Engineering 01.09.2000, 17:26 Uhr

Formen für Prototypen wachsen schnell aus Sandschichten empor

Mit einem neuen Rapid-Prototyping-Verfahren lassen sich Sandformen für Prototypen schnell schichtweise aufbauen. Dabei werden die mit Klebstoff versetzten Sandkörner durch Aufsprühen von Härtertropfen zur fertigen Form verbunden.

Baugeschwindigkeit und Bauvolumen liegen weit höher als bei den bisher verfügbaren Systemen. Individualität ist teuer: „Branchenübergreifend gibt es ständig Bedarf an komplexen Gussteilen, von denen jeweils nur Einzelstücke oder Klein- und Kleinstserien benötigt werden“, weiß Dr. Ingo Ederer, Geschäftsführer der Firma Generis GmbH in Augsburg. Mittlerweile stünden zwar eine ganze Reihe von Rapid-Prototyping-bereit, mit deren Hilfe die Entwicklungsingenieure relativ schnell Prototypen aus Metall erhalten. Doch seien diese Verfahren bislang weitgehend auf relativ kleine Bauteilvolumen beschränkt. In vielen Fällen habe man bisher keine andere Wahl gehabt, als den kostenintensiven und zeitraubenden Weg über die Anfertigung von Modellen und Kernwerkzeugen zu gehen, mit deren Hilfe dann eine Sandform für den Abguss des gewünschten Metallteils erzeugt wurde. Das kann Wochen und sogar Monate dauern.
Als Alternative kamen seit Beginn der 90er Jahre daher zahlreiche Rapid-Prototyping-Verfahren auf den Markt. Doch können damit noch längst nicht alle Aufgaben bewältigt werden. „Ein Rapid-Prototyping-Verfahren, das zur Zeit vielfach für die Herstellung von Kernen bzw. Gussformen aus Formsand eingesetzt wird, ist das Laser-Sintern (SLS). Als Werkzeug dient hierbei ein einzelner, sehr feiner Laserstrahl“, erläutert Rainer Höchsmann, Mitgründer der Generis GmbH. Als Formstoff wird kunstharzumhüllter Quarzsand verwendet. Die Energie des Laserstrahls dient dazu, die Kunststoffhülle um die Sandkörnchen soweit aufzuschmelzen, dass die einzelnen Körner miteinander verkleben. Aufgrund des einzelnen Laserstrahls sei der erreichbare Baufortschritt jedoch trotz der hohen Geschwindigkeit des Strahlführungssystems begrenzt. Selbst mit einem Doppellasersystem ist die Baugeschwindigkeit solcher Anlagen auf etwa 1 l/h begrenzt. Zudem bedürfen die so entstandenen Formen noch einer Nacharbeit, da die mit dem Laser erzielbare Festigkeit noch nicht für den Abguss ausreicht. Beschränkungen bei den Bauteilabmessungen, der Fertigungsgeschwindigkeit sowie der Notwendigkeit zur Nacharbeit der Formen lassen das Lasersintern von Formstoffen sowohl technisch als auch wirtschaftlich an seine Grenzen stoßen, hebt man in Augsburg hervor. .

Rapid Prototyping nach dem Zwei-Komponenten-Verfahren

„Unsere Idee basiert hingegen darauf, statt des Versinterns mit dem Laser ein anderes Klebeverfahren zu verwenden, das eine wesentlich höhere Baugeschwindigkeit durch den gleichzeitigen Einsatz einer Vielzahl von Werkzeugen ermöglicht“, verrät Ingo Ederer. Dabei können sich die beiden Firmengründer auf umfassende Erfahrungen aufgrund ihrer Tätigkeit am Lehrstuhl für Feingerätebau und Mikrotechnik der Technischen Universität München stützen. Dort habe man auch umfangreiche Erfahrungen im Bereich der Mikrodosiertechnik von Flüssigkeiten gesammelt. „Im Prinzip“, so Prototyping-Experte Ederer, „arbeitet das neue System nach dem gleichen Verfahren wie die Druckköpfe von Tintenstrahldruckern.“ Im Zuge der Entwicklung kam man auf die Idee, Sandkörnchen gezielt durch Aufspritzen von Klebstoffen zu Formen zu verbinden. Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Druckkopf – ganz wie beim Tintenstrahldrucker – eine größere Zahl Düsen aufweist, so dass viele „Klebepunkte“ gleichzeitig gesetzt werden können.
„Reiner Klebstoff wäre jedoch nur sehr schwer zu verarbeiten, weil er in der Regel hochviskos und ungünstige Dosiereigenschaften aufweist. Wir haben uns die Sache deshalb vereinfacht und arbeiten nach einem Zwei-Komponenten-Verfahren“, setzt Rainer Höchsmann hinzu. Zunächst erzeugt ein „Sandschlitten“ eine gleichmäßige, dünne Schicht aus feinem, trockenem Gießereisand mit einer mittleren Korngröße von rund 150 mm. Über diese Schicht läuft dann ein zweiter Schlitten mit einer Reihe von Düsen, mit deren Hilfe diese Schicht vollflächig mit einem dünnen Binderfilm überzogen wird. Dieser Sand haftet zwar durch den Feuchtigkeitsfilm ein wenig zusammen, bleibt jedoch rieselfähig genug, um dann später problemlos entfernt werden zu können. Endfest wird er nur an den Stellen, wo der Druckkopf auf dem dritten Schlitten zusätzlich gezielt seine Härtertröpfchen aufträgt. Durch wiederholte Bearbeitung des Baufeldes wird die gewünschte Sandform Schicht um Schicht aufgebaut. Nach Abschluss des Bauvorgangs wird die so gewonnene Sandform aus ihrem „Sandbett“ genommen, gesäubert und ist danach sofort zum Abguss bereit.
„Mit unserem System erreichen wir eine maximale Aufbaugeschwindigkeit von cirka 0,2 mm pro Schicht in der Minute. Das liegt weit höher, als alles, was bisher am Markt verfügbar ist“, freut sich Firmenchef Ederer. Geheimnis des Erfolgs sei der eingesetzte Druckkopf mit insgesamt 1200 Mikrodüsen, der in einem einzigen Durchlauf einen knapp 51 mm breiten Sandstreifen besprühen kann. Auf dieser Grundlage entwickelte das junge, erst im Mai 1999 gegründete Startup-Unternehmen das System „GS 1500“, in dem Sandformen mit einer maximalen Abmessung von bis zu 1500 mm x 750 mm x 750 mm erzeugt werden können. Die Anlage arbeitet vollautomatisch auf der Grundlage von CAD-Daten.
„Bei der Entwicklung unseres Systems haben wir sehr auf praktische Aspekte des Gießereibetriebs geachtet“, betont Rainer Höchsmann. Mit ihrem innovativen Verfahren errang die Mannschaft von Generis im Mai 2000 Platz vier beim bundesweiten StartUp-Wettbewerb der innovativen Existenzgründer. JOCHEN MEYER

Von Jochen Meyer
Von Jochen Meyer

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