Serienluft geschnuppert
Die verschiedenen Techniken des Rapid Prototyping eignen sich nicht mehr nur zur raschen Herstellung von Design- oder Konzeptmodellen. Vor allem belastbare Funktionsprototypen für seriennahe Praxistests tragen heute entscheidend zur Verkürzung von Entwicklungszeiten und -kosten bei. Die Keramikspezialisten des Werkstoffzentrums Rheinbach bieten inzwischen drei PR-Verfahren als technische Dienstleistung an und nehmen damit eine führende Position auf diesem Gebiet ein.
Als strategischer Faktor bei der Entwicklung neuer Produkte und Bauteile fällt den Verfahren des Rapid Prototyping entscheidende Bedeutung zu. Das gilt heute für nahezu alle Branchen – auch für die Keramik-Industrie „Im direkten Vergleich zu anderen Materialien stärkt der Einsatz schneller RP-Technologien die Wettbewerbsfähigkeit der Keramik-Werkstoffe erheblich und macht sie für Entwicklungsingenieure immer interessanter“, erläutert Dr. Wolfgang Kollenberg, Geschäftsführer des Werkstoffzentrums Rheinbach. Bei der Entwicklung keramischer Produkte setzt sein Dienstleistungsunternehmen inzwischen drei RP-Methoden ein: Das Vakuum-Heißgießen, das Gefriergießen und den 3D-Druck. Je nach Verfahren lassen sich damit nicht nur Design- und Konzeptmodelle für Sichtprüfungen anfertigen, sondern – und darauf liegt der Schwerpunkt – auch belastbare Funktionsprototypen für seriennahe Praxistests. Das Vakuum-Heißgießen empfiehlt sich insbesondere für die rasche und kostengünstige Herstellung keramischer Prototypen mit hoher Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit. Die heiße Gießmasse – eine viskose Wachs-Keramik-Suspension – wird in eine Silikonform gegossen und nach dem Abkühlen in der Form vom Binder befreit. Beim anschließenden Sintern erhält sie ihre keramischen Eigenschaften. Inklusive der Anfertigung des Urmodells für die Silikonform nimmt dieser Prozess etwa sechs bis zehn Tage in Anspruch. Beim Gefriergießen hingegen kommt ein wässriger Schlicker zum Einsatz, der – nach dem Abgießen in eine Silikonform – bei Temperaturen von bis zu -50°C gefrostet wird. Dabei bilden sich Eiskristalle, deren Dimensionen durch Additive exakt gesteuert werden können. So lassen sich Größe und Menge der Poren im keramischen Gefüge einstellen. Auf diesem Weg entstehen dichte bis hochporöse Gefüge – auch mit gerichteter Porosität. Das gefrorene Wasser wird mittels Sublimation entfernt; anschließend folgt der keramische Brand. Mit diesem Verfahren ist der Prototyp in vier bis acht Tagen fertig gestellt. Die derzeit schnellste RP-Technologie für Keramik-Entwicklungen ist der 3D-Druck. Das Schichtbau-Verfahren kommt ohne Formwerkzeuge aus und bezieht die für das Bauteil erforderlichen Geometriedaten direkt aus den Datensätzen etablierter 3D CAD-Programme. Vergleichbar mit einem Tintenstrahldrucker sprüht der 3D-Printer einen Flüssigbinder auf vordeponiertes Keramikgranulat und baut die Strukturen schichtweise auf. Diese Methode ermöglicht die sehr schnelle und kostengünstige Herstellung komplexer und ineinander verschachtelter Objekte. Die abschließende Verfestigung erfolgt durch den Sinterprozess. Ein im 3D-Druck gefertigter Keramik-Prototyp ist meist schon in zwei bis drei Tagen einsatzbereit, womit sich die gesamte Entwicklungszeit um Wochen oder gar Monate verkürzen lässt. Je nach Stadium einer Produktentwicklung können alle drei RP-Verfahren beim Werkstoffzentrum Rheinbach in Anspruch genommen werden. Von immer größerer Bedeutung wird dabei die schnelle Bereitstellung von Funktionsmodellen, die sich für Einbauversuche oder Belastungstests nutzen lassen. „Viele der von uns erstellten Prototypen haben bereits die Luft der Serie geschnuppert. Denn es hat sich inzwischen herum gesprochen, dass sich mit den RP-Techniken hochwertige Keramik-Modelle realisieren lassen, die den Serienbedingungen sowohl werkstofftechnisch als auch funktionell extrem nahe kommen“, berichtet Wolfgang Kollenberg.
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