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Aus dem Stoff für Millionen

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Kleine Vorserien aus dem endgültigen Material bieten oft die einzige verläßliche Grundlage für die Überprüfung einer Konstruktion. Mit herkömmlichen Verfahren sind solche Vorserien teuer und vor allem zeitaufwendig – und Geschwindigkeit ist nun einmal oft der wichtigste Faktor in der modernen Produktion. Die Stereolithographie bietet die entscheidende Alternative.

Rapid Tooling, lange Zeit nur ein Schlagwort, hat sich zu einem neuen Standard entwickelt. Im Vergleich mit den bisherigen Verfahren ist es in puncto Geschwindigkeit und Preis nahezu unschlagbar Während CNC-gefräste Werkzeuge selten weniger und oft wesentlich länger als zwölf Wochen Zeit für die Anfertigung benötigen, können die Ergebnisse beim Rapid Tooling schon nach wenigen Tagen begutachtet werden. QuickCast™ und das 3D Keltool-Verfahren sind im Augenblick die Technologien, die am meisten nachgefragt werden.

Brücke zwischen Konstruktion und Fertigung
Daneben behauptet sich jedoch nach wie vor das Bridge Tooling mit Direct AIM™ (ACES™ Injection Molding), Nickel-Galvanoformung und dem Shaw-Verfahren, wenn es darum geht, kleine Serien von Kunststoffteilen im Spritzgußverfahren herzustellen. Hier wird im wahrsten Sinne des Wortes eine Brücke von der Konstruktion zur endgültigen Fertigung geschlagen: die Vorserie entsteht aus dem gleichen Material und mit der gleichen Qualität wie das Großserienprodukt. Die Kombination von Stereolithographie und den verschiedenen Rapid Tooling-Technologien garantiert so Teile mit einer erstaunlichen Fertigungsgenauigkeit und einer makellosen Oberfläche, die wirklich kaum von denen aus einer Stahlkokille zu unterscheiden sind.
Auf den folgenden Seiten möchten wir einige dieser Verfahren in der praktischen Anwendung vorstellen.
Direct AIM
Rapid Tooling notfalls bis an die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit auszureizen, ist das Geschäft des Abteilungsleiters im Rapid Prototyping Shop des Xerox Plastics Business Center in den USA. Die „Document Company“ Xerox Corporation profitiert täglich von der Geschwindigkeit, mit der Direct AIM maßgenaue und belastbare Prototypen herstellt. Ein typischer Fall war ein Lagerelement für eine neue Büromaschine. Ein funktionales Modell der Maschine war schon fast vollständig aus SL-Prototypen der einzelnen Elemente zusammengebaut worden; nur die Lagerwelle für den Papiereinzug mußte für die abschließenden Tests aus genau den Materialien hergestellt werden, die für die tatsächliche Serienproduktion in Frage kamen.
Der Weg: Herstellung einer Direct AIM Spritzgußform auf einer SLA-500 im ACES-Verfahren. Als Harz wurde CIBATOOL® SL 5180 verwendet. Die Form mußte noch ein wenig nachbearbeitet werden und wurde dann einfach in eine Spritzgußmaschine eingesetzt. Zunächst wurden 30 Teile aus Polypropylen hergestellt. Dann wurde Acetal getestet, das häufig für Lagerungen verwendet wird. Die Form überstand die Prozedur vollkommen problemlos. Obschon diese beiden Materialien eigentlich für die Tests völlig ausgereicht hätten, wurden weitere 14 Teile aus ABS/Polycarbonat hergestellt, dann folgte ein Versuch mit 10% glasverstärktem Polycarbonat mit Teflon. Statt der üblichen Einspritztemperatur von 288-316 °C für das glasverstärkte Polycarbonat arbeitete man mit nur 240 °C; die Epoxydharzform wirkte dabei, anders als konventionelle Stahlkokillen, als guter Hitzeisolator, so daß die niedrige Temperatur ausreichte. Xerox: „Die Vorteile von Direct AIM sind ganz klar. Es läßt einem die Wahl, welches Material man benutzen möchte. Außerdem ist es ein Hitzeisolator, so daß der Einspritzdruck und die Temperatur problemlos reduziert werden. Bei Kunststoff hängt die Lebensdauer entscheidend von der Geometrie des Teiles ab. Einfacher Aufbau ist hier Trumpf.
Die ökonomische Bilanz von Direct AIM kann sich sehen lassen. Die 90% Kostenersparnis gegenüber konventionellem Hard Tooling für die Lagerwelle ist trotzdem erst das zweite Argument für das neue Verfahren. Viel wichtiger ist der Zeitgewinn. Statt vier bis sechs Wochen auf die Form zu warten, konnte Xerox nach gerade 24 Stunden die erste Serie der Teile spritzen. Und so kommt die neue Xerox-Maschine vielleicht um das entscheidende bißchen schneller auf den Markt.
Nickel-Galvanoformung
Auch eine Adressiermaschine kann eine echte Herausforderung sein. Die Aufgabe: eine Spritzgußform für bis zu 20 000 Teile anzufertigen.
Das Teil aus dem Inneren einer Adressiermaschine existierte erst auf dem Reißbrett, und die Form sollte nicht wie gewöhnlich in 16 bis 20 Wochen entstehen, sondern in weniger als sechs Wochen. Man entschied sich für eine ACES-Form mit Nickel-Galvanobeschichtung. Das Teil war sehr groß – 387 mm x 152 mm x 101 mm – und dazu noch recht kompliziert aufgebaut. Die Wandstärken reichten von 1,5 mm bis zu 6,4 mm. Zunächst einmal mußten die CAD-Dateien vervollständigt und überarbeitet werden. Den zweiten Teil des Auftrages übernahm die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von 3D Systems. Die Geometrie des Teiles mit seinen Hohlräumen und Hinterschneidungen war komplex, aber auf einer SLA-500 mit dem neuen Zephir™ -Beschichter und CIBATOOLS® SL 5180 Epoxidharz beherrschbar. Nach einigen Iterationen war die Form perfekt.
Das ACES-Master aus der Stereolithographie konnte danach an ein Spezialunternehmen übergeben werden. Hier wurde es mit einer 0,254 mm starken Nickel-Schicht überzogen und zusätzlich keramisch verstärkt, um die Druckfestigkeit noch zu verbessern. Danach konnte die Produktion der Prototypen beginnen. Als Material für den Spritzguß kam 30% glasverstärktes PPO (Polyphenylenoxid) zum Einsatz. Nach 50 Teilen, die für die Funktionstests benötigt wurden, zeigt die Form bisher keinerlei Gebrauchsspuren. Die Zeitersparnis von 50-60% gegenüber konventionellem Hard Tooling und eine Kostenreduktion um etwa die Hälfte können sich sehen lassen
Shaw-Verfahren
Die Firma Bose ist weltbekannt für ihre hochwertigen Audio-Systeme. Selbstverständlich werden alle Komponenten ausgiebig getestet, bevor die Serienproduktion beginnt. In diesem Fall handelte es sich um zwei Lautsprechergrills für ein Auto-Lautsprechersystem, die ihre Alltagstauglichkeit und ihr gutes Design unter Realbedingungen beweisen sollten. SL-Prototypen kamen für diese Aufgabe nicht in Frage. Bose beauftragte einen Rapid Prototype-Dienstleister damit, eine Kleinserie der Lautsprechergrills in dem endgültigen Material der Großserie aufzulegen – natürlich in verschiedenen Farben, die mit der Innenausstattung der Autos harmonierten. Der Haken dabei: der Terminplan erlaubte nicht mehr als vier Wochen Zeit zur Herstellung der Prototypen.
Hard Tooling zu langsam
Es war sofort klar, daß konventionelles Hard Tooling bei den geschwungenen Linien, den feinen Strukturen und der komplexen Geometrie der Teile an dem engen Zeitplan scheitern mußte. Mindestens neun Wochen hätte die Anfertigung der Formen dauern müssen. Man entschied sich schnell für eine bestimmte Rapid Prototyping-Technologie: das Shaw-Verfahren schien ideal für diese Aufgabe. Schließlich konnte das Shaw-Verfahren nicht nur die verlangten texturierten Oberflächenstrukturen reproduzieren, sondern es erlaubte auch eine bessere Temperaturregulierung und eine Auflagenhöhe von mindestens 500 Teilen für die Testserie. Mit Hilfe der Konstruktionsdateien von Bose wurden zunächst auf einer SLA-250 die Master aus CIBATOOLS® 5170 hergestellt. Danach wurden Silikonabdrücke von den Mastern genommen und anschließend mit Keramikmaterial ausgegossen, das nach dem Aushärten als Basis für den Guß von Aluminiumformen dienen konnte. Mit ein wenig Nachbearbeitung entstanden so fertig montierte Spritzgußformen aus Aluminium, und innerhalb weniger Tage waren über 500 Lautsprechergrills fertig. Natürlich mit dem für die Großserie vorgesehenen Material ABS und in einer ganzen Palette unterschiedlicher Farben.
Doch einen Monat nach Erteilung des Auftrages wurden die Lautsprechergrills bei Bose abgeliefert, und die Tests im rauhen Autoalltag konnten beginnen. „Ohne die Stereolithographie hätten wir den Termin niemals halten können“, räumt Bose ein. „Selbst wenn wir alle Kräfte darauf konzentriert hätten – mit Hard Tooling auf die gewohnte Art hätten wir nicht die geringste Chance gehabt.“
Die Entwicklung hat gerade erst begonnen…
Bei allen Fortschritten, die das Rapid Tooling in der letzten Zeit gemacht hat, stehen realistisch gesehen die Anwender von Stereolithographie erst am Anfang einer vielversprechenden Entwicklung. Höhere Standzeiten der Formen, höhere Einspritzdrücke und -temperaturen sind die Ziele für die nächste Zeit. Charles W. Hull, Mitbegründer und Präsident von 3D Systems, hat die Ziele für das kommende Jahr schon gesteckt: „Wir arbeiten an einer ganzen Reihe von Verbesserungen unseres Direct AIM-Verfahrens. Das vergangene Jahr hat enorme Fortschritte im Rapid Tooling gebracht. Und auf diesem Weg wollen wir weitergehen.“
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