Engineerinug 14.01.2000, 17:24 Uhr

Imprägnierte Prototypen erlauben harte Probeläufe

Getränkt mit einer neuartigen Polymer-Lösung auf Polyurethan-Basis , werden lasergesinterte Prototypen druckdicht bei Temperaturen bis 150° C. Zudem sind sie chemisch resistent gegenüber Öl, Wasser und Kühlflüssigkeiten bei deutlich erhöhter Bruchfestigkeit.

Lasergesinterte Prototypen aus gummielastischen Kunststoffen „konnten bislang nur beschränkt im Fahrzeugbau eingesetzt werden“, erläutert Jürgen Sauer, Geschäftsführer von Sauer Product, einem Formenbauer mit rund 85 Beschäftigten im hessischen Dieburg. Dabei liege hier ein besonders interessantes „Testfeld“. Insbesondere im Bereich des Motorraums sowie im Antriebsstrang seien sehr viele solcher Bauteile wie Schläuche, Manschetten sowie zahlreiche Übergangsstücke der unterschiedlichsten Form im Einsatz. Doch die Betriebsbedingungen sind rauh: Viele Komponenten müssten nicht nur druckdicht sein, gefordert würde von den Kunden chemische Resistenz gegen aggressive Betriebsflüssigkeiten sowie erhöhte Temperaturbeständigkeit.
„Anfänglich gab es keine Werkstoffe, um solche Prototypen durch Lasersintern herzustellen. Das war für uns eine schmerzliche Lücke in unserem Angebot, denn als Komplettdienstleister im Bereich Kunststoff-Formenbau gehört für uns die schnelle Versorgung unserer Kunden mit Prototypen untrennbar zum Gesamtpaket“, so Jürgen Sauer. Seine Firma gehört nach eigenen Angaben zu den ersten Anwendern der Laser-Sinter-Technologie in Deutschland: Schon 1994 war eine erste Sinterstation von DTM in Hilden im Einsatz. Während man im Bereich „starrer“ Kunststoffe keine Probleme habe, die entsprechenden Prototypen-Wünsche kurzfristig zu erfüllen, musste man bei gummielastischen Teilen in den ersten Jahren passen.
„Beim Lasersintern lässt sich eine gewisse Porosität des Materials einfach nicht vermeiden,“ betont der Geschäftsführer. Deshalb seien solche Prototypen nicht ausreichend flüssigkeits- und druckdicht gewesen und hätten nicht in entsprechenden Leitungssystemen eingesetzt werden können. Schon vor Jahren habe man daher nach Möglichkeiten gesucht, die Prototypen durch nachträgliches Tränken mit geeigneten Substanzen abzudichten. Die nach längerer Suche gefundene Lösung habe sich jedoch als wenig praktikabel erwiesen. Mit dem Infiltrat habe man zwar teilweise dichte Bauteile erzeugen können, doch sei das Ergebnis der Behandlung nicht ausreichend reproduzierbar gewesen, so dass es zu zahlreichen Ausfällen kam. Eines der wesentlichsten Handicaps der Flüssigkeit war ihre hohe Viskosität. Aufgrund dessen drang sie nicht in filigrane, enge Hohlräume ein, so dass diese nur von außen abgedichtet werden konnten. Trotz großer Anstrengungen sei man mit dieser Lösung nicht zufrieden gewesen.
„Wir haben uns deshalb mit DTM in Verbindung gesetzt, das Problem geschildert und angeregt, einen passenden Werkstoff ins Angebot aufzunehmen,“ so Jürgen Sauer. Im Mai 1999 habe DTM dann eine neue Lösung präsentiert, ein dünnflüssiges Polymer-Infiltrat auf Polyurethan-Basis. Durch die Infiltration werden die Teile flüssigkeitsdicht und weisen erheblich verbesserte Bruchfestigkeit, höhere Verschleiß- und Widerstandsfähigkeit sowie verbesserte Oberflächenqualität auf, hebt man in Dieburg hervor. Zudem könnten die Prototypen damit in jeder beliebigen Farbe eingefärbt werden. „Mit der Einführung eines solchen Werkstoffs allein ist jedoch nicht getan. Die tatsächlichen Möglichkeiten und Grenzen sind nur im praktischen Einsatz auszuloten,“ weiß Geschäftsführer Sauer. Aufgrund der aktiven Rolle seiner Firma auf diesem Gebiet sei man mit DTM übereingekommen, das neue Material als Beta–Tester in praktischen Versuchen zu erproben.
„Als erstes war zu klären, mit welcher Behandlung ein Bauteil druckdicht zu machen war“, erläutert Robert Wütscher, bei Sauer Product für die Versuchsdurchführung verantwortlich. Die Infiltration selbst, darüber war man sich schon vorab im Klaren, musste auf jeden Fall unter Vakuum stattfinden, um störende Lufteinschlüsse in den Poren des Elastomers zu vermeiden. Als Testkörper wurde eine ovale Flasche mit einer Höhe von 120 mm gewählt, die in verschiedenen Wanddicken ausgeführt wurde. Zur Prüfung der Dichtheit wurden die Testkörper unter Wasser mit Druck beaufschlagt. Mehrere Versuche mit Bauteilen unterschiedlicher Wanddicke ergaben, dass erst eine zweimalige Tränkungsbehandlung optimale Ergebnisse ermöglicht. Nur einmal getränkte Bauteile waren teils von vornherein undicht, teils begann die Bildung von Luftblasen deutlich unterhalb der Werte, die mit dem gleichen Testgefäß nach zweimaliger Infiltrationsbehandlung erreicht wurden.
„Als nächstes interessierte uns natürlich, welche chemische Beständigkeit der Verbund aufweist“, setzt Robert Wütscher hinzu. Zunächst wurde die chemische Beständigkeit der Probekörper gegenüber verschiedenen Substanzen überprüft. Hierfür wurde die jeweilige Chemikalie für 4 h in die Testflasche gefüllt, ohne diese zu bewegen oder unter Druck zu setzen. Dabei zeigte der Verbund gute Beständigkeit gegen Wasser, Motoröl und Kühlflüssigkeit. Weniger gut war das Ergebnis bei Benzin zwar zeigte das Infiltrat während der Versuchsdauer keine Reaktion mit dem Benzin, doch saugte sich das Bauteil mit Treibstoff voll. Eindeutig abzuraten ist nach den Testerfahrungen von Aceton-Einsatz oder acetonhaltigen Verdünnern, in beiden Fällen wurde das Infiltrat aufgelöst, und das Bauteil saugte sich mit Flüssigkeit voll.
„Schon bei den ersten Experimenten war zu erkennen, dass die Wanddicke des Prototypen einen deutlichen Einfluß auf die Höhe des Drucks hat, den das Bauteil maximal aushalten kann,“ ergänzt Wütscher. Um dies genauer zu überprüfen, habe man eine Reihe von Testkörpern mit unterschiedlichen Wanddicken hergestellt und geprüft. Dabei ergab sich, dass der Zusammenhang zwischen Wanddicke und Maximaldruck nahezu linear war. Noch mehr Druck hielt ein schlauchförmiger Testkörper mit einer Wanddicke von 3,5 mm aus. Beim Versuch, seine Berstgrenze zu ermitteln, ging die Nadel am Manometer problemlos bis 7 bar hoch – „und wurde dann gestoppt, denn noch mehr Druck aufzugeben erschien uns dann zu riskant,“ gesteht der Prototypen-Tester.
„Gerade für Versuche im Motorraum interessiert natürlich auch die Temperaturbeständigkeit der eingesetzten Bauteile“, betont Robert Wütscher. Deshalb habe man die Probekörper stufenweise jeweils über 30 min erhöhten Temperaturen von 100° C bis 150° C ausgesetzt und anschließend auf ihre Druckdichtheit geprüft. Obwohl die oberste Temperaturstufe schon recht dicht an der Schmelztemperatur (159° C) lag, wirkte sich diese Wärmebehandlung teilweise sogar positiv auf die Dichtheit der Probekörper aus. So versagte ein Probekörper, der nur 1,5 bar ausgehalten hatte, nach der Behandlung bei 150° C erst bei einem Druck von 2 bar.
„Diese Ergebnisse stimmen uns durchaus optimistisch,“ verrät Jürgen Sauer. Mit dem neuen Infiltrat sei es möglich, eine deutliche Lücke im bisherigen Angebot an Prototypen zu schließen und lasergesinterte Elastomer-Prototypen in druckdichter Ausführung anzubieten. Mittlerweile seien auch schon erste „reale“ Prototypen angefertigt und von Kunden in Feldversuchen getestet worden. KLAUS VOLLRATH
Jürgen Sauer: „Durch die Infiltration mit der Polymerlösung werden die Teile druckdicht bei deutlich erhöhter Bruchfestigkeit.“
Ob Schlauchführung oder Dichtungselement: Auch die Laserleistung der Sinterstation hat erheblichen Einfluss auf die mechanische Qualität der Prototypen.

Von Klaus Vollrath
Von Klaus Vollrath

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