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.

Formflexible Werkzeuge für den Spritzguss – Lösungsansatz zur wirtschaftlichen Anwendung des Spritzgießens bei kleinen Losgrößen

Die derzeitige Marktentwicklung hin zu individualisierten Produkten führt auch im Werkzeug- und Formenbau zu reduzierten Stückzahlen. Die Wirtschaftlichkeit des Spritz- oder Druckgießens ist eingeschränkt durch hohe Werkzeugkosten, die teilweise nur auf eine geringe Anzahl von Bauteilen umgelegt werden können. Lösungsmöglichkeiten durch Modularisierung bzw. Standardisierung von Werkzeugsegmenten bieten nur eine eingeschränkte Wiederverwendbarkeit der Werkzeuge. Aus dieser Situation heraus werden am iwb (Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften) Anwenderzentrum Augsburg der Technischen Universität München (TUM) formflexible Werkzeuge für den Spritzguss entwickelt, die dem Anspruch genügen, verschiedene Geometrien mit dem gleichen Werkzeug abzuformen. Bei dem im Folgenden beschriebenen Ansatz wird die Formflexibilität durch ein einstellbares Nadelpaket realisiert, das beliebig oft justiert werden kann. Die so gewonnene Wiederverwendbarkeit des Werkzeugkonzepts garantiert den wirtschaftlichen Einsatz des Spritzgießens bei kleinen Losgrößen und stellt eine neue Möglichkeit des Prototypenwerkzeugbaus im Anwendungsgebiet Spritzgießen dar.

Technologieintegration zur Herstellung von Serienwerkzeugen mittels Metallfolien- LOM

Das Metallfolien-LOM ist eines der wenigen RP- Verfahren zur schichtweisen Herstellungen von Metallbauteilen, welches nicht Pulver als Ausgangsmaterial benutzt. Vielmehr werden dünne Metallfolien gestapelt, mit einem Laserstrahl fixiert und anschließend ebenfalls in einem vollautomatisierten Prozess beschnitten. Da bei dem Punktuellen Verschweissen nur eine provisorische Fixierung erfolgt, werden die Schichten anschließend in einem Folgeprozess mittels Diffusionsschweissen stoffschlüssig verbunden. Es resultieren daraus Bauteile mit hoher mechanischer und auch thermischer Stabilität, die weder Poren noch Einschlüsse im Inneren aufweisen. Die Technologie vereint die Vorteile der Blechplatinen-LOM-Technologie, wie z.B. die hohe Festigkeit, mit den Vorteilen des vollautomatisierten Papier- LOM- Verfahrens, wie der hohen Detailtreue. Aufgrund der Verwendung eines Halbzeugs, der Metallfolie, ist der Bauprozess deutlich schneller im Vergleich zu den Verfahren, die einen Pulverwerkstoff als Ausgangsmaterial verwenden. Durch das additive Bauprinzips lassen sich auch Hohlräume, wie z.B. Kühlkanalstrukturen im Bauteil realisieren. Damit weist diese Technologie ein hohes Innovationspotential, vor allem für den Kunststoffspritzguss, auf. Hier kann mit werkzeuginternen Kühlstrukturen gezielt die Prozessführung beim erstarren der Schmelze verbessert 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.

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.

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.

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.