Direct Tooling mit der Stereolithographie

Betrachtet man die oben gestellte Frage, ist zuerst einmal festzustellen, dass der Ansatz, die Stereolithographie für Rapid Tooling für den Spritzguss einzusetzen, nicht neu ist. Anfänglich waren die Versuche im Werkzeugbau jedoch meist erfolglos, da die SLA-Werkstoffe nicht die notwendigen Produkteigenschaften boten (ausreichende Festigkeit, Wärmebeständigkeit, Zugmodul und Maßhaltigkeit). Hinzu kam, dass zu wenig Kenntnisse vorlagen, wie das Design von Formen modifiziert werden musste, um den spezifischen Anforderungen der SL-Technologie zu genügen. Es fehlte schlichtweg auch an Erfahrungen mit dem Einsatz von Formen aus Komposit-Werkstoffen.

Die Firma DSM Somos unternimmt große Anstrengungen, um die SL-Technologie für die RT-Welt zu erschließen und diese anfänglichen Schwierigkeiten und die Skepsis der Industrie zu beseitigen. In diesem Zusammenhang unterstützt sie die Industrie bei Tooling-Projekten bis zur Marktreife, und sponsort unter anderem eine Rapid-Tooling-Arbeitsgruppe, in die Experten aus der gesamten Entwicklungs- und Herstellungskette eingebunden sind. Paramount Industries ist ein Design- und Produktenwicklungsbüro mit Sitz in Pennsylvania, USA, das die ganze Bandbreite der Dienstleistungen in der Produktentwicklung abdeckt. Zu seinen Kunden zählen Firmen aus der Konsumgüterindustrie und der Medizintechnik. Wie die meisten Design- und Produkt-entwicklungbüros setzt Paramount Hochgeschwindigkeits(HS)-CNC-Machining-Verfahren als Rapid-Tooling-Standard ein, obwohl in den vergangenen 30 Jahren mit anderen Rapid-Tooling-Verfahren experimentiert wurde, wie Epoxid-Komposit-Gießen, Aluminium-Gießen, S7-Gießen, Metallspritzverfahren, Beryllium-Gießen, KelTool, und SLS RapidSteel. Dennoch hatte sich laut Paramount keines dieser Verfahren als so nützlich und verlässlich erwiesen wie das CNC-Machining. Als SL-Anwender und Spritzguss-Experten zunächst mit dem Rapid Tooling experimentierten (einige Jahre vor der Einführung von ProtoTool 20L), war Paramount Industries nicht daran interessiert, ein weiteres RT-Verfahren zu erproben, bis DSM Somos das Potential von ProtoTool 20 L präsentierte. Zukunftsweisende Materialeigenschaften wie eine Wärmeformbeständigkeit von 258 °C, gekoppelt mit einer verlässlichen Präzisionsanlage (dank der Einführung der Viper-Anlage von 3D System), überzeugten Paramount, einen ersten Blick auf den neuen Werkstoff zu werfen. Man glaubte, falls sich SL-ProtoTool als erfolgreich erweisen würde, das Verfahren dazu verwenden zu können, Formteile zu fertigen, deren technische Qualität bei etwa 75% der von Kunstharzen liegt. Wobei mögliche Ausnahmen Polyäther, Polysulfon und ähnliche Kunstharz-Klassen darstellen, die eine Verarbeitungstemperatur von über 310°C aufweisen. Paramount hatte klare Unternehmensziele: präzise gefertigte Formteile, die innerhalb einer Woche nach Eingang der ersten Entwürfe fertiggestellt sein sollten, und zwar zu weitaus geringeren Kosten als maschinell hergestellte Metallwerkzeuge. Die erste Gelegenheit, die neue Herangehensweise im Rapid Tooling zu erproben, eröffnete ein Projekt im Auftrag von Ingersoll Rand. Paramount hatte mehr als ein Jahr lang mit einem Produktentwicklungsteam an einer neuen Produktlinie von handgeführten Hochgeschwindigkeits-Schleifmaschinen experimentiert. Die neuen Schleifmaschinen wurden gefertigt, um kostengünstigere Spritzgieß-Thermoplast-Komponenten zu verwenden anstatt der maschinell verarbeiteten Metallteile. Das Kunstharz das überwiegend zum Einsatz kam, war ein Typ 6 Nylon mit einer 33% Glasfüllung (BASF Capron 8333G-HI). Dieser Werkstoff wird typischerweise eingesetzt, wo hohe Strapazierfähigkeit, besonders in industriellen Anwendungen, gefragt ist. Der empfohlene Einspritzdruck für diese spezielle Sorte Capron ist relativ gering: 0.5 ksi – 1.8 ksi mit einer Verarbeitungstemperatur von 270 bis 291°C und einer Einspritztemperatur zwischen 94 und 105°C. Das Produktionswerkzeug stand fast vor dem Abschluss und die ersten Artikel wurden von Ingersoll’s chinesischem Lieferanten geliefert, als erste Fehler entdeckt wurden. Die Oberflächengeometrie der Bauteile war von den CAD-Daten falsch interpretiert worden und auf die Innenseite des Gehäusekörpers übersetzt worden. Die Forderung, den Gehäusekörper zu korrigieren, hätte das Team vier bis fünf Wochen im Zeitplan zurückgeworfen. Die Ingersoll-Rand-Ingenieure dachten, es sei möglich, einen inneren Teil, genannt „Käfig“, zu modifizieren, um den Fehler zu beheben. Aber diese Theorie musste geprüft werden. Darin lag das Dilemma: Ein neues Formteil musste gefertigt werden, doch der Einsatz eines anderen Stoffes als Capron war nicht möglich, da Motorgeschwindigkeiten von 30.000 min-1 und beschleunigte Luftgeschwindigkeiten, die bei den Bauteilen zu erhöhten Temperaturen führen können, SL-Werkstoffe genauso ausschlossen wie RTV-Soft Tooling. Das Team benötigte zumindest zwei Capron-Teile, um sein Design-Konzept zu überprüfen. Sollte das veränderte Design sich als praktikabel erweisen, würde Ingersoll seinen chinesischen Lieferanten auffordern, das Käfig-Werkzeug zu modifizieren. Jedoch würde auch diese Strategie Ingersoll im Zeitplan zwei bis drei Wochen zurückwerfen. Da Paramount jedoch die SL-ProtoTool RT-Version einsetzte, konnte es das Werkzeugdesign ändern und einen Einspritzkanal aus Stahl vorsehen. Man befürchtete nämlich, dass das Komposit-Werkzeug den Einspritzkräften des glasgefüllten Nylons nicht widerstehen würde. Wie sich herausstellte, war es die richtige Entscheidung, den stählernen Einspritzkanal hinzuzufügen, da nach dem zweiten vollen Schuss die Druckbelastung auf das Capron so hoch wurde, dass ein Stück des ProtoTool-Formteils direkt gegenüber dem Einspritzkanal abbrach. Obwohl das Werkzeug modifiziert wurde, war es Paramount so möglich, Gießteile in weniger als zwei Wochen herzustellen. Da Paramount sehr daran gelegen war, die Wirtschaftlichkeit des neuen SL-ProtoTool Ansatzes im Rapid Tooling zu überprüfen, ließ es als Benchmark das Standard-Verfahren HS-CNC laufen. Im Vergleich dazu zeigte sich, was auch ein zweites Projekt – 1000 Polypropylen-Formteile zu fertigen – bestätigte, dass die SL-ProtoTool-Strategie zu einer deutlichen Zeitersparnis führte. Vergleicht man die gesamten aufgewendeten Arbeitsstunden und Maschinenlaufzeiten von SL-ProtoTool 20L mit HS-CNC Al, so scheint es in beiden Fällen teurer zu sein, die Werkzeuge aus dem SL-Verfahren heraus zu bauen, als sie maschinell herzustellen. Jedoch ist der Benefit für das Rapid Tooling in beiden Fällen der Zeitvorsprung, da SL die Spritzgußteile in der Hälfte der Zeit lieferte im Vergleich zur vorgegebenen Zeit. Darüber hinaus hat Paramount Industries gezeigt und mit beiden Fällen bewiesen: SL-Rapid Tooling bringt eine deutliche Zeit- und Kostenersparnis. Das beruht vermutlich auf den Erkenntnissen, die durch den Einsatz von Komposit-Tooling in diesem und drei anderen Versuchsreihen gewonnen wurden. Diese Erkenntnisse beziehen sich auch auf die Endmontage und den richtigen Einbau von Komposit-Werkzeugen in den Spritzguß-Rahmen und auf die Lagenstärke, die für den Formenbau nötig sind. Beide Formteile wurden im hochauflösenden Modus auf der Viper-Anlage in 0,05 mm Lagen hergestellt. Die Auflösung hätte in beiden Fällen auf 0,10 mm Lagen verringert werden können. Dadurch hätte noch mehr Zeit gewonnen werden können. Zusammenfassend konnten durch dieses Projekt wichtige Erfahrungen gesammelt werden, die für einen erfolgreichen Einsatz mit deutlicher Zeit- und Kostenersparnis der Stereolithographie für das Rapid Tooling notwendig sind. Langjährige Erfahrungskurven bei der Stereolithographie und dementsprechendes Know-how machen die Stereolithographie zu einer interessanten Alternative zur CNC-Fertigung. Voraussetzung dafür ist aber die Entwicklung entsprechender Materialien, die den Anforderungen des Direct Tooling gerecht werden. www.dsm.com