Präzisionsguss auf Basis von RP-Matritzen

Einige mit geringen Schichtstärken arbeitende Concept Modellierer und Rapid Prototyping Anlagen können Modelle für das Feingießverfahren mit verlorenem Modell erzeugen. Verkörpern die verlorenen Modelle die Geometrie von Formeinsätzen für Spritzgießwerkzeuge, können über den Feinguss Formeinsätze aus Aluminium hergestellt werden. Untersuchungen zielten dabei auf die detailgetreue Umsetzung filigraner Teile mit Freiformgeometrien. Kleine Abmessungen im Grenzbereich zwischen klassischem Formenbau und Mikrofertigung wurden dabei realisiert. Das Fräsen dieser Formeinsätze oder Elektroden ist zum Teil nicht möglich oder führt zu erhöhtem Aufwand. Gleichzeitig konnten sehr kurze Durchlaufzeiten erreicht werden. Auf demselben Weg konnten auch Senkerodierelektroden gegossen werden, die beim Aufbau von Werkzeugen höherer Lebensdauer genutzt wurden. Werden unterschiedliche Varianten oder mehrere identische Einsätze oder Elektroden zum Beispiel für Mehrfachwerkzeuge benötigt, werden die Zeitvorteile noch deutlicher. Die Funktion beider dargestellter Wege konnte durch den Spritzguss von Versuchsserien erfolgreich demonstriert werden.

Laser-Sintern. Die Schluesseltechnologie des e-Manufacturing TM

e-Manufacturing™, das ist die schnelle, flexible und kostengünstige Fertigung von Produkten, Formen/Werkzeugen oder Modellen direkt aus elektronischen Daten. e-Manufacturing™ schließt Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Rapid Manufacturing ein, geht aber zugleich weit über den Gedanken der schnellen Verfügbarkeit hinaus. Zwar wird auch in Zukunft die schnelle Produktentwicklung eine immer wichtigere Rolle spielen, bei der e-Manufacturing™ für ein verkürztes Time to Market sorgt, Entwicklungskosten verringert und zur Risikominimierung beiträgt. Darüber hinaus entstehen aber auch neue Geschäftsmodelle, da Kleinserienproduktion, steigende Variantenvielfalt und eine individualisierte Produktion (Mass Customization) plötzlich möglich und wirtschaftlich sind und sich neue Logistikkonzepte wie (Spare) parts on demand entwickeln. Die neue Konstruktionsfreiheit des Laser-Sinterns ermöglicht neue Produktkonzepte. Minimale Einschränkungen durch das Fertigungsverfahren erlauben funktionelle Integration und die Fertigung des „Unmöglichen“, da kreisförmige und lineare Werkzeugbewegungen das Produktdesign nicht mehr beeinflussen bzw. limitieren. Auch die Fertigungskonzepte unterliegen einem Wandel und werden deutlich flexibler. Werkzeuglose Produktion, losgrößenangepasste Fertigung und dezentrale Fertigung on demand sind die Schlagworte der Zukunft. Der vorliegende Beitrag zeigt Beispiele für den erfolgreichen kommerziellen Einsatz von Laser-Sintern in allen Phasen des Produktlebenszyklus. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der direkten Herstellung von Funktionsteilen in der Serienfertigung. Die entscheidenden Faktoren für eine erfolgreiche Einführung und Anwendung von e-Manufacturing™ werden diskutiert. Der Beitrag zeigt auf, wie die neuesten technologischen Innovationen im Laser-Sintern, speziell zur Produktivitätssteigerung, das Spektrum der Anwendungsfelder erweitern, in denen dieses Fertigungsverfahren kostengünstige Lösungen bietet.

Grundlagen des Rapid Prototyping

Generative Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland in Form von Rapid Prototyping Verfahren bekannt und haben sich in dieser Zeit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung gewandelt. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und insbesondere der Materialien wird mehr und mehr das Feld der direkten Anwendung der Rapid Technologie zur Fertigung erschlossen. Rapid Technologien werden daher zum Schlüssel für neue Konstruktionssystematiken und Fertigungsstrategien. Die Anwendertagung Rapid.Tech befasst sich mit den neuen Verfahren zur direkten Produktion und den daraus erwachsenden Chancen für Entwickler und Produzenten. Die Kenntnis der Rapid Prototyping Verfahren wird bei den meisten Fachvorträgen auf der Rapid.Tech vorausgesetzt. Für diejenigen, die sich bisher mit generativen Verfahren noch nicht beschäftigt haben, oder die ihre Grundkenntnisse schnell auffrischen wollen, haben wir die folgenden Zusammenfassung der Grundlagen der generativen Fertigungstechnik, der heutigen Rapid Prototyping Verfahren, zusammengestellt.

Formen aus Stahl, Bauteile aus Titan und Stahl

Die Arcam Technologie setzt erstmals weltweit mit der ‚CAD to Metal®’ Methode einen Elektronenstrahl ein. Mit dieser Methode können homogene Stahlkomponenten und Formen in kürzester Zeit aus einem Metallpulver geschmolzen werden. Die in zunehmendem Maße geforderte Herstellung von Prototypen im Zielwerkstoff, wird mit dem EBM Verfahren erstmals für Stahl- und Titanwerkstoffe ermöglicht. Die Arcam-Methode setzt CAD-Datenmodelle direkt in homogene Metallmodelle um. Mit der Einbringung von konturnahen Kühlkanälen ist es nun auch machbar, Werkzeuge in hochlegierten Stählen im Rapid Prototyping Verfahren herzustellen. So erstellte Werkzeuge können die Zykluszeiten im Spritzguss- und Druckgussprozess um 30% verringern. Die Festigkeiten liegen ohne jegliche Nachbehandlung bei ca. 50 Rockwell. Jede beliebige Formgebung ist sofort in Stahl und neuerdings auch in Titan zu erstellen. Von besonderer Bedeutung ist, dass konturnahe Kühlungen in beliebiger Komplexität integriert werden. Die Arcam Technologie stellt die schnellste Produktionsmöglichkeit von Funktionsprototypen dar, welche in Festigkeit und Temperaturstabilität die gleichen Parameter wie herkömmliche gefertigte Bauteile aufweist. Es stehen Werkzeugstahl (DIN 1.2344), legierte Stähle und Titan (Ti6A14V) zur Verfügung. Die EBM Technologie setzt einen Elektronenstrahl zum Aufschmelzen der Metallpulver ein. Stahl wird z.B. mit einer Temperatur von 1700 °C schichtweise aufgetragen. Ein Verschleiß, wie man ihn von Anlagen mit Lasertechnologie kennt, tritt nicht auf. Neuinvestition in Abständen von 3000 – 4000 Betriebsstunden sind bei dieser Technologie für neue Laser nicht notwendig. Die Arcam-Technologie ist in 24 Ländern patentrechtlich geschützt. Arcam ist ein schwedisches Unternehmen, mit Sitz in Mölndal in der Nähe von Göteborg.

Lamellenwerkzeuge mit konturfolgender Kuehlung für Spritzguss- und Schaeumwerkzeuge

Die Verkürzung der Zeit von der Produktidee bis zur Markteinführung wird für Unternehmen in nahezu allen Branchen zunehmend zum Wettbewerbsfaktor. Fertigungsverfahren, bei denen kein Material abgetragen sondern aufgebaut wird, können in diesem Zusammenhang ein Alternative zur konventionellen Fertigung darstellen. Ein generatives Verfahren, welches besonders zur schnellen Fertigung von Prototypwerkzeugen mit Kantenlängen größer 300 mm geeignet ist, ist das Metal Laminated Tooling (MELATO®). Bei diesem Verfahren werden komplex geformte Werkzeuge aus Stahlblechzuschnitten zusammengesetzt und in Abhängigkeit vom Anwendungsgebiet kraft- oder stoffschlüssig verbunden. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden arbeitet gemeinsam mit industriellen Partnern aus den Gebieten Werkzeug- und Anlagenbau sowie Softwareentwicklung und Sensorik an einer Automatisierungslösung für das Schneiden, Paketieren und Fügen von Blechzuschnitten. Damit soll die Fertigungszeit großer Werkzeuge von derzeit etwa 12 Wochen auf eine Woche verkürzt werden. Neben der Anwendung im Bereich der Präge- oder Tiefziehwerkzeuge ist das Verfahren prädestiniert für die Herstellung von Spritzgusswerkzeugen mit konturfolgenden Kühlkanälen. Die Darstellung der Prozesskette, möglicher Verbindungstechnologien und realisierte Anwendungen sind Gegenstand des vorliegenden Beitrages.

Vom Metallpulver zum Gesenk Bauteil

Zur schnellen Herstellung von Metallteilen eignen sich die schichtweise Rapid Prototyping Verfahren. Zum einen ist die direkte Herstellung aus Zweikomponenten-Metallpulver möglich, zum anderen lassen sich aus Kunststoffüberzogenen Metallpulvern durch Infiltration komplexe Metallteile fertigen. Der Vortrag beschreibt die Prozessketten der beiden Verfahren und stellt ihre besonderen Eigenschaften gegenüber. Anhand von Praxisbeispielen wird die tatsächliche Leistungsfähigkeit beider Verfahren aufgeführt. Es werden die beiden Verfahren “Direct Metal Laser Sintering“ (DMLS) und “Indirect Metal Laser Sintering“ (IMLS) zur Herstellung von Gesenken und Bauteilen vorgestellt. Das “Direct Metal Laser Sintering“ wird in Zusammenarbeit mit der Fa. Daimler-Chrysler vorgestellt, die mit ihrer EOS Sinteranlage ein Benchmarkwerkzeug mit konturnaher Kühlung gefertigt haben. Das “Indirect Metal Laser Sintering“ wird an der Universität Duisburg-Essen angewandt. Hier wurden diverse Bauteile bzw. Gesenke in Zusammenarbeit mit der Fa. Powercut oder dem ZBT hergestellt.

Umformen mit lasergeschnittenen Lamellenwerkzeugen

Die Tendenz zu immer kürzeren Produktentwicklungszeiten ist in der Industrie ungebrochen. Immer neue Nischenmodelle werden für den Markt entwickelt. Zusätzlich werden die Modellwechselzeiten stetig verkürzt. Die Erstellung von Prototypen und Vorserienteilen sind grundlegende Voraussetzungen für eine erfolgreiche Produktentwicklung. Um das Ziel einer Verringerung der Produktentwicklungszeiten umzusetzen müssen die Zeiten zur Prototyperstellung stark reduziert werden. Die "Lamellenwerkzeugtechnik" liefert hier einen entscheidenden Beitrag.

3D-Printing mit der PolyJet-Technologie von Objet

Objet Geometries Ltd entwickelt und produziert Rapid Prototyping Systeme und Materialien auf Basis der Polyjet-Technologie und bietet diese im internationalen Markt an. Objet ist der „Pionier“ in der Entwicklung der Polyjet-Technologie zur schnellen Erstellung von hochwertigen Modellen aus den 3D-Daten der Design- und CAx-Systeme. Die Oberflächenqualität, die schnelle Reinigung des Supportmaterials mit Hilfe eines Wasserstrahls, die Bauteilqualität hinsichtlich der Genauigkeit sowie die einfache Bedienung der Systeme zu einem hervorragenden Preis/Leistungsverhältnis zeichnen Objet als Marktführer dieser Technologie aus. Die Systeme von Objet sind insbesondere für den Anwender in Design und Engineering konzipiert und können in einer Büroumgebung betrieben werden. Die verwendeten Materialien sind für den Anwender ohne jegliche Gefahr einsetzbar und sind von einem deutschen Institut mit entsprechenden Zertifikaten dokumentiert. Die Produktlinie von Objet ermöglicht im Design und Engineering die Zeiten in der Produktentwicklung erheblich zu reduzieren. Kunden von Objet sind in Nordamerika, Europa, Asien und Australien zu finden, viele von ihnen sind bedeutende Unternehmen aus den Märkten Automobilindustrie, Elektronik/Elektrotechnik, Spielwaren, Medizin, Konsumerprodukte, Schuhindustrie, Schmuckindustrie und vielen anderen Branchen. Objet wurde 1998 gegründet und befindet sich im privaten Besitz. Das Unternehmen wird von Investoren wie der Scitex Corporation sowie von weiteren privaten Investoren, Unternehmer-Kapitalfonden and Kooperationen in USA, Japan, Europa und Israel unterstützt. Aus Wettbewerbsgründen werden Unternehmenszahlen derzeit nicht öffentlich zur Verfügung gestellt. Das Unternehmen beschäftigt zur Zeit weltweit ca. 75 Mitarbeiter und verfügt über eigene Vertriebs- und Servicecenter in den USA und Europa, sowie Vertriebspartnern in der ganzen Welt. Seit Mitte 2001 wurden über 170 Systeme weltweit vermarktet und installiert. Der Vortrag anlässlich der RapidTech wird diese noch recht „junge“ Technologie, deren Vorteile für den Anwender sowie die möglichen Applikationen an Hand von konkreten Beispielen im Detail erläutern.

Präzisionsfeinguss

Oftmals werden Prototypen und Kleinserien in einem Produktentwicklungsprozess benötigt. Während bei Teilen aus Kunststoff auf dem Markt eine Vielzahl von direkten und indirekten Verfahren mit einer großen Materialauswahl existieren, gibt es bei metallischen Teilen bedeutend weniger Möglichkeiten, diese schnell zu erzeugen. Bei komplexen Geometrien scheiden konventionelle Technologien aus. Oftmals wegen der Machbarkeit bzw. hoher Kosten und langer Fertigungszeiten. Beim Metallsintern bzw. analogen Verfahren (Melting, Cusing, …) ist die gegenwärtig noch stark eingeschränkte Anzahl der zur Verfügung stehenden Materialien vielfach Ausschlusskriterium. Als alternative Technologie wird deshalb vielfach das Feingießen nach dem Wachsausschmelzverfahren eingesetzt. Damit können präzise Prototypen und Kleinserien in allen gießbaren Materialien sowie einer hohen Oberflächenqualität und Detailtreue erzeugt werden. Setzt man dabei das Vakuum-Differenzdruckverfahren ein, bei dem die Wachstrauben in Küvetten eingebettet werden, stehen innerhalb weniger Tage Feingussteile zur Verfügung. Im Vortrag wird am Beispiel von zwei Projekten gezeigt, wie sowohl für Kleinserien als auch für die Losgröße 1 mit Hilfe moderner Feingussverfahren äußerst schnell und kostengünstig Teile aus Aluminium- oder Zinklegierungen mit komplexen Geometrien hergestellt werden können. Im ersten Projekt wird das Herstellen einer Kleinserie von Schaufelrädern mit räumlich gekrümmten Schaufeln für Kühlmittelpumpen des Automobilrennsports dargestellt. Die Geometrie lässt in diesem Fall kein konventionelles Fertigungsverfahren zu. Über Stereolithographiemodell und Silikonform werden Wachsmodelle erzeugt, die mittels Aluminiumfeinguss in das entsprechende metallische Teil überführt werden. Im zweiten Beispiel wird gezeigt, wie ausschmelz- bzw. ausbrennbare Rapid Prototyping Modelle direkt im Feingussprozess eingesetzt werden, um schnell und kostengünstig auch die Losgröße 1 zu realisieren. Dabei werden auch die Vor- und Nachteile gegenüber dem klassischen Feinguss aufgezeigt.

Neue Dimensionen in der 3D-Drucktechnologie

Die heute kommerziell verfügbaren generativen Fertigungsverfahren und deren Folgeprozesse ermöglichen die Verarbeitung einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe. Bei der Herstellung von funktionalen Prototypen werden die Leistungsgrenzen dieser Technologien jedoch schnell erreicht, sodass Kompromisse und Einschränkungen beim Einsatz der Prototypen in Kauf genommen werden müssen. Die Gründe hierfür liegen bei den sehr hohen Anforderungen, die sowohl an das Serienteil als auch an die Prototypen gestellt werden. Alle Forderungen bezüglich der mechanischen, topographischen und physikalischen Eigenschaften zu erfüllen, ist aus technologischer Sicht nicht möglich, da die RP-Verfahren nicht die Fertigungsbedingungen in der Serienproduktion abbilden können. Um dennoch der steigenden Nachfrage speziell der kunststoffverarbeitenden Industrie nach serienidentischen Prototypen und funktionalen Kleinserien nach zu kommen, wurde ein neues Werkstoff-, Technologie- und Maschinenkonzept basierend auf der 3D-Drucktechnologie entwickelt.

Das Foam Reaction Prototyping (FRP)

Das FRP-Verfahren ist eine neuentwickelte Technologie, die andere Verfahren des Prototypenbaus bzw. der Prototypenerzeugung an Präzision, Schnelligkeit und Rentabilität um ein Vielfaches übertrifft. Generell verringert sich damit der Zeitrahmen von der Idee bis zum fertigen Modell (time-to-market) dramatisch.

Generative Serienproduktion von Mikrokomponenten

Stetig steigende Funktionalitäten, intelligente Materialien, eine möglichst geringe Leistungsaufnahme verbunden mit kleinem Volumen und geringem Gewicht sind die zentralen Anforderungen u.a. der Medizintechnik und der Telekommunikation. Um diesen Bedarf mit industriellen Fertigungsverfahren abzudecken, startete das Unternehmen nach seiner Gründung in Rumeln bereits 1996 mit dem Aufbau der RMPD® Technologiefamilie. Heute sichern diese Technologien, mit denen die direkte Serienproduktion auf Basis der CAD Kontruktionsdaten für Mikrosysteme und –komponenten werkzeuglos erfolgt, einem internationalen Kundenkreis Markterfolge mit dem Einsatz patentierter Fertigungssysteme. microTEC ist an zwei Standorten als Auftragsproduzent für Unternehmen u.a. aus den Bereichen Sensorik, Telekommunikation, Medizintechnik und Biotechnologie tätig. Mit den RMPD® Technologien profitieren die Kunden auch durch die schnelle Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Marktbedingungen und Verbraucherwünsche. Über 300 Kunststoffe mit den unterschiedlichsten Eigenschaften stehen für mikroelektronische Packaging-Dienstleistungen und Auftragsfertigung von Mikrosystemen zur Verfügung, zu den Produkten gehören z.B. Mikrogetriebe mit selbstschmierenden Zahnrädern und Lab-on-a-Chipsysteme, die mit dem Einsatz hydrophiler Kunststoffe die Kapillarwirkung auch in 3D nutzen. Die beiden Geschäftsführer Dipl. Ing. Reiner Götzen und Andrea Reinhardt, sowie der Prokurist Dr. Ing. Helge Bohlmann stehen für eine konzernunabhängige, kundenorientierte Strategie und verfügen über langjährige Erfahrung als mittelständische Unternehmer. Dies bildet zusammen mit der internationalen Marktorientierung, dem branchenübergreifenden Technologie Know-how und den inhouse verfügbaren Produktionsanlagen die Basis für den weiteren Standortausbau im 8. Jahr des Unternehmens.

Miniaturisierte Mechanismen

Bei der Entwicklung miniaturisierter Mechanismen müssen neue Wege beschritten werden, sei es hinsichtlich geeigneter Getriebestrukturen, der Gelenkgestaltung oder auch der Gelenkbauform. Mit Verfahren des Rapid Prototyping gelingt es, neue Bau- und Wirkprinzipien schnell und kostengünstig zu testen bzw. zu untersuchen und für Kunden gegenständlich zu machen. Der Vortrag beschreibt für Führungsmechanismen mit verschiedenen Strukturprinzipien Entwicklungsschritte der konstruktiven Gestaltung, ausgehend von konventioneller maschinenbautechnischer Gestaltung hin zu klein bauenden Mechanismen, hergestellt unter Nutzung von Rapid - Prototyping -Technologien.

Rapid Tooling fuer den Spritzguss- und Al-Druckgusswerkzeugbau

Bedingt durch die geringen Aufbauraten blieb die Anwendung des direkten Lasersinterverfahrens (DMLS) bislang auf die Herstellung kleinerer Formeinsätze für den Spritzguss- bzw. Al-Druckgusswerkzeugbau beschränkt. Um die Technologie des Rapid Tooling auf das Anwendungsfeld für größere Werkzeugeinsätze zu erweitern, ist vom IFAM zusammen mit weiteren europäischen Projektpartnern im Rahmen des Projekts ecoMold der sog. modulare Werkzeugbaukasten entwickelt worden. Das Konzept beruht darauf, dass ein Werkzeugeinsatz in Module zerteilt wird, die separat gefertigt werden. Jedes Modul setzt sich aus einer Grundgeometrie und einer Formgeometrie zusammen. Die Grundgeometrie stellt Volumenbereiche des Werkzeugeinsatzes dar, die keine formbestimmenden Geometrien beinhalten. Die Grundgeometrien werden als standardisierte Grundmodule durch Fräsen kostengünstig hergestellt. Die formbestimmenden Geometrien des Einsatzes werden durch das Lasersinterverfahren auf die Grundmodule aufgesintert. Die verschiedenen Module werden dann zum fertigen Werkzeugeinsatz montiert. Grundlage ist der vollständige STL-Datensatz der beiden Werkzeughälften. Auf der Basis einer Datenbank, die alle zur Verfügung stehenden Grundmodule in verschiedenen Abmessungsabstufungen enthält, wird die Anzahl, die Größe und die Lage der Module automatisiert von der am IFAM entwickelten Software bestimmt. Dabei wird versucht, den ursprünglichen STL-Datensatz des Werkzeugeinsatzes derart in einzelne Module zu zerlegen, dass die aufzusinternden Bereiche minimiert werden und möglichst viele Volumenbereiche des Einsatzes durch die in der Datenbank hinterlegten Grundmodule gefüllt werden. Mit dem vorgestellten System steht ein neues Fertigungskonzept zur Verfügung, das durch eine Kombination aus Lasersinter- und Fräsverfahren gestattet, das Lasersinterverfahren auch für Rapid-Tooling-Anwendungen für größere Bauteile anzuwenden. Erste Erfahrungen und Kalkulationen haben ergeben, dass im Vergleich zu konventionell hergestellten Werkzeugeinsätzen die Kosten um ca. 35% und die benötigten Bauzeiten um ca. 30% reduziert werden können.