Rapid Tooling mit LLM

An der Fachhochschule Hof wurde eine neue, schnelle Verfahrenskette entwickelt, mit der in nach dem LLM-Verfahren erstellten Werkzeugen Prototypteile bzw. Modelle in Kunststoff hergestellt werden können. Diese Verfahrenskette wurde auf das Vakuumgießen vom EP-Gießharzen und die PU-Weichschaumverarbeitung angewandt, wobei erhebliche Zeiteinsparungen bis zum ersten Abguss erreicht werden konnten. Die Genauigkeit des Verfahrens ist für eine ganze Reihe von Problemstellungen ausreichend.

Viele Wege, um ohne konventionellen, teueren Werkzeugbau zu Kunststoffteilen zu gelangen, wurden in der jüngsten Vergangenheit untersucht [1].  Eine Reihe von begeisternden Fortschritten, insbesondere im Hinblick auf die Erstellung von Werkzeugen aus Stahlwerkstoffen, wurde erreicht. Jedoch erfordern zur Zeit alle diese Methoden eine hohe Anfangsinvestition, so dass der Preis der damit erstellten Werkzeugteile immer noch sehr hoch ist.
Daneben hat die bekannte Prozessfolge von Rapid Prototyping über eine Silikonform zu Vakuumgießteilen eine hohe Bedeutung.  Auch hier werden immer wieder neue Entwicklungen zur Verfahrensverbesserung und eingesetzten Materialien durchgeführt.
Nun ist diese Prozessfolge vom RP-Prototypen über einen Silikonabguss und eine weitere Abformung im Vakuumgießen recht langwierig, erfordert relativ viel Personal und ist somit ebenso kosten- und zeitintensiv. (Abbildung 1)
Die  FH Hof – Prof. Reichel – stellte sich nun die Aufgabe mittels Rapid Tooling Werkzeuge für Gießverfahren mit Kunststoffen zu erstellen. Dabei sollte insbesondere auf eine schnelle Werkzeugerstellung mit preiswerten Maschinen und Materialien geachtet werden. Bekanntermaßen besitzen nicht-metallische  RP-Materialien deutlich geringere mechanische Kennwerte als metallische, daher erfolgte die Zielstellung auf Formverfahren, in denen auch  nicht-metallische Werkzeuge eingesetzt werden können. Hierzu zählt das bekannte Vakuumgießen, aber auch die PU-Schaumverarbeitung.
Die spezifischen  Vor- und Nachteile der einzelnen RP-Verfahren für die Werkzeugerstellung werden in Abb. 1 dargestellt. Da nun Werkzeuge offensichtlich ein deutlich größeres Volumen als die mit ihnen herzustellende Teile besitzen, werden auch die Material- und Baukosten hier wichtiger. Der Anforderung an geringe Materialkosten und geringe Stundensätze der RP-Anlage werden nur wenige RP-Verfahren gerecht, wie man aus der Literatur [1] schließen kann.
Unter diesen Bedingungen wurde das Laminated Layer Manufacturing, abgekürzt LLM [2], ausgewählt, da hier moderate Material- und Maschinenkosten auftreten, außerdem derartige Untersuchungen bisher nicht bekannt sind. In diesem Verfahren werden Folienmaterialien mittels Schmelzkleber laminiert, und in jede Folienschicht mittels einer speziellen Schneidtechnik die Konturen des herzustellenden Produkts und Hilfsschnitte zur Abfalltrennung eingebracht.  Solche Maschinen werden von einer Reihe von Firmen angeboten, unter anderemvon KIRA (Japan). Die  Herstellung der Formen in dieser Untersuchung erfolgte entweder im Verfahren von KIRA (Kira PLT) oder im Verfahren von Helisys (LOM), als Folienmaterial wurde jeweils ein Papier eingesetzt.

RP-Werkzeug an Stelle eines RP-Prototypen
Den Schritt zur Werkzeugerstellung geht man, wenn mehrere gleiche Modelle erforderlich sind. An Stelle mehrerer, teuerer RP-Teile werden über ein Werkzeug schnell und kostengünstig Modelle erzeugt.
Jedoch entstehen auch zusätzliche Aufwendungen. Im Allgemeinen sind beim Bedarf an Prototypen nur die CAD-Daten des Prototypen vorhanden, jedoch nicht jene einer Form. Wird konventionell die Form in Silikon gegossen, so entsteht sie auf handwerkliche Weise. Auf die Entformung braucht nur wenig geachtet werden, da leichte Hinterschnitte oder  fehlende Entformungsschrägen aus dem weichen, gummiartigen Silikon leicht entformt werden können. Bei größeren Hinterschnitten, die im Produktionswerkzeug große Schieber erfordern würden,  muss eine Silikonform eventuell in mehreren Schritten hergestellt werden. Wird jedoch eine Form aus einem harten Werkstoff – auch der LLM-Werkstoff ist im Vergleich zu Silikongummi sehr hart – so hat man vorher eine Entformungsbetrachtung und Schieberkonstruktion durchzuführen. Ein Teil der Arbeiten verlagert sich so von der Werkbank ans CAD. Die Konstruktionsarbeit kann entweder mit geeigneter Software [4] auf Basis von STL-Daten,  oder mit einem geeigneten CAD-System, welches den Werkzeugbau unterstützt, auf Basis der ursprünglichen Produktdaten,  ausgeführt werden.  Es muss im Endeffekt ein Formeinsatz konstruiert werden, es werden also Leistungen erbracht, die oft später für den Bau des Serienwerkzeugs weiter verwendet werden können. Zusätzlich sind Eigenheiten des Vakuumgießens zu beachten,  wie Steiger oder geeignete Auswerfer.
Die Konstruktion der Form wird dann in STL-Daten ausgegeben und dem LLM-Verfahren zugeführt. Es entstehen die Komponenten des Formeinsatzes im Material des LLM-Verfahrens.

RP-Werkzeuge für das Vakuumgießen
Ein Vorteil des Rapid Tooling beim Vakuumgießen ist also die Einsparung der Silikonform. Hierbei wird zunächst das teuere Silikonmaterial, aber auch die zur Formherstellung notwendige Zeit durch das automatische LLM ersetzt.
Nun sind leider die Teile damit noch nicht einsetzbar. Das LLM-Verfahren erzeugt einen Block, aus dem die erzeugten Teile manuell zu entpacken sind. Die laminierten Papierschichten erfordern, damit eine ausreichende Stabilität für einen Abformprozess erreicht wird, eine Oberflächenhärtung, die durch eine Lack- oder Infiltrationsbehandlung geschieht [5]. Danach wird meist die Oberfläche nochmals geglättet oder fein geschliffen. Diese Arbeitsschritte sind jedoch ebenso auszuführen, wenn man von einen LLM-Prototypen eine Silikonform abnehmen will.
Das  folgende Vakuumgießen selbst unterscheidet sich wenig von der Vorgehensweise mit Silikonformen, jedoch ist besonderer Augenmerk auf die Entformung zu legen. Bei der Untersuchung an der FH Hof wurde mit einer Reihe von Trennmitteln experimentiert, bis sich mit einer Kombination aus Trennwachs und Silikonspray zufriedenstellende Ergebnisse einstellten. Die Abformgenauigkeit des Vakuumgießens  ist bekanntermaßen gut, dadurch zeichnen sich teilweise Schichtstrukturen oder STL-Strukturen, die an  Form kaum erkennbar sind, am Prototypen ab.
Bei der neuen Prozessfolge  ergab sich eine Zeiteinsparung von rund 19 Stunden, verglichen mit dem konventionellem Vakuumgießen mit Silikonform, bis man das erste Teil in den Händen hält. (Abbildung 2)
Auch die Dichtheit der Form erforderte mehrere Optimierungsschritte. Zunächst ist eine ausreichend große Dichtfläche zu erstellen, die dann auch mit ausreichender Kraft zusammengehalten wird – hierzu wurden schließlich rahmenartige Komponenten aus Metall erstellt, die für mehrere Formen ähnlicher Außenmaße eingesetzt werden können.

Genauigkeit
Anschließend wurden an mehreren Formteilen die Genauigkeit dieser Verfahrenskette untersucht. Die Verfahrensgenauigkeit wird beeinflusst von:
- der Genauigkeit der LLM-Maschine (Material, Schnittgenauigkeit);
- der Wirkung der Oberflächenbehandlung der Formhälften (Quellen des Laminats, Veränderung der Maße durch manuelle Finisharbeiten);
- der Genauigkeit des Vakuumgießen (Material, Prozesstemperaturen).
Die Untersuchungen zeigten, dass alle diese Prozessschritte die Geometrie messbar verändern.  Jedoch wird eine Toleranzklasse erreicht, die für Kunststoff-Prototypteile ausreichend ist. Allerdings zeigten sich auch LLM-typische Eigenheiten, wie ein „Z-Wachstum“.

Haltbarkeit der Form
Bei korrekter Konstruktion der Form, einer geeigneten Teilegeometrie  und sorgfältiger Arbeit erscheinen 20 und mehr Abformungen im Vakuumgießen möglich.  Die Haltbarkeit wird auch limitiert durch Steiger, die immer wieder ausgebohrt werden müssen. Ganz erheblich beeinflusst die Vorgehensweise beim Schließen der Form und Entformen des Teils unter Temperatur und Kraft die Haltbarkeit.
Weitere Erkenntnisse
Die Entformung der Teile ist unter Umständen trotz eines Trennmittels problematisch. Insbesondere lange, komplett vom Kunststoff umschlossene Kerne lassen sich schlecht entformen, da der Kunststoff aufschrumpft. Eine Entformung mittels Auswerferstiften, die eventuell zusätzlich aus Metall in die Form eingebracht werden müssen, verteuern die Prozesskette.  Auch lassen sich damit so hohe Entformungskräfte erzeugen, dass das Teil zerstört wird oder durch die Anhaftungen eine Delamination der Form erfolgt. 

RP-Werkzeuge für PU-Schäume
Schaumartige Werkstoff für Rapid Prototyping sind bisher nicht bekannt.  Formteile aus PU-Weichschaum entstehen unter moderaten Reaktionsbedingungen. Mithin treten geringe thermische und mechanische Belastungen der Form auf. Werkzeuge für dieses Verfahren werden bisher schon teilweise in Schichtholz, Silikonkautschuk oder EP-Harz hergestellt [3]. Daher liegt es nahe, auch hier im LLM hergestellte Formen einzusetzen.

Auf Grund der Erfahrungen mit dem Vakuumgießen wurde hier sofort ein mehrfach verwendbarer Formträger aus Aluminium erstellt, in diesen Formträger wurde ein Formeinsatz aus RP-Material für ein Sitzpolster eingebracht. Die Dichtheit der Form wurde  zwischen Alu und RP-Formeinsatz realisiert. Auch hier beeinflusst die Wahl des Trennmittels erheblich die Qualität der Abformung, konnte aber letztlich mittels eines Formtrennwachses und eines Trennmittelsprays sichergestellt werden.
Der Weichschaum erforderte keine besonderen mechanischen Entformungshilfen. Die Abformungen verlaufen problemlos und schnell, die Dichtheit der Form – bei PU selbst bei Stahlformen oft problematisch – erweist sich als sehr zufriedenstellend. Es wird kein Problem gesehen, eine größere Zahl von Abformungen zu erreichen, obwohl die Formmasse bei der Reaktion erhebliche Temperaturen erzeugen kann.

Fazit
Nachdem wenige Untersuchungen [5,6] bekannt sind, die LLM-Teile als formgebende Komponente beim Sandformen [5] und Blech-Tiefziehen [6] einzusetzen,  wird hier über das Urformen von Kunststoffen berichtet.  Es zeigt sich, dass dieser Weg gangbar ist und erfolgreich Formteile hergestellt werden können. Natürlich gibt es sowohl Argumente für und gegen diesen Weg, die im Einzelfall gegeneinander sorgfältig abgewogen werden müssen. Jedoch sind die Ergebnisse positiv und stellen eine Basis für weitere Arbeiten an der FH dar, beim denen noch andere Kunststoffverarbeitungsverfahren mit LLM-Werkzeugen getestet werden sollen.

Autor: Prof. Dr.-Ing. Herbert Reichel, Fachhochschule Hof
Der Autor studierte Maschinenbau an der TU München, promovierte an der FAU Erlangen –Nürnberg und ist seit 1999 Professor für Werkzeug- und Modellbau an der FH Hof. Zuvor war er ab 1990 in der kunststoffverarbeitenden Industrie tätig.

Rapid Tooling

Vom Rapid Prototyping-Teil führt die Anspruchspyramide recht schnell zum Rapid Tooling. Aber auf dem Weg dorthin gibt es viele Abstufungen. Nicht jedes Werkzeug muss einer Großserie standhalten. Prototypen und Vorserienteile werden nur in geringer Stückzahl benötigt.  Die Anforderungen der einzelnen Kunststoff-Verarbeitungsverfahren an ihre Werkzeuge unterscheiden sich stark. Der hier untersuchte PU-Schaum hat eine Anforderungshöhe, die sich mit LLM-Formen  gut erreichen lässt.

Literaturverzeichnis
(1) Wohlers, Terry: Rapid Prototyping & Tooling, Annual Worldwide Progress Report, Wohlers Associates, 1999 – 2001
(2) Gebhardt, A.: Rapid Prototyping, 2. Auflage, Hanser Verlag München 2000
(3) Mennig, G.: Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung, Hanser Verlag München 1995
(4) Materialise – Gazette, Materialise München 2002
(5) Müller, Bernhard: Präzisionsguss mit neuen Technologien
Shaker Verlag Aachen 2002
(6) Produktinformation der IM-TEC, Barleben 2003
(7) Kadlac, P.: Einsatz von LOM Werkzeugen beim Vakuumgießen und PU Schaumpolster Formen, Diplomarbeit,   FH Hof 2003