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Effizientes Rapid Tooling mit Hilfe von 3D-Druck [Weihnachtsedition]

by Jochen Schmidt

Der 3D-Druck ist das optimale Verfahren, um in kurzer Zeit den Schritt vom CAD-Modell zum leistungsfähigen Faserverbundbauteil zu machen. Sowohl beim 3D-Druck als auch bei der Faserverbundfertigung steht eine breite Palette an Verfahren und Materialien zur Verfügung. Die Anforderungen an das Faserverbundbauteil bestimmen dabei die Auswahl und die Abstimmung der einzelnen Prozessschritte. Die wichtigsten Kriterien sind hier die gewünschte Oberflächenqualität, die geforderte Maßhaltigkeit und die Temperaturbeständigkeit.

P1010848_2Abbildung: Im Prepregverfahren gefertigtes Rohrleitungsstück mit 3D-gedrucktem, dreiteiligen Formkern
 

Inhaltsverzeichnis

  1.  Rapid Tooling mit 3D-Druck
  2.  Die Prozesskette
  3.  Option 1: Direkte Fertigung im 3D-gedruckten Werkzeug
  4.  Option 2: Fertigung mit Zwischenschritt über ein beständigeres Modell
  5.  Fazit

Rapid Tooling mit 3D-Druck

Rapid Tooling mit der Hilfe von 3D-Druck bietet eine kostengünstige und dabei extrem flexible Prozessfolge, welche es ermöglicht innovative Faserverbundbauteile innerhalb kürzester Zeit auf Basis von CAD-Modellen herzustellen. Die daraus resultierenden Bauteile stehen auf konventionellem Wege hergestellten Komponenten dabei in nichts nach. 

Die Prozesskette

Startet man mit den CAD-Daten des Faserverbundbauteils, so stehen grundsätzlich zwei Wege zur Verfügung. Zum einen ist es möglich, das Bauteil direkt aus einem 3D-gedruckten Werkzeug abzuformen, zum anderen kann über einen Zwischenschritt ein widerstandsfähigeres Werkzeug von einem 3D-gedruckten Urmodell abgenommen werden. Die folgende Abbildung zeigt diese beiden Wege und die dabei anwendbaren Verfahren und Materialien.

Hintsteiner_Prozesskette_RapidTooling_3D-Druck

Abbildung: Der beste und effizienteste Weg von den CAD-Daten zur Faserverbundkomponente ergibt sich aus den Anforderungen an das spätere Bauteil.

Option 1: Direkte Fertigung im 3D-gedruckten Werkzeug

Wird eine hohe Geometrietreue gefordert, so ist es beispielsweise sinnvoll, einen Faserverbundfertigungsprozess wie die Vakuuminfusion oder das Handlaminierverfahren zu wählen. Da beide bei Raumtemperatur durchgeführt werden können, spielt der Einfluss der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Verbundwerkstoff und Formwerkzeug kaum eine Rolle. Das bedeutet darüber hinaus auch, dass das Formwerkzeug keine besonders hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen muss. Mit den drei gängigen, in der Grafik aufgelisteten 3D-Druckverfahren könnte man also direkt ein Formwerkzeug für einen solchen Prozess herstellen. Bei der Konstruktion des Werkzeuges ist darauf zu achten, dass die Oberfläche noch versiegelt werden muss, um später das Entformen des Bauteiles zu ermöglichen. Dies kann man durch Lack, eine Kunstharzschicht oder eine selbstklebende Trennfolie erreichen. Soll das 3D-gedruckte Werkzeug für eine Vakuuminfusion genutzt werden, so muss es darüber hinaus natürlich so gestaltet werden, dass es der Druckdifferenz von 1bar im Infusionsprozess standhält.
Je nach Größe und Komplexität kann so in 1-2 Arbeitstagen ein Faserverbundbauteil direkt in einem gedruckten Werkzeug hergestellt werden.

Hintsteiner_3D-gedruckter_Keksausstecher
Abbildung: Rechts im Bild ein Beispiel eines im FDM-Verfahren gefertigten Ausstech-Werkzeuges, welches direkt für die Herstellung von unter erhöhter Temperatur ausgehärteten Bauteilen genutzt werden kann 😉.

Option 2: Fertigung mit Zwischenschritt über ein beständigeres Modell

Für mechanisch und/oder thermisch höher beanspruchte Faserverbundbauteile bietet sich die Herstellung im Prepregverfahren an (Link einfügen). Die Fertigung im Autoklaven ermöglicht zum einen durch den zusätzlich aufgebrachten Druck einen hohen Faservolumenanteil und zum anderen die Aushärtung bei erhöhter Temperatur, welche für temperaturbeständigere Matrixsysteme in der Regel notwendig ist. Daraus ergibt sich allerdings auch die Anforderung, dass das Werkzeug diesen Prozessparametern, also hoher Temperatur bei gleichzeitig hohem Druck, standhalten muss. Selbst speziell dafür ausgelegte Prepregsysteme erfordern immer noch einen Druck von ca. 3 bar bei einer Temperatur von mindestens 80 °C. Die im 3D-Druck üblicherweise verwendeten, bei vergleichsweise niedriger Temperatur schmelzenden Thermoplaste sind dafür eher nicht geeignet.
Einen schnellen und effizienten Weg zum leistungsfähigen Zielbauteil bietet hier das Einfügen eines Zwischenschrittes, wie es in der Abbildung oben gezeigt wird. Von einem, in einem günstigen Druckverfahren hergestellten Form wird bei Raumtemperatur ein Urmodell abgenommen.

Hintsteiner_Silikon-UrmodellAbbildung: Aus Silikon gegossenes Urmodell vor einer im günstigen FDM-Verfahren gedruckten Negativform
 

Dies kann zum Beispiel mit Hilfe von 2K-Silikon geschehen, welches eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit und gleichzeitig sehr gute selbsttrennende Eigenschaften aufweist. Mit dem passenden Silikon ist ein solcher Abformprozess sogar in unter einer Stunde möglich. Durch die Elastizität können dabei auch Hinterschnitte abgebildet werden und die Temperaturbeständigkeit macht es möglich, in einem Standardprozess ein Faserverbundwerkzeug abzuformen. Das folgende Bild zeigt ein solches zweiteiliges Werkzeug aus CFK.

Hintsteiner_2teiligesCFK-WerkzeugAbbildung: Vom Urmodell abgenommene Werkzeughälften aus CFK, rechts befindet sich das Zielbauteil noch im Werkzeug
 

Der entscheidende Vorteil ist hier die Standzeit des Faserverbundwerkzeuges gegenüber einem direkt gedruckten Formwerkzeug. 50-100 Abformungen sind damit problemlos möglich. Das gefinishte Faserverbundbauteil gibt’s übrigens in unserem Weihnachtsgewinnspiel.

Fazit

3D-Druck ist das optimale Werkzeug, um in kürzester Zeit vom CAD-Modell zum Faserverbundbauteil zu gelangen. Im Vergleich zu konventionellen Prozessen wird hier keine spanende Bearbeitung benötigt. Wählt man dabei den Weg über ein Faserverbundwerkzeug, so sind auch Kleinserien problemlos möglich.

Der 3D-Druck bietet große Designfreiheiten bei der Werkzeug- und Urmodellgestaltung, die umsetzbare Bauteilgröße ist jedoch durch den zur Verfügung stehenden Bauraum und die resultierende Druckdauer begrenzt. Größere und komplexere Konstruktionen können aber durchaus aus mehreren separat gedruckten Segmenten zusammengesetzt werden.

Die Maßhaltigkeit der späteren Faserverbundbauteile wird in erster Linie durch thermische Effekte beim Druck beeinflusst. Unsere Erfahrung mit der gesamten Prozesskette und dem 3D-Druck im speziellen ermöglicht es, dass wir ihnen die Parameter individuell für die Anforderungen an ihr Bauteil einstellen können!

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Jochen Schmidt

Composite Engineer | Carbontechnik

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