3D-Druck für die Druckindustrie? Ersatzteile und Robotiklösungen für HEIDELBERG
Die Heidelberger Druckmaschinen AG zählt zu den führenden Herstellern von Offsetdrucksystemen und ist in über 170 Ländern aktiv. Mit mehr als 10.000 Mitarbeitenden entwickelt und produziert das Unternehmen Maschinen und Automatisierungslösungen für die gesamte Wertschöpfungskette des Drucks – von leistungsstarken Druckmaschinen bis hin zu präzisen Schneid- und Falzsystemen.
Vor rund sechs Jahren erweiterte HEIDELBERG seine Fertigung um den industriellen 3D-Druck. Ziel war es zunächst, Prototypen schneller und kostengünstiger zu entwickeln. Inzwischen ist die Technologie fester Bestandteil der Serienproduktion. Jährlich entstehen mehrere Tausend Bauteile für etwa 15 unterschiedliche Anwendungen. Dazu zählen leichte Komponenten für Robotikanlagen ebenso wie Ersatzteile, die konventionelle Stahlbauteile in Falzmaschinen ersetzen.
Beschleunigte Produktentwicklung durch den Industriellen 3D-Druck
HEIDELBERG setzt bei der Entwicklung neuer Bauteile und Baugruppen zunehmend auf additive Fertigung, insbesondere wenn konventionelle Herstellungsverfahren an ihre Grenzen stoßen. Die enge Zusammenarbeit mit der CTS-3 GmbH, einem spezialisierten Technologieberatungsunternehmen im Bereich industrieller 3D-Druck, spielt dabei eine zentrale Rolle. Dessen Geschäftsführer, Joachim Krumma, bringt langjährige Erfahrung aus der Produkt- und Anwendungsentwicklung bei HEIDELBERG ein. Gemeinsam mit dem Forschungs- und Entwicklungsteam werden neue Anwendungen konzipiert, getestet und in die Serienproduktion überführt.
Ein wesentlicher Bestandteil dieses Prozesses ist die praktische Erprobung. Neue Produkte werden direkt im Einsatz getestet und anhand von Rückmeldungen aus der Anwendungspraxis optimiert. Ein Beispiel dafür ist die Kooperation mit der großen Offsetdruckerei Meinders & Elstermann in Belm. Dort werden jährlich über 100 Millionen Bögen Papier verarbeitet, unterstützt von vier HEIDELBERG-Druckmaschinen und sieben Falzmaschinen. Prototypen und neue Maschinenmodelle werden hier unter realen Produktionsbedingungen erprobt und kontinuierlich verbessert.
Die Bandbreite der Anwendungen für 3D-gedruckte Komponenten ist groß. Dazu zählen leichte Bauteile für Pick-and-Place-Roboter, Ersatzteile für Maschinenkomponenten, die zuvor aus Stahl gefertigt wurden, sowie neue Konstruktionselemente für Falzmaschinen. Produziert werden diese Teile auf einem Formlabs SLS-3D-Drucker der Fuse-Serie. Verarbeitet werden unter anderem starres Nylon 12 Powder für belastbare Strukturen und TPU 90A Powder für flexible Bauteile.
Praxisbeispiel Meinders & Elstermann: 3D-Druckteile im Realbetrieb
Die Offsetdruckerei Meinders & Elstermann in Belm verarbeitet jährlich zwischen 100 und 120 Millionen Bögen Papier. Zum Maschinenpark gehören vier HEIDELBERG-Druckmaschinen sowie sieben Falzmaschinen in der Weiterverarbeitung. Neue Maschinenmodelle, die HEIDELBERG auf den Markt bringen möchte, werden hier unter realen Produktionsbedingungen getestet und weiterentwickelt.
Der Einsatz additiv gefertigter Komponenten ist vielfältig. Dazu zählen leichte Bauteile für Pick-and-Place-Roboter, neue Konstruktionselemente für Falzmaschinen sowie Ersatzteile für Maschinenteile, die zuvor aus Stahl hergestellt wurden. Gefertigt werden diese Teile mit einem SLS-3D-Drucker der Fuse-Serie. Zum Einsatz kommen dabei Materialien wie Nylon 12 Powder für robuste, starre Bauteile und TPU 90A Powder für flexible Elemente.
Die Vorteile des 3D-Drucks liegen für das Unternehmen in der hohen Geschwindigkeit und Flexibilität. Entwicklungs- und Produktionszyklen lassen sich von mehreren Wochen auf ein bis zwei Tage verkürzen. Auch die Wirtschaftlichkeit überzeugt: Bei der Fertigung von Prototypen, kundenspezifischen Einzelteilen und Kleinserien sind Kosteneinsparungen um den Faktor zehn bis zwanzig gegenüber konventionellen Verfahren möglich.
Proof-of-Concept: Leichtbau in der Robotik
Eines der eindrucksvollsten Beispiele für den Einsatz additiver Fertigung bei HEIDELBERG ist der P-Stacker, ein Pick-and-Place-Roboter, der gefalzte Papierbögen von der Falzmaschine aufnimmt und auf Paletten ablegt. Der automatisierte Prozess ersetzt die zuvor manuelle Arbeit, bei der täglich mehrere Tonnen Papier bewegt werden mussten. Der Roboter kann Paletten bis zu einem Meter hoch stapeln und je nach Laufleistung bis zu 18.000 Bögen pro Stunde absetzen.
Viele der im P-Stacker verbauten 3D-gedruckten Bauteile sind hochkomplex und übernehmen mehrere Funktionen gleichzeitig. Dazu gehören Verbindungselemente und Halterungen für Achsenbewegung und -klemmung, Bauteile zur Erzeugung eines pneumatischen Saugeffekts, integrierte Sensorhalterungen sowie Komponenten zur Verbesserung der Schiebeeigenschaften. In der Robotik ist das Gewicht solcher Bauteile ein entscheidender Faktor: Je leichter die Komponenten, desto geringer die mechanische Belastung und desto höher die Dauerfestigkeit.
Der Einsatz von SLS-3D-Druck mit Materialien wie Nylon 12 Powder ermöglicht stabile, langlebige Bauteile bei gleichzeitig hoher Designfreiheit. Erhöhte Komplexität verursacht dabei keine Mehrkosten, ein deutlicher Vorteil gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden wie der Zerspanung. So entstehen oft organisch geformte, funktionsoptimierte Strukturen, die speziell auf die wirkenden Kräfte und Lasten ausgelegt sind. Diese Teile werden häufig mit anderen Komponenten kombiniert, beispielsweise mit metallenen Lagern oder Teflon-beschichteten Elementen zur Reibungsminimierung.
Auch flexible, hochpräzise Bauteile aus TPU 90A Powder finden Verwendung. Sie verhindern Querkontamination, schützen Sensoren, decken scharfe Kanten ab und beugen Verschleiß vor. Solche Komponenten sind ideal für Schnappverbindungen und erhöhen die Sicherheit des Bedienpersonals. Ein aktuelles Beispiel ist eine speziell entwickelte Kabelführung, die Kabelbrüche verhindert und damit die Lebensdauer des Roboters verlängert. Diese wurde ebenfalls im SLS-Verfahren produziert und bietet eine langlebige, belastbare Lösung, um Ausfallzeiten zu vermeiden.
Ersatzteile aus dem 3D-Drucker ersetzen ab sofort Stahlteile
In der Druckproduktion ist es entscheidend, Ausfallzeiten von Maschinen so gering wie möglich zu halten, da jede Verzögerung Liefertermine gefährden und Druckerzeugnisse unbrauchbar machen kann. HEIDELBERG verfügt über ein weltweites Servicenetzwerk, das 95 Prozent aller Ersatzteile innerhalb von 24 Stunden bereitstellen kann. Dennoch wurde geprüft, ob 3D-gedruckte Ersatzteile eine effiziente Lösung für veraltete oder schwer verfügbare Komponenten sein könnten.
Ein praktisches Beispiel liefert eine ältere Falzmaschine von Meinders & Elstermann. Dort wurden Verbindungselemente installiert, die zuvor aus Stahl gefräst wurden und Metallrollen mit einem Gewicht von bis zu 13 Kilogramm halten. Die Bauteile arbeiten in einer stark beanspruchten Umgebung: hoher mechanischer Belastung, öligen und staubigen Bedingungen sowie extremen Kräften, wie sie etwa bei Notstopps auftreten, wenn das gesamte System innerhalb von Millisekunden zum Stillstand kommt.
Die im SLS-3D-Druck hergestellten Ersatzteile werden mit Lagern und reibungsmindernden Metallkomponenten kombiniert. Sie sind inzwischen seit mehr als zweieinhalb Jahren im Dauereinsatz, über zwei Schichten an fünf Tagen pro Woche, ohne dass ein Austausch erforderlich war. Diese Langlebigkeit übertrifft die ursprünglichen Erwartungen deutlich und zeigt, dass additiv gefertigte Bauteile in der Lage sind, selbst in anspruchsvollen, schmutz- und ölbelasteten Produktionsumgebungen konventionelle Stahlkomponenten langfristig zu ersetzen.
So bleiben Druckereien mittels SLS-3D-Druck wettbewerbsfähig
Der Druckmarkt steht seit Jahren unter starkem Veränderungsdruck. Sinkende Auflagen, kürzere Lieferfristen und die zunehmende Verlagerung von Print- zu Onlineprodukten führen dazu, dass Druckereien ihre Prozesse kontinuierlich optimieren müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Nur Unternehmen, die in neue Technologien investieren und ihre Produktionskapazitäten flexibel anpassen, können langfristig am Markt bestehen.
HEIDELBERG begegnet diesen Herausforderungen mit dem konsequenten Einsatz additiver Fertigung und der Zusammenarbeit mit Partnern wie der CTS-3 GmbH. Der SLS-3D-Druck ermöglicht es, Entwicklungszeiten erheblich zu verkürzen. Bauteile können über Nacht produziert, am nächsten Tag getestet und anschließend entweder optimiert oder direkt in die Serienfertigung übernommen werden.
Diese Geschwindigkeit in der Produktentwicklung macht es möglich, auf Marktveränderungen sofort zu reagieren und neue Maschinen oder Komponenten schneller zur Marktreife zu bringen. Das Ergebnis ist eine gesteigerte Wettbewerbsfähigkeit für HEIDELBERG und seine Kunden, ein klarer Beweis dafür, dass additive Fertigung längst nicht mehr nur eine Ergänzung, sondern ein strategischer Faktor in der industriellen Produktion ist.
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Häufige Fragen zum 3D-Druck in der Robotik und der Produktentwicklung
SLS-3D-Druck ermöglicht komplexe Geometrien ohne Mehrkosten, senkt das Bauteilgewicht für geringere mechanische Belastung und verkürzt die Produktionszeit von mehreren Wochen auf ein bis zwei Tage. Gleichzeitig können individuelle Anpassungen ohne aufwendige Werkzeuginvestitionen umgesetzt werden, ideal für kundenspezifische Teile und Kleinserien.
PA12 Powder ist ein robustes, chemikalienbeständiges Material, das sich ideal für präzise, langlebige und belastbare Bauteile eignet. Bei HEIDELBERG wird es unter anderem für starre Verbindungselemente und strukturelle Komponenten im P-Stacker eingesetzt, um hohe Belastungen im Dauereinsatz zu bewältigen.
TPU 90A ist ein flexibles, gummiähnliches Material, das bei HEIDELBERG für Bauteile genutzt wird, die Elastizität und Schlagzähigkeit erfordern. Dazu zählen Kabelführungen, Schutzabdeckungen für Sensoren und Schnappverbindungen, die Bedienpersonal und Bauteile gleichermaßen vor Beschädigungen schützen.
Additiv gefertigte Ersatzteile können vor Ort oder zentral im SLS-Verfahren produziert werden, was Lieferzeiten minimiert und Lagerkosten reduziert. Bei HEIDELBERG haben 3D-gedruckte Verbindungselemente für Falzmaschinen bereits über zweieinhalb Jahre Dauerbetrieb ohne Austausch überstanden.
Leichtere Bauteile verringern die mechanische Belastung, erhöhen die Energieeffizienz und verbessern die Dauerfestigkeit von Robotern. Im P-Stacker ermöglicht der 3D-Druck kompakte, funktionsintegrierte Strukturen, die das Gewicht reduzieren, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen.
HEIDELBERG nutzt den industriellen SLS-3D-Druck (Selektives Lasersintern), um Prototypen schneller zu entwickeln, Bauteile in Kleinserien zu fertigen und bestehende Maschinen durch optimierte Komponenten aufzurüsten. Die Technologie kommt sowohl in der Robotik als auch bei Ersatzteilen für Falzmaschinen zum Einsatz und reduziert Entwicklungs- und Lieferzeiten erheblich.
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