Steckverbinder für Messtechnik in Kleinserie, 3D-Druck im Maschinenbau
- Sascha Surbanoski
- 6. Mai
- 4 Min. Lesezeit
Der Maschinenbau und die Automobilzulieferbranche stehen bei Kleinserien-Steckverbindern regelmäßig vor demselben Problem: Standardteile passen nicht, Sonderanfertigungen aus dem Spritzguss sind zu teuer, und die Lieferzeiten für Werkzeuge sind zu lang. Genau in dieser Lücke setzt ein aktueller Anwendungsfall an, den das Unternehmen Bright gemeinsam mit dem Technologieanbieter Boston Micro Fabrication (BMF) realisiert hat. Für einen Automobilhersteller wurden 18 Varianten eines Messtechnik-Steckverbinders additiv gefertigt, reparierbar, präzise und ohne Spritzgusswerkzeug.
Inhaltsverzeichnis
Das Bauteil und der Anwendungsfall
Im Mittelpunkt steht ein Steckverbinder für Messtechnik-Testsysteme, der bei konfektionierten Kabeln eines Automobilherstellers eingesetzt wird. Solche Stecker müssen mechanisch präzise sein, weil sie in Prüfaufbauten zuverlässig kontaktieren müssen, Toleranzabweichungen führen direkt zu Messfehlern. Besonders anspruchsvoll: Der Kunde benötigte nicht eine, sondern 18 unterschiedliche Varianten desselben Grundsteckers, um verschiedene Kabelkonfigurationen abzudecken.
Die Stückzahlen pro Variante lagen im Kleinserie-Bereich, also weit unterhalb der Schwelle, ab der sich ein Spritzgusswerkzeug wirtschaftlich amortisiert. Zusätzlich sollte das Bauteil so konstruiert sein, dass es sich im Schadensfall reparieren lässt, ein Aspekt, der bei konventionell gespritzten Steckern kaum umsetzbar ist, weil die Geometrie auf den Fertigungsprozess optimiert ist, nicht auf Reparierbarkeit. Ähnliche Anforderungen an Präzision und Variantenvielfalt kennt man auch aus dem Bereich der Prototypenfertigung, wo individuelle Geometrien in kleinen Stückzahlen gefragt sind.
Warum hat das Unternehmen auf 3D-Druck gesetzt?
Der entscheidende Auslöser war die Kombination aus hoher Variantenzahl und geringer Stückzahl. 18 Spritzgusswerkzeuge für einen Kleinserienstecker zu beauftragen, wäre wirtschaftlich nicht darstellbar gewesen, allein die Werkzeugkosten hätten die Gesamtkosten des Projekts gesprengt. Zukauf von Standardsteckern schied aus, weil keine Marktlösung die spezifischen Anforderungen des Testsystems erfüllte.
Fräsen aus dem Vollen wäre für die filigranen Innengeometrien eines Steckverbinders technisch kaum realisierbar und ebenfalls kostspielig. Die additive Fertigung bot hier den einzigen Weg, alle 18 Varianten ohne Werkzeugkosten und mit kurzen Durchlaufzeiten herzustellen. Dass das Bauteil gleichzeitig für Reparierbarkeit umkonstruiert wurde, zeigt, wie das Design-for-Additive-Manufacturing-Prinzip (DfAM, also die gezielte Auslegung eines Bauteils für den 3D-Druck) in diesem Fall nicht nur Kosten spart, sondern auch neue Produkteigenschaften ermöglicht. Wie konstruktionspraxis berichtet, war die Präzisions-Mikro-Stereolithografie von BMF die Technologie, die diese Anforderungen erfüllen konnte.
Verfahren und Material im Detail
Eingesetzt wurde die Präzisions-Mikro-Stereolithografie (micro-SLA) von Boston Micro Fabrication (BMF). SLA (Stereolithography) ist ein Harzbad-Verfahren, bei dem ein UV-Laser flüssiges Photopolymer Schicht für Schicht aushärtet. Die Mikro-Variante von BMF arbeitet mit deutlich feineren Auflösungen als Standard-SLA-Systeme, typisch sind Schichtdicken und Detailgenauigkeiten im Bereich weniger Mikrometer, was für Steckverbinder mit engen Toleranzen und kleinen Rastgeometrien entscheidend ist.
Für Steckverbinder ist diese Präzision nicht optional, sondern Grundvoraussetzung: Kontaktstifte, Führungsnasen und Verriegelungselemente müssen auf Zehntel-Millimeter genau sitzen, damit der Stecker im Testsystem zuverlässig funktioniert. Das verwendete Material ist ein Photopolymer-Harz, das nach der Aushärtung die mechanischen und elektrischen Isolationseigenschaften eines Steckverbinders erfüllt. Details zur genauen Materialbezeichnung nennt die Quelle nicht, was bei solchen Industrieprojekten häufig der Fall ist.
Was wurde konkret verbessert?
Der offensichtlichste Vorteil: Alle 18 Varianten konnten ohne ein einziges Spritzgusswerkzeug realisiert werden. Das eliminiert nicht nur die Werkzeugkosten, sondern auch die typischen Vorlaufzeiten von mehreren Wochen, die für Werkzeugbau und Bemusterung anfallen. In der Praxis bedeutet das, dass neue Varianten innerhalb von Tagen verfügbar sein können, sobald das CAD-Modell angepasst ist.
Ein weiterer konkreter Mehrwert ist die Reparierbarkeit: Das Bauteil wurde so umkonstruiert, dass beschädigte Teile ausgetauscht werden können, ohne den gesamten Stecker zu ersetzen. Das reduziert den Verbrauchsmaterialaufwand im laufenden Testbetrieb. Ehrlich einzuordnen ist allerdings, dass Photopolymere aus der Mikro-SLA in puncto Langzeitstabilität und UV-Beständigkeit nicht mit technischen Thermoplasten aus dem Spritzguss gleichzusetzen sind. Für Testsysteme im Innenbereich ist das in der Regel kein Problem, für Außenanwendungen oder Hochtemperaturbereiche müsste das Material sorgfältig geprüft werden.
Konkrete Kosteneinsparungen in Euro oder prozentuale Angaben nennt die Quelle nicht. Die wirtschaftliche Logik ist aber klar: Bei 18 Varianten in Kleinserie ist jede Alternative zum Werkzeugbau per Definition günstiger, solange die Stückkosten im additiven Verfahren nicht exorbitant sind.
Übertragbarkeit für den Mittelstand
Dieser Anwendungsfall ist strukturell auf viele mittelständische Unternehmen übertragbar, die Sonderstecker, Gehäuseeinsätze oder Führungselemente in kleinen Stückzahlen und mehreren Varianten benötigen. Die Kernfrage ist immer dieselbe: Ab welcher Variantenzahl und welcher Stückzahl rechnet sich ein Spritzgusswerkzeug nicht mehr? Als Faustregel gilt: Unter 500 bis 1.000 Stück pro Variante ist additiv häufig günstiger, wenn die Bauteilgröße klein und die Geometrie komplex ist.
Für die Mikro-SLA-Technologie von BMF gilt zusätzlich, dass die Einstiegsinvestition in eigene Anlagen erheblich ist. Für die meisten Mittelständler ist der Weg über einen spezialisierten Dienstleister sinnvoller. Wichtig ist dabei, dass der Dienstleister Erfahrung mit engen Toleranzen und funktionalen Bauteilen mitbringt, nicht jeder SLA-Anbieter arbeitet in der Präzisionsklasse, die für Steckverbinder nötig ist. Wer prüfen möchte, ob ein konkretes Bauteil für die additive Fertigung geeignet ist und was es kosten würde, kann das mit einem Preisrechner schnell einschätzen.
Ein weiterer Aspekt, den Mittelständler beachten sollten: DfAM (Design for Additive Manufacturing) ist kein optionaler Schritt. Wie der Bright-Fall zeigt, wurde der Stecker aktiv umkonstruiert, um die Vorteile des Verfahrens zu nutzen. Wer ein bestehendes Spritzguss-Design 1:1 drucken lässt, verschenkt Potenzial und zahlt oft mehr als nötig. Ähnliche Überlegungen zur Neuauslegung von Bauteilen für additive Prozesse zeigt auch der Artikel über DMG Mori Customer Stories: Wie Industriekunden Fertigung neu denken.
Persönliches Fazit
Dieser Fall ist ein gutes Beispiel dafür, warum additive Fertigung im Maschinenbau nicht pauschal bewertet werden sollte. Es geht nicht darum, ob 3D-Druck grundsätzlich besser ist als Spritzguss, sondern darum, in welchem Fenster aus Stückzahl, Variantenzahl und Geometriekomplexität welches Verfahren die Nase vorn hat. Bei 18 Varianten eines Kleinseriensteckers ist die Antwort eindeutig.
Was mich an diesem Projekt besonders interessiert, ist die Reparierbarkeit als explizites Konstruktionsziel. Das ist ein Aspekt, der in der additiven Fertigung noch zu selten mitgedacht wird, obwohl er gerade bei Testsystemen und Betriebsmitteln echten wirtschaftlichen Wert hat. Weniger Wegwerfteile, weniger Lagerhaltung, schnellere Instandsetzung, das sind Argumente, die auch Einkäufer und Geschäftsführer verstehen.
Die Mikro-SLA von BMF ist technisch beeindruckend, aber kein Allzweckwerkzeug. Wer Steckverbinder in dieser Präzisionsklasse additiv fertigen will, braucht entweder den richtigen Dienstleister oder eine klare Strategie für die Eigeninvestition. Für die meisten Mittelständler ist der Dienstleisterweg der schnellere und risikoärmere Einstieg. Und der erste Schritt ist immer derselbe: das Bauteil konsequent für den 3D-Druck neu denken, nicht einfach das alte Design übernehmen.
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