Rapid Tooling - Verfahren zur schnellen Herstellung von Prototypenwerkzeugen

Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Jochen Lorenzen, Dipl.-Ing. Frank Breitinger (apppex GmbH)

1. Einleitung
Zur Zeit werden sehr große Anstrengungen unternommen, um die Zeit von der Produktidee bis zur Umsetzung in fertige Produkte zu verkürzen (time to market). Da Modelle und Prototypen einen hohen zeitlichen Bedarf innerhalb der Produktentwicklung beanspruchen, besteht die Notwendigkeit, in diesem Bereich Zeiteinsparungen zu erreichen.
Die Technologie des Rapid Prototyping wurde mit der Stereolithographie 1987 weltweit erstmals vorgestellt. Grundgedanke ist die Reduzierung eines komplexen dreidimensionalen Fertigungsproblems auf eine große Anzahl einfacher zweidimensionaler Fertigungsschritte. Diese Vorgehensweise wird deshalb auch Layer Manufacturing genannt. In dieser Verfahrensgruppe, die sich nicht eindeutig in bestehende Normen für Fertigungsverfahren eingliedern läßt, sind in der Zwischenzeit zahlreiche Verfahrensvarianten entstanden und inzwischen auch kommerziell verfügbar /Naber & Geuer 1995/.
Entscheidend für die Anwendung von Rapid Prototyping-Verfahren sind die Einsatzbereiche der Modelle innerhalb des Produktentwicklungsprozesses (Abbildung 1) /Macht 1996/. Rapid Prototyping-Modelle dienen dabei als Anschauungsmodelle,
d. h. zum Überprüfen des Designs und der Proportionen oder als Kommunikationsmodelle bei internen Besprechungen, bei Kundenpräsentationen und Marktstudien. Mit Funktionsmodellen werden die Ergonomie, mechanische Festigkeit und strömungsmechanische Eigenschaften überprüft. Prozeßmodelle erschließen sich den Bereich der Montagevoruntersuchung und der Betriebsmittelvorbereitung. Weiterhin können in diesem Sektor RP-Verfahren zur Herstellung von Prototypenwerkzeugen herangezogen werden.

2. Prototypenwerkzeuge in der Produktentwicklung
Die Einsatzgebiete der unterschiedlichen Rapid Prototyping-Verfahren können den Phasen des Produktentwicklungsprozesses zugeordnet werden, wobei mit zunehmender Seriennähe eine größere Anzahl unterschiedlicher RP-Verfahren, unter Umständen in Kombination mit Abformverfahren, zur Verfügung stehen (Abbildung 2). Zur Zeit etablieren sich Systeme zur Unterstützung des Konstruktionsbereichs. Hierfür wurden zunächst die Begriffe 3D-Plotting oder Desktop Manufacturing geprägt. Hinzugekommen ist der Begriff Concept-Modeling, der eine treffendere Umschreibung darstellt. Es handelt sich um preiswerte Systeme, die körperliche Modelle liefern, die jedoch keine hohen Anforderungen an Genauigkeit und Werkstoffeigenschaften erfüllen können.
Der inzwischen schon als traditionell zu bezeichnende Einsatzbereich der Rapid Prototyping-Technologie, die schnelle Herstellung erster dreidimensionaler Modelle, verwendet die schon seit einigen Jahren etablierten RP-Verfahren Stereolithographie (SLA), Kunststoff-Lasersintern (K-LS), Laminated Object Manufacturing (LOM) oder Fused Deposition Modeling (FDM). Mit diesen Verfahren und geeigneten Folgetechnologien werden große Bereiche innerhalb des Produktentwicklungsprozesses abgedeckt /Reinhart u. a. 1994/.
Im späteren Verlauf der Produktentwicklung werden verstärkt funktionale Prototypen gefordert /Naber u. a. 1995/. Funktionale Prototypen sollten sich durch den Einsatz des Zielwerkstoffes und des Serienfertigungsverfahrens auszeichnen. Erst damit ist die Hauptanforderung, die Übertragbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Prototypen auf Serienbauteile, nahezu erreicht. Diesen Anforderungen werden die RP-Materialien zur Zeit nur eingeschränkt gerecht (Abbildung 3). Für die Herstellung von thermoplastischen Prototypen, die in der Serie über Spritzgießen gefertigt werden, kommen häufig Silikonformen zum Einsatz, die durch Abformen eines RP-Modells entstehen. In diesen Fomen können dann Zwei-Komponenten-Kunststoffe abgegossen werden, die im Werkzeug polymerisieren. Dabei kommen aber ebenfalls keine Serienmaterialien zum Einsatz. Häufig besteht deshalb die Notwendigkeit, möglichst schnell erste Prototypenwerkzeuge herzustellen, mit denen der Serienwerkstoff und das Serienverfahren eingesetzt und erprobt werden kann /Geuer & Lorenzen 1994/.
Hauptanwendungsbereich der Rapid Tooling-Verfahren sind daher Spritz- oder Druckgießwerkzeuge zur Herstellung von Prototypenserien. Typische Bauteile z.B. im Konsumgüterbereich, die im Spritz- oder Druckguß hergestellt werden, besitzen häufig eine abgerundete, glatte Außenkontur. Die Innenkontur dagegen ist durch filigrane Strukturen wie Verstärkungsrippen oder Aufnahmebohrungen gekennzeichnet.
Die Rapid Tooling-Prozeßkette beginnt im Regelfall mit der Bauteil- und Werkzeugkonstruktion auf einem 3D-CAD/CAM-System. Die 3D-CAD/CAM-Technologie ist dabei einerseits der Ausgangspunkt für CAD-NC Verfahrenskettten und die CNC-Bearbeitung. Andererseits wird die 3D-CAD Darstellung auch für den Einsatz von Rapid Prototyping Verfahren benötigt. Die Kombination aus technischer Zeichnung, 3D-CAD Darstellung und einem RP-Modell des Bauteils bildet damit den ersten Schritt für die schnelle Herstellung von Prototypenwerkzeugen (Abbildung 4). Durch die Möglichkeit, die zweidimensionalen Zeichnungsinformationen durch ein dreidimensionales, anfaßbares Bauteil zu ergänzen, kann der Werkzeugbauer wesentlich schneller Änderungsvorschläge formulieren, mit denen z.B. eine Vereinfachung des Werkzeuges erreicht werden kann. Damit besteht die Möglichkeit, frühzeitig fertigungstechnische Gesichtspunkte in der Konstruktion zu berücksichtigen.
Abbildung 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Spritzgieß-Prototypenwerkzeuges am Beispiel eines Werkzeuges für ein Bohrmaschinengetriebegehäuse. Neben der Möglichkeit, den Serienwerkstoff und das Serienfertigungsverfahren einsetzen zu können, muß die Herstellung der geforderten Stückzahl für eine Prototypenserie, eine ausreichende Genauigkeit und eine schnelle und möglichst preiswerte Verfügbarkeit der Prototypen gewährleistet sein.
Das Spritzgieß-Prototypenwerkzeug besteht aus der düsenseitigen und der auswerferseitigen Formhälfte. Als konturgebende Werkzeugkomponenten sind die beiden Formeinsätze und die drei Schieber zu nennen. Durch den Einsatz standardisierter Formrahmensysteme kann ein Beitrag zur Beschleunigung der Herstellzeiten und zur Kostenreduzierung geleistet werden.
Die formgebenden Werkzeugkomponenten müssen mit jeweils geeigneten Fertigungsverfahren hergestellt werden. Diese werden abhängig von der Geometrie der entsprechenden Werkzeugkomponente nach Kriterien wie zum Beispiel Komplexität oder Bauhöhe ausgewählt. Das bedeutet, daß die Werkzeugkomponenten zum Teil über spanende Verfahren, zum Teil über Rapid Prototyping Technologien in Verbindung mit Folgetechniken hergestellt werden. Am Beispiel des Prototypenwerkzeuges für das Bohrmaschinengetriebegehäuse läßt sich diese Vorgehensweise darstellen. Für die Formeinsätze, die die Außenkontur abbilden, und den Seitenschieber hat sich CNC-Fräsen als vorteilhaft erwiesen. Der rotationssymetrische Schieber wurde über CNC-Drehen hergestellt /Geuer & Lorenzen 1994/. Der die Innenkontur formende Kernschieber ist aufgrund der komplexen Konturen und tiefen Nuten für Rapid Prototyping-Verfahren prädestiniert (Abbildung 6).

3. Herstellung von Werkzeugkomponenten mit Rapid Prototyping Verfahren und Folgetechniken
Für die Herstellung von Werkzeugkomponenten für Spritz- und Druckgießwerkzeuge über Rapid Prototyping Technologien ergibt sich die in Abbildung 7 aufgeführte Systematik /Naber & Breitinger 1996/. Danach sind zwei Hauptwege möglich.
Beim ersten Hauptweg wird die Werkzeugkomponente als RP-Modell hergestellt. Dabei wird zwischen den Prozeßketten RP-Bauteil und Abformtechnik und dem direkten Einsatz von RP-Verfahren unterschieden. Beim Einsatz von Abformtechniken dient das RP-Modell der Werkzeugkomponente als Urmodell. Dafür sind nahezu alle gängigen RP-Verfahren einsetzbar. Für die direkte Herstellung von Werkzeugkomponenten über RP-Verfahren eignen sich die beiden Metall-Lasersinterverfahren, aber auch der Einsatz von Stereolithographie-Formeinsätzen ist denkbar.
Im zweiten Hauptweg werden die Verfahren zusammengefaßt, bei denen das Negativ einer Werkzeugkomponente über RP-Verfahren hergestellt wird. In der so hergestellten Form kann dann die eigentliche Werkzeugkomponente abgegossen werden. Für diese Prozeßkette kommt der Sand-Lasersinterprozeß (S-LS) und das Direct Shell Production Casting (DSPC) in Frage.

3.1 Herstellung der Werkzeugkomponente über Rapid Prototyping, Abformtechniken und Feinguß
Zu Beginn dieser Prozeßkette wird die Werkzeugkomponente durch ein Rapid Prototyping Verfahren, beispielsweise der Stereolithographie, hergestellt. Dieses RP-Bauteil dient in folgenden als Urmodell. Es wird zur Vermeidung von Lufteinschlüssen unter Vakuum mit Silikon umgossen. Nach dem Aushärten und Trennen des Silikonblockes wird das RP-Modell entnommen. In die so entstandene Silikonform wird im nächsten Prozeßschritt unter Vakuum Wachs eingefüllt, um Wachslinge der Werkzeugkomponente zu erzeugen. Im anschließenden Feingießverfahren werden diese Wachsbauteile je nach Einsatzgebiet für Spritz- oder Druckguß in Aluminium oder Stahl abgegossen (Abbildung 8) /Geuer 1996/.
Der ursprüngliche Einsatzbereich dieser Prozeßkette ist die Herstellung einer Kleinserie für metallische Prototypen, da in der Silikonform mehrere Wachsbauteile abgegossen werden können. Für das Rapid Tooling ist jedoch die Herstellung einer einzigen metallischen Werkzeugkomponente ausreichend, so daß die Kostendegression über die Stückzahl nicht ausgenutzt werden kann. Deshalb wurden Baustrategien und Materialien für die RP-Verfahren entwickelt, die ein direktes Ausschmelzen oder Auslaugen von RP-Bauteilen ermöglichen.
Beim direkten Ausschmelzen von Rapid Prototyping Modellen im Feingießverfahren wird mit verlorenen Modellen gearbeitet. Hierzu wird die entsprechende Werkzeugkomponente unter Berücksichtigung der Schwindung des Folgeprozesses über das Rapid Prototyping Verfahren Stereolithographie, Kunststoff-Lasersintern oder Fused Deposition Modelling hergestellt (Abbildung 9). Bei Materialien mit positivem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie den Stereolithografiekunststoffen, kommen dabei spezielle Hohlbau-Strategien zum Einsatz, um das Materialvolumen des RP-Modells zu verringern und ein Aufplatzen der Feingußschale zu verhindern /Geuer 1996/.
3.2 Direkte Herstellung der Werkzeugkomponente über RP-Verfahren
Bei der direkten Herstellung von Werkzeugkomponenten mit Hilfe von RP-Technologien stehen derzeit drei Prozeßvarianten zur Verfügung. Die ersten beiden basieren auf dem Rapid Prototyping Verfahren des Metall-Lasersinterns. Als dritte Möglichkeit kommt die Verwendung von Stereolithographie-Formeinsätzen in Frage. Bei den Metall-Lasersinterprozessen ist dies zum einen der indirekte Metall-Lasersinterprozeß, dessen Werkstoffkennwerte einen Einsatz der erzeugten Werkzeugkomponenten sowohl für Kunststoffspritzguß als auch für Leichtmetalldruckguß erlauben. Zum anderen der direkte Metall-Lasersinterprozeß, der aufgrund der Verwendung eines niedrigschmelzenden Materialsystems derzeit nur für die Herstellung von Kunststoffspritzgießformen verwendet wird.

3.2.1 Der indirekte Metall-Lasersinterprozeß
Im weiteren wird zunächst auf den indirekten Metall-Lasersinterprozeß eingegangen (Abbildung 10). Ausgangsmaterial ist eine niedrig kohlenstoffhaltige Stahllegierung in der Korngröße 50 mm, die mit einer 5 mm dicken Kunststoffschicht umhüllt ist. Dieses sogenannte polymergecoatete Metallpulver wird in der Lasersinteranlage nur im Bereich der Kunststoffschicht vom Laser angeschmolzen. Der dadurch entstehende Grünling weist nur geringe mechanische Festigkeit auf und ist sehr porös. Er wird anschließend mit einem wasserlöslichen Polymerbinder infiltriert. Zum Infiltrieren reicht es aus, die Grünlinge ca. 5 mm in das Polymerbad zu tauchen. Über die Kapillarwirkung werden in einer halben Stunde bis zu 100 mm hohe Bauteile vollständig infiltriert. Im nächsten Prozeßschritt wird der infiltrierte Grünling in einem Wärmeschrank bei 50 °C getrocknet, weil Bauteile mit zu großer Restfeuchtigkeit dazu neigen, im folgenden Ofenprozeß Blasen zu werfen /Breitinger 1996/.
Der letzte Prozeßschritt ist der Ofenprozeß. Zuerst wird der Grünling gewogen, woraus sich die erforderliche Menge Kupferlegierung zum späteren Infiltrieren des Bauteils ergibt. Mit der entsprechenden Menge an Kupferlegierung versehen, wird der Grünling in einem Graphittiegel plaziert. Der Ofenprozeß ist in mehrere Teilschritte untergliedert. Im ersten Teilschritt wird der Polymerbinder in zwei Stufen ausgetrieben. Anschließend wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Stahlpulver anschmilzt und sich Verbindungshälse zwischen den einzelnen Stahlpartikeln bilden.
Dieser Verfahrensschritt hat großen Einfluß auf die Genauigkeit des Bauteils. Zur Zeit treten Schwindungen von ca. vier Prozent auf. Da das Stahlpulver nicht vollständig miteinander verschmilzt, verbleibt eine hohe Porosität. Im nächsten Teilprozeß wird die Ofentemperatur weiter gesteigert. Dann schmilzt die im Graphittiegel beigefügte Kupferlegierung und infiltriert das Bauteil über die Kapillarwirkung. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur kann die Werkzeugkomponente dem Ofen entnommen werden. Das nun vollkommen dichte Bauteil besteht zu sechzig Prozent aus Stahl und zu vierzig Prozent aus Kupfer.
Eine Zeitangaben zur Herstellung des Grünlings ist in erster Linie von der Größe, nicht aber von der Komplexität abhängig. Bei einer Grundfläche von 180 mm x 150 mm und einer Höhe von 50 mm benötigt das Lasersintern des Grünlings ca. 24 Stunden. Die Polymerinfiltration und der anschließende Trocknungsprozeß dauern ca. 48 Stunden. Der abschließende Ofenprozeß benötigt weitere 48 Stunden. Damit ergibt sich für die gesamte Herstellung ein Zeitaufwand von fünf Tagen, relativ unabhängig von der Komplexität. Sämtliche Prozesse laufen komplett mannlos, insbesondere beim Ofenprozeß sind Funktionalitäten redundant oder entsprechende Sicherheitsprogramme vorhanden. Daher kann das Wochenende bei der Zeitplanung berücksichtigt werden. Als Gesamt-Rüstzeiten sind ca. fünf Stunden anzusetzen.
Erste Erfahrungen mit dem indirekten Metall-Lasersinterprozeß zeigen, daß eine gute Abbildung der einzelnen Geometrieelemente erreicht wird. Selbst Details im Bereich von 0,5 mm werden vollständig infiltriert. Aufgrund der den Rapid Prototyping-Technologien typischen Stufen in der Größenordnung 0,1 mm ist ein direkter Einsatz als Werkzeugkomponente nur dann möglich, wenn eine entsprechende Oberflächenrauhheit am Prototypen toleriert wird. Ansonsten müssen die Werkzeugkomponenten traditionell poliert werden, was einen großen Zeitaufwand erfordert. Deshalb sollte man sich bei Prototypenwerkzeugen auf die Bereiche beschränken, die im Hinblick auf das Entformen unbedingt nachbearbeitet werden müssen.
Die erreichbaren Genauigkeiten liegen nach unseren Erfahrungen derzeit im Bereich von ±0,25 Prozent. Sie sind insbesondere für die Herstellung von Formtrennungen nicht ausreichend. Deshalb werden Formtrennungen mit einem Aufmaß versehen und später spanend nachgearbeitet.

3.2.2 Der direkte Metall-Lasersinterprozeß
Beim direkten Metall-Lasersinterprozeß (Abbildung 11) wird als Ausgangsmaterial ein Materialsystem aus einer Bronze-Nickel-Pulvermischung mit geringen Bestandteilen von Kupfer-Phosphid und einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 50 mm verwendet. Durch Belichten der einzelnen Schichten mit einem Laserstrahl kann dieses Material zu einer Dichte von etwa 70% versintert werden, wobei durch Volumenkompensation der einzelnen Bestandteile keine nennenswerten Geometrieveränderungen stattfinden. Zusätzlich wird die unterste Schicht des Bauteils mittels einer Supportstruktur auf einer bronzebeschichteten Stahlplatte fixiert, so daß Genauigkeiten im Bereich von 0,05% des Sollmaßes erreicht werden. Der Baufortschritt läßt sich mit durchschnittlich 10-14 cm3/h angeben /Lohner 1996/.
Zur Verwendung des gesinterten Teils als Werkzeugkomponente müssen durch eine anschließende Infiltration der Porösitäten sowohl die Festigkeitseigenschaften als auch die Oberflächenbeschaffenheit verbessert werden. Dabei stehen zwei unterschiedliche Infiltrate zur Verfügung, ein Hochtemperatur Epoxidharz sowie aus früheren Entwicklungsstadien ein Weichlot, das ein korrosives Flußmittel benötigt und bei dessen Infiltration aufgrund der höheren Prozeßtemperatur unerwünschte Schwindungen auftreten.
Die Infiltration mit dem Epoxidharz verläuft in Zyklen und muß aufgrund höherer Viskosität des Harzes unter Vakuum stattfinden. Trotzdem wird das Metallsintermaterial nur in den Randbereichen vollständig infiltriert. Es verbleibt eine Restporösität von ca. 15 % im Inneren der Bauteile. Zum anschließenden Aushärten des Harzes ist lediglich eine Temperatur von 160° C notwendig, so daß keinerlei Veränderung der Geometrie stattfindet und die hohe Genaugkeit des Bauprozesses bestehen bleibt. Gleichzeitig verbessern sich Festigkeit und Oberflächenqualität der Werkzeugkomponente.
Auch bei diesem Verfahren ist der Zeitaufwand nicht von der geometrischen Komplexität sondern im wesentlichen vom Volumen der zu erstellenden Werkzeugkomponente abhängig. Da der metallische Werkstoff bereits in der Sinteranlage direkt verbunden wird, ist kein zusätzlicher Ofenprozeß notwendig. Überschlägig müssen zusätzlich zur reinen Bauzeit noch drei Stunden für Infiltration und Aushärtung des Epoxidharzes veranschlagt werden /Lohner 1996/. Allerdings sind auch bei dieser Prozeßkette vor dem Einsatz der Werkzeugkomponenten Nacharbeiten an Ausformschrägen und Formtrennungen notwendig.

3.2.3 Stereolithographie-Formeinsätze
Über das Rapid Prototyping-Verfahren Stereolithographie gefertigte Werkzeugkomponenten können unter bestimmten Voraussetzungen direkt in einem Spritzgießwerkzeug eingesetzt werden. Dazu wurde am iwb Anwenderzentrum Augsburg ein Prototypenwerkzeug zur Verarbeitung von elastischen Thermoplasten realisiert. In diesem Fall wurde auf eine Kühlung des Formnestes verzichtet. Mit temperierten Formeinsätzen ist die Herstellung von harten Kunststoffen möglich /Geuer 1996/.
Bei dieser Vorgehensweise ist aber darauf zu achten, daß aufgrund der gegenüber der Verarbeitung von Serienbauteilen geringeren Spritzgießdrücken und langsameren Erstarrung im Werkzeug mit schlechteren mechanischen Eigenschaften der Prototypen zu rechnen ist. Auf die Herstellung des Serienwerkzeuges können die in der Prototypenform gewonnen Erkenntnisse nur bedingt übertragen werden.
3.3 Herstellung der Gußform über Rapid Prototyping
Bei dieser Prozeßkette wird das Negativ einer Werkzeugkomponente in Form einer Gußschale erzeugt, die zum Gießen einer Aluminium- oder Stahllegierung dient. Zum einen kann eine Form für Niederdrucksandguß über das Rapid Prototyping Verfahren Sand-Lasersintern erstellt werden. Zum anderen kann über das Rapid Prototyping Verfahren Direct Shell Production Casting eine Feingießkeramikschale gefertigt werden /Naber & Breitinger 1996/.
Im ersten Fall werden über das Sand-Lasersintern Croning‘-Sande direkt durch Anschmelzen einer die Sandpartikel umhüllenden Binderschicht zu Sandgußformen versintert. Nach dem Entfernen der unversinterten Sandpartikel aus der Form wird die Werkzeugkomponente anschließend im Niederdruck-Sandgießverfahren hergestellt (Abbildung 12).
Beim Direct Shell Produktion Casting (DSPC) dagegen ist das Ziel die Herstellung einer Schalenform der Werkzeugkomponente für das Feingießverfahren (Abbildung 13). Basierend auf dem am MIT entwickelten Three Dimensional Printing (3DP) wird mittels eines Plottermechanismusses ein Binder selektiv auf ein schichtweise aufgetragenes Bett aus Keramikpartikeln aufgebracht. Unverbundene Keramikpartikel können nach Beendigung dieses Vorganges von der festen Form entfernt werden. Durch anschließendes Brennen wird eine den üblichen Feingußqualitäten entsprechende Keramikform zur Herstellung der Werkzeugkomponente erzeugt.

4. Beispiele
4.1 Prototypenwerkzeug für Kunststoffspritzguß - Bohrmaschinengetriebegehäuse
Bei dem schon vorgestellten Prototypenwerkzeug für ein Bohrmaschinengetriebegehäuse stand der Einsatz von Rapid Prototyping-Verfahren in Kombination mit spanenden Fertigungsverfahren im Vordergrund. Dabei wurden die Werkzeugkomponenten, die die Außenkontur abbilden, über eine CAD/CAM-Kette CNC-gefräst. Der Kern für die komplexe Innenkontur entstand über RP-Verfahren, teilweise in Kombination mit Abformtechniken, teilweise wurde die Werkzeugkomponente direkt hergestellt. Folgende Prozeßketten kamen zum Einsatz:
&Mac183; Stereolithographie-Bauteil, Silikonform, Wachsabguß, Feinguß (Aluminium)
&Mac183; Stereolithographie-Bauteil (QuickCast), direkter Feinguß (Aluminium)
&Mac183; Kunststoff-Lasersintern (Polystyrol, Polycarbonat), direkter Feinguß (Aluminium)
&Mac183; Fused Deposition Modeling (Feingußwachs), direkter Feinguß (Aluminium)
&Mac183; Indirekter Metall-Lasersinterprozeß
&Mac183; Direkter Metall-Lasersinterprozeß
Grundsätzlich konnte der Nachweis erbracht werden, daß Rapid Prototyping-Verfahren zur Herstellung von Werkzeugkomponenten eingesetzt werden können. Bezüglich der Zeit ergaben sich Vorteile gegenüber der konventionellen Vorgehensweise mit CNC-Fräsen und Senkerodieren (Abbildung 14) /Geuer 1996, Gebhardt 1996/.

4.2 Prototypenwerkzeug für elastische Bauteile
Zur Herstellung von Bauteilen aus elastischen Thermoplasten wurde ein Spritzgießwerkzeug mit Hilfe von Stereolithgographie-Formeinsätzen realisiert. In diesem Fall wurde ein elastischer Thermoplast bei einer Einspritztemperatur von 200 °C und einem Einspritzdruck von 150 bar in einem nicht gekühltem Werkzeug verarbeitet. Mit dieser Vorgehensweise ist es möglich ca. 50 Prototypen herzustellen. Dabei ist aber auf einen einwandfreien Druckübergang zwischen den Stereolithographie-Formein-sätzen und dem Stammwerkzeug zu achten (Abbildung 15) /Geuer 1996/.

4.3 Prototypenwerkzeug für Kunststoffspritzguß - Telefongehäuse
Bei diesem Prototypenwerkzeug wurden der direkte und der indirekte Metall-Lasersinterprozeß eingesetzt(Abbildung 16).
In einem ersten Versuch wurden die Formeinsätze mit dem direkten Metall-Lasersinterverfahren gefertigt, mit einem Blei-Zinn-Lot infiltriert und anschließend vernickelt. Es wurden 25 Bauteile aus ABS abgespritzt. Der Spritzdruck betrug 750 bar, der Nachdruck 440 bar. Es konnte kein sichtbarer Verschleiß festgestellt werden. Nach Lohner 1996 sind bei vergleichbaren Anwendungen Losgrößen von 4.500 Bauteilen aus unverstärkten Thermoplasten realisiert worden.
In der zweiten Untersuchung wurden die Formeinsätze mit dem indirekten Metall-Lasersinterprozeß hergestellt. Eine Oberflächenbeschichtung erfolgte nicht, es wurde lediglich an einigen wenigen Stellen auf Entformung poliert. Mit diesen Einsätzen wurden dann 340 Bauteile aus ABS bei einem Spritzdruck von 1000 bar und einem Nachdruck von 900 bar gespritzt. Es trat kein sichtbarer Verschleiß auf. In den USA sind nach Angaben der Fa. DTM in vergleichbar aufgebauten Werkzeugen bereits Stückzahlen von über 30.000 Teilen erreicht worden.

4.4 Prototypenwerkzeug für Magnesium-Druckguß
Mitte 1996 wurde am iwb Anwenderzentrum Augsburg ein Druckgießwerkzeug für Magnesiumlegierungen realisiert (Abbildung 17). Bei dem Testwerkstück handelt es sich um ein verripptes, deckelförmiges Bauteil von 120 mm x 80 mm x 35 mm Größe. Als Besonderheit wurden bei diesem Werkzeug ein Teil der Temperierkanäle in das CAD-Modell des Formeinsatzes integriert. Diese Temperierkanäle folgen der Kontur der Formhöhlung, sie könnten konventionell in dieser Form nicht hergestellt werden /Naber & Breitinger 1996/.
Die fertigungstechnisch schwieriger herstellbaren formgebenden Formeinsätze wurden mit Hilfe des indirekten Metall-Lasersinterprozesses hergestellt, die unkomplizierte Angußgeometrie wurde herkömmlich durch CNC-Fräsen gefertigt. Diese Kombination von Fertigungsverfahren hat sich schon bei der Herstellung von Spritzgießwerkzeugen bewährt. Im hier realisierten modularen Aufbau ist der Bestrebung Rechnung getragen, für die jeweiligen Geometrieverhältnisse das wirtschaftlichste und fertigungstechnisch sinnvollste Verfahren auszuwählen. Aufgrund der hohen Belastung im Angußbereich ist es vorteilhaft, einen Formeinsatz aus Stahl zu wählen.
Bei dem Gießmetall handelte es sich um die genormte Magnesiumlegierung AM50HP. Typische Anwendungsfelder dieser hochreinen Legierung sind Automobil-, Computer- und Telefonteile, Deckel und Gehäuse, Bauteile für die Haushaltsgeräteindustrie und Handwerkzeuge.
Eine erste Bemusterung dieses Werkzeuges verlief ohne große Probleme. Die Herstellung der Bauteile erfolgte unter im Druckgießverfahren üblichen Prozeßbedingungen:
Geschwindigkeit der Schmelze
im Anschnitt: 34 m/s
Formfüllzeit: 19 ms
Formtemperatur: 250 °C
Gießtemperatur: 680 °C
Gießdruck: 440 bar
Zykluszeit: ca. 40 s
Das Prototypen-Druckgießwerkzeug wurde vor jedem Zyklus mit einer auf Bornitrit basierenden Schlichteschicht versehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Verzicht auf Trennstoffe bei Magnesiumlegierungen möglich ist. Mit diesem Prototypen-Druckgießwerkzeug wird aufgrund der ersten Testversuche die Fertigung von mindestens 500 Prototypen erwartet.

4.5 Prototypenwerkzeug für Aluminium-Druckguß
Die Ermittlung der Standzeit der im indirekten Metall-Lasersinterprozeß hergestellten Formeinsätze beim Gießen von Aluminiumlegierungen steht im Vordergrund einer weiteren Versuchsreihe, die in Zusammenarbeit mit den Firmen Vaillant und DTM durchgeführt wurde (Abbildung 18). Dazu wurde ein reales Druckgießwerkzeug für ein Gasschiebergehäuse (Ab-messungen: 90mm/80mm/55mm) nachgebaut. Die konturabbildenden Formeinsätze wurde mit dem indirekten Metall-Laser-sinterprozeß hergestellt.
Bei der eingesetzten Legierung handelt es sich um die verbreitete Aluminium-Legierung AlSi9Cu3. Im Vergleich zu Magnesiumlegierungen wird durch die Verwendung dieser AlSi-Legierung, bezogen auf das Bauteilvolumen, pro Zyklus nahezu die vierfache Wärmemenge in die Druckgießform eingebracht, was die thermische Belastung des Formeinsatzes entsprechend erhöht.
Die eingestellten Prozeßparameter entsprechen wiederum den in der Druckgußfertigung üblichen Bedingungen:
Geschwindigkeit der Schmelze
im Anschnitt: 36 m/s
Formfüllzeit: 13 ms
Formtemperatur: 153 °C
Gießtemperatur: 718 °C
Gießdruck: 800 bar
Zykluszeit: ca. 30 s
Die durch die Temperaturwechselbeanspruchung ab dem 50. Bauteil entstehenden Risse in der Form-oberfläche bilden sich an der Gußteiloberfläche ab. Die dadurch am Gußteil entstehenden Grate haben bei den letzten Gußteilen eine Höhe von weniger als 0,5 mm. In der Regel kann dies bei Gußteilen, die keine extremen Anforderungen an die Oberfläche haben, akzeptiert werden. Der Versuch wurde nach der Herstellung von 310 Bauteilen beendet. Der Formeinsatz zeigte bis auf die Wärmerisse keine weiteren Schädigungen.

5. Zusammenfassung
Wenngleich hier die Rapid Prototyping-Verfahren zur Herstellung von Werkzeugkomponenten im Vordergrund standen ist Rapid Tooling nicht nur auf die Anwendung dieser Technologien beschränkt. Die sinnvolle Kombination aus forschrittlichen CAD/CAM-Systemen, Rapid Prototyping-Verfahren und CNC-Technologie erscheint der für die Zukunft geeignete Weg zu sein. Wichtigster Einflußfaktor zur Ausschöpfung der durch die RP-Verfahren gebotenen Zeit- und Kosteneinsparungspotentiale gegenüber konventioneller Fertigung ist die geometrische Komplexität der herzustellenden Werkzeugkomponente. Gerade im Hinblick auf moderne spanende Fertigungsverfahren wie High Speed Cutting ist genau abzuwägen, in wie weit Anforderungen bezüglich Geometrie oder Oberflächenqualität zu erfüllen sind. Ein Lösungsansatz dieses Problems ist die Kombination verschieden hergestellter Werkzeugkomponenten in einem Werkzeug. Darüber hinaus sollte durch die Verwendung eines standardisierten Baukastensystems für Formrahmen und Auswerfereinheit eine zusätzliche Zeit- und Kostenersparnis angestrebt werden.
Die Prozeßketten zur schnellen Herstellung von Werkzeugkomponenten, bei denen RP-Verfahren zum Einsatz kommen, zeigen aufgrund der spezifischen Eigenschaften der jeweils beteiligten Technologien unterschiedliche Eignung für die jeweiligen Anwendungsfälle. Im folgenden sollen daher keine generellen Empfehlungen ausgesprochen werden, sondern spezielle Stärken und Problematiken der einzelnen Prozeßketten aufgezeigt und Konsequenzen für ihren Einsatz erläutert werden (Abbildung 19).
Charakteristisch für alle Prozeßketten, bei denen Gießverfahren zur Herstellung der Werkzeugkomponenten angewendet werden, ist das Auftreten von behinderten Schwindungen und den damit verbundenen Problemen der Maßhaltigkeit. Gleichermaßen ungünstig ist die längere Durchlaufzeit und das Fertigungsrisiko bei sehr filigranen Strukturen zu bewerten.
Demgegenüber steht jedoch die Möglichkeit, Werkzeugformen aus einer Vielzahl an Materialien bis hin zu Warmarbeitsstählen herzustellen, so daß erhebliche Stückzahlen im Druck- oder Spritzguß erzielt werden können. Gleichzeitig sind beim Feingießverfahren bessere Oberflächenqualitäten zu realisieren als bei den Sinterverfahren.
Ein kritischer Aspekt der Abformtechnik RP-Bauteil/Silikon-form/Wachs-ab-guß/Feinguß hinsichtlich Zeitbedarf und Genauigkeit ist das häufige Kopieren der Bauteile zwischen Negativ und Positiv. Bei geeignetem Anwendungsfall kann dies jedoch leicht durch den Kostenvorteil bei höherer Stückzahl kompensiert werden. Es hat sich nämlich gezeigt, das beim Feingießen zum Erreichen einer guten Gußqualität einige Testbauteile von Vorteil sind.
Gleichermaßen ist das direkte Ausbrennen oder Auslaugen von RP-Modellen im Feinguß differenziert zu bewerten. Das Know-How der feingußtechnischen Handhabung dieser verlorenen Modelle ist von entscheidendem Einfluß auf die Qualität der daraus hergestellten Werkzeugkomponenten. Bisher liegen erst wenige Erfahrungen im Umgang mit den neuen RP-Materialien bei den Feingießern vor, so daß durch unvorhergesehene Iterationsschleifen der theoretische Zeitvorteil dieser Prozeßkette schnell aufgezehrt werden kann. Durch die zunehmende Verbreitung der RP-Technologien ist hier aber mit einer Verbreiterung der Know-How Basis in naher Zukunft zu rechnen.
Der größte Zeit- und Kostenvorteil wird bei entsprechend komplexer Geometrie der Werkzeugkomponente durch den Einsatz der Metall-Lasersinter-Technologien erzielt. Durch die Verwendung sehr spezieller Materialien ist der jeweilige Einsatzbereich dieser Technologien jedoch eingeschränkt. Aufgrund des niedrigschmelzenden Nickel-Bronze-Composits, der Schocktemperaturbeständigkeit des Epoxidharzinfiltrates von 250°C und der insgesamt mäßigen Festigkeit (Rm=157 N/mm2, HB=96-108) ist der direkte Metall-Lasersinterprozeß vor allem für die Herstellung von Kunststoffspritzgießformen geeignet. Bei sehr guter Maßgenauigkeit werden hier je nach Abrasivität des Spritzgieß-Mediums Stückzahlen von 500-5.000 Teilen erreicht /Lohner 1996/.
Demgegenüber zeigt das Stahl-Kupfer-Infiltrationsmetall, das beim indirekten Metall-Lasersinterprozeß verwendet wird, eine Festigkeit, die St42 vergleichbar ist. In Verbindung mit der Schmelztemperatur des Kupferinfiltrates von 1120°C können Werkzeugkomponenten aus diesem Werkstoff sowohl für den Kunststoffspritz- als auch den Leichtmetalldruckguß verwendet werden. Da bei Kunststoffmaterialien lt. Herstellerangaben Stückzahlen von über 50.000 realisiert werden können, reicht des Anwendungsgebiet dieser Prozeßkette über den Bereich der Prototypenfertigung deutlich hinaus.
Für Aluminium- bzw. Magnesiumdruckguß erscheint nach ersten Versuchen des iwb Anwenderzentrums Augsburg in diesem Jahr eine für Prototypenserien ausreichende Anzahl von 100-500 Teilen realisierbar. Durch die Verwendung von Beschichtungen kann die Standfestigkeit der Werkzeugkomponenten möglicherweise weiter gesteigert werden. Aufgrund der Schwindungen, die beim indirekten Metall-Lasersintern durch den Ofenprozeß auftreten, ist die Maßhaltigkeit der Werkzeugkomponenten im Vergleich zum direkten Prozeß weiter zu tolerieren. Gegebenenfalls können eng tolerierte Maße durch nachträgliche spanende Bearbeitung erzeugt werden.
Bei vergleichsweise einfachen Bauteilen mit ebener Werkzeugteilung ist, ausgehend von der dreidimensionalen Bauteilkonstruktion, die Werkzeugherstellung sowie das Herstellen einer Vorserie innerhalb von zwei Wochen möglich. Dabei wird sowohl der Zielwerkstoff als auch das Serienfertigungsverfahren eingesetzt. Damit kann mit Hilfe der Rapid Tooling-Verfahren die Produktentwicklung bei ihrer Forderung nach funktionalen Prototypen entscheidend unterstützt werden.
Die am iwb Anwenderzentrum Augsburg durchgeführten Rapid Tooling-Projekte zeigen auf, welches Potential von den eingesetzten Prozeßketten zu erwarten ist. Einige der hier angesprochenen Verfahren sind nicht nur für die Herstellung von Prototypenserien geeignet, sie reichen in den Bereich der Klein- und Mittelserien hinein. Daher ist mit einem Technologieschub im Werkzeug- und Formenbau zu rechnen.

Literatur
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Gebhardt 1996 Gebhardt, A.: Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung. Hanser Verlag München, Wien 1996. S 177.