellung von 250 bis 300 pro Tag kosten die Halter zwischen 6 und 7 US-Dollar pro Teil. Das bedeutet eine Ersparnis von bis zu 75 Prozent im Vergleich zu CNC-gefrästen Haltern.“

Electrex betreibt an seinen Standorten in Nordamerika (drei in Kansas, neun in Mexiko) ein Dutzend 2D- und 3D-Drucker, um eine breite Palette an Befestigungsklemmen und Steckerhaltern herzustellen. Seine Hauptdrucker sind Creality Ender 5 Plus-Modelle von Comgrow, die das Fused Deposition Modeling (FDM)-Verfahren nutzen. Der Drucker trägt geschmolzenes Filamentmaterial (in diesem Fall Polymilchsäure oder PLA, ein natürlicher thermoplastischer Polyester) Schicht für Schicht auf eine Bauplattform auf, bis das Teil fertig ist.

„Für den Großteil unserer Teile verwenden wir handelsübliche Standarddrucker“, bemerkt Bühler. „Sie reichen von bis zu 12 Zoll im Quadrat, wobei die meisten Teile weniger als 6 Zoll im Quadrat und nur einen Zoll im Quadrat messen.“

Auch der Kabelbaumhersteller Cesar-Scott Inc. (CSI) setzt bei der Herstellung von Steckerhaltern auf FDM-basierte 3D-Drucker. Ihre Atom-Industriedrucker (von TCC Print) stellen Teile aus PLA oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) in einem 12 Zoll großen Arbeitsraum her.

CSI wurde 1988 gegründet und stellt seit 1994 Kabelbäume und seit 2012 Schalterkabelbäume her. Diese Art von Kabelbäumen versorgt das elektronische Funkenmodul von Gasherden, Grills und anderen Geräten mit Strom.

„Seit 2015 drucken wir die meisten unserer Schalterprototypen zusammen mit Steckerhaltern, Vorrichtungen, Vorrichtungen sowie Maschinenschutzvorrichtungen und Ersatzteilen in 3D“, erklärt Inhaber und Mitbegründer C. Gustavo Farell. „Letztes Jahr haben wir fast 500.000 Kabelbäume gebaut, von denen jeder über vier oder fünf Schalter und zwei bis zehn Drähte verfügt.

„Der Hauptvorteil des 3D-Drucks besteht für uns darin, dass er die Geschwindigkeit bis zum Ausfall beschleunigt“, fährt Farell fort. „Damit meine ich: Je schneller wir das falsche Teil drucken können, desto effizienter und kostengünstiger können wir eine Form für das richtige Teil zur Verwendung in der Produktion erstellen. Im Durchschnitt dauert es etwa drei Versuche, bis es gelingt.“

Laut Farell druckt CSI die Halter in mehreren Farben, damit sie zu denen der Anschlüsse passen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Monteur den richtigen Stecker im Halter und die richtigen Drähte im Stecker platziert. Zu den Farben gehören Weiß, transparentes Weiß, Schwarz, Rot, Blau und Grün. Die meisten Halter sind ein oder zwei Quadratzoll groß, können aber auch bis zu acht Quadratzoll groß sein.

Einige Schalter, die CSI in seinen Kabelbäumen verwendet, werden von einem Drittanbieter gedruckt und zurückgeschickt. Laut Farell müssen diese Schalter im Stereolithographie-Druckverfahren (SLA) auf einer Leiterplatte montiert werden.

Dieser Prozess und seine Ausrüstung stellen sicher, dass die Schalter die höheren Temperatur- und Auflösungsanforderungen für behördliche Zulassungen erfüllen. Geräte der unteren Preisklasse erfüllen diese Anforderungen möglicherweise nicht immer. Die Arbeit wird von mehreren Unternehmen sowie am 3D Engineering and Additive Manufacturing Technology Center der University of Texas in El Paso durchgeführt.

Sowohl die H350- als auch die Origin One-Drucker von Stratasys können Steckerhalter in 3D drucken. Das letztere Modell unterstützt Teileabmessungen von bis zu 192 x 108 x 370 Millimetern und druckt Details mit einer Größe von weniger als 50 Mikrometern.

Zu den zertifizierten Materialien von Drittanbietern gehören Industrieharze sowie Hochtemperatur-, langlebige Elastomer-, Allzweck- und medizinische Materialien. Die Programmable PhotoPolymerization P3-Software des Origin One orchestriert Licht, Temperatur, Zugkräfte und Pneumatik präzise, ​​um die Teilequalität zu optimieren.

Zubehör, das die Installation von Kabelbäumen erleichtert, kann ebenfalls in 3D gedruckt werden. Dazu gehören Klemmen, Konsolen, Montagehalter und Fräshilfen.

Kürzlich beauftragte der Kabelmanagementspezialist HellermannTyton (HT) Fast Radius Inc. mit dem 3D-Druck individueller Verlegehilfen, die HT-Mitarbeiter an fertigen Kabelbäumen anbringen, um den Einbau in Fahrzeuge zu erleichtern. Aufgrund der Größe und Komplexität der Hilfsmittel mussten die HT-Ingenieure das Design in mehrere kleinere Abschnitte aufteilen, die dann auf HP Jet Fusion-Maschinen gedruckt wurden.

Ethan Fish, Produktdesigner bei HT, sagt, dass Fast Radius in nur sechs Wochen mehr als 3.000 Abschnitte für den ersten Durchgang bereitgestellt hat. HT-Mitarbeiter fügten diese Teile dann zu 1.235 Teilen zusammen. Jeder gedruckte Abschnitt ist fast 13 Zoll lang, wobei die Endmontage fast 46 Zoll lang ist.

Die Beauftragung von Fast Radius für das Projekt half HT dabei, die Vorlaufkosten für Spritzgusswerkzeuge und Versuche für seinen Automobilkunden einzusparen. HT sparte außerdem fast zwei Monate Projektvorlaufzeit und fast 1 Million US-Dollar an Gesamtprojektkosten.

Einige Komponentenlieferanten ziehen es vor, ihren eigenen 3D-Druck durchzuführen. TE Connectivity beispielsweise hat kürzlich im Auftrag eines Luft- und Raumfahrtherstellers einen Prototypen-Montagehalter für seine D369-Steckverbinder entworfen und in 3D gedruckt. Der Halter passt korrekt und sicher zu Steckverbindern, die in Flugzeuggehäusen montiert sind.

Der Hersteller benötigte den Halter nicht nur schnell, sondern verlangte auch, dass er aus luft- und raumfahrttauglichem Material mit einer Genauigkeit von ±0,002 Zoll gefertigt sei. Der Halter musste außerdem branchenübliche Lufttüchtigkeits- und Umwelttests bestehen, um Ausfälle unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verhindern.

Aufgrund der bisherigen Erfahrungen damit verwendeten die Ingenieure von TE Connectivity für das Projekt den Stratasys Origin One. Experten von Stratasys arbeiteten unterdessen mit Henkel Loctite zusammen, um ein flammhemmendes Photopolymer für diese Anwendung zu entwickeln.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.