Rapid Manufacturing Optimiertes Verfahren: Prototyping für filigrane Teile

Autor / Redakteur: Volker Müller, Steffen Hachtel* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Anspruchsvolle und filigrane Bauteile auf Basis von teilkristallinen Kunststoffen in hoher Qualität, seriennah und kostengünstig herzustellen, war bisher nur ungenügend umsetzbar. Nachdem Jacob und Hachtel das Kleinserien-Spritzgussverfahren optimiert haben, bieten sie dies als Dienstleistungsalternative zu konventionellen Rapid-Manufacturing-Verfahren an. .

Firmen zum Thema

3D CAD-Modell des Klemmkorbs einer Jacob Kabelverschraubung. Die filigranen Strukturen lassen sich mit konventionellem Rapid-Prototyping nur ungenügend modellieren.
3D CAD-Modell des Klemmkorbs einer Jacob Kabelverschraubung. Die filigranen Strukturen lassen sich mit konventionellem Rapid-Prototyping nur ungenügend modellieren.
(Bild: Jacob)

Time-to-Market ist in der Produktneu- und -weiterentwicklung ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Allen erfolgreichen Entwicklungsprojekten ist gemeinsam, dass bereits in frühen Stadien die angestrebten Produkteigenschaften anhand von Prototypen erwogen und abgesichert werden konnten. Je ähnlicher die Prototypen den Serienbauteilen sind, desto besser können die Eigenschaften, das Bauteilverhalten sowie das spätere Handling erprobt werden. Hierzu zählen auch der effektive und abfallvermindernde Materialeinsatz und die Darstellung unterschiedliche Kundenanforderungen.

Kein Wunder hat sich der schnelle Prototypenbau von Kunststoff-Bauteilen sehr erfolgreich am Markt etabliert. Neben dem Erstellen von Modellen als Anschauungsmuster, können diese als Urform für spätere Abguss-Verfahren eingesetzt werden. Es gibt eine Vielzahl von Fertigungsverfahren, die unter dem Begriff Rapid Manufacturing zusammengefasst werden. Ziel ist dabei nicht nur die Erstellung von Prototypen, als vielmehr die seriennahe Fertigung von funktionalen Bauteilen.

Bildergalerie

Grenzen des Rapid Manufacturing

Die beim Rapid Manufacturing (RM) heute verwendeten Verfahren vom Multi Jet Modeling (MJM), über den Polyamidguss bis hin zum Selektiven Lasersintern (SLS) haben jedoch einen ganz entscheidenden Nachteil: Bei der Fertigung komplexer und filigraner Kunststoffteile auf der Basis von teilkristallinen Kunststoffen, zum Beispiel Polyamid (PA), stoßen diese Verfahren an ihre technischen Grenzen und zu ungenügenden Ergebnissen. Die gefertigten Kleinserien werden ungenau produziert, die Oberflächen sind nach dem Erstarren der Schmelze porös. Die Abweichungen von den CAD-Modell-Vorgaben sind teilweise erheblich. Von einer seriennahen Fertigung kann keine Rede sein. Rückschlüsse auf die spätere Serienfertigung können auf Basis dieser Prototypen nur sehr eingeschränkt gemacht werden.

Die Firma Jacob aus Kernen als Anbieter elektrotechnischer Anwendungen wie beispielsweise Kabelverschraubungen, setzte bislang entsprechend diverse Prototyping-Verfahren ein. Da hier ein großer Anteil technischer Kunststoffe, genauer gesagt teilkristalliner Kunststoffe verarbeitet wird, musste teilweise mit sehr unbefriedigenden Prototyping-Ergebnissen gearbeitet werden.

Prototyping-Neuland betreten mit dem Kleinserien-Spritzgussverfahren

Vor diesem Hintergrund hatte Jacob zusammen mit Hachtel aus Aalen ein gemeinsames Prototyping-Projekt für die Produktion eines Klemmenkorbs einer Kabelverschraubung gestartet. Das erklärte Ziel der beiden Unternehmen war es, in kürzester Frist prüffähige Teile zu einem vernünftigen Preis zu erhalten. Hachtel entwickelte hierzu das manuelle Kleinserien-Spritzgussverfahren weiter. Das Ergebnis ist vielversprechend und kann zeit- und kostenmäßig mit klassischen Prototyping-Verfahren mithalten. Im ersten Projektdurchlauf wurde nicht nur der angestrebte Zeitrahmen von zweieinhalb Wochen eingehalten, auch der Kostenrahmen von 3.000 Euro zur Erstellung des Werkzeugs wurde unterboten. 100 Bauteile wurden unter Verwendung des vorgegebenen, ungefüllten Polyamids ohne relevanten Verschleiß produziert. Eine mittels 3D-Scans durchgeführte Teilevermessung zeigte Abweichungen der Teile gegen das 3D-Modell von weniger als 0,1 mm.

Prototyping im Kleinserien-Spritzgussverfahren als Dienstleistung

Jacob und Hachtel bieten das neue Verfahren als zeitnahe Dienstleistung an. Schluss mit Lösungen, die nicht die 100 Prozent sind. Und damit wirtschaftlich interessante Lösungen für kleine Stückzahlen mit kurze Entwicklungszeiten anzubieten.

Auf der Basis des von Hachtel weiterentwickelten manuellen Kleinserien-Spritzgussverfahren ist es also gelungen unter Rapid Manufacturing Bedingungen eine seriennahe Baureihe, mit 100 Stück Ausbringung in kürzester Zeit und kostengünstig zu realisieren. Jedoch mit dem entscheidenden Vorteil, dass sich das Verfahren auch für teilkristalline Kunststoffe und hochkomplexe Kunststoffteile eignet. In dieser Form bietet das Hachtel-Kleinserien-Spritzgussverfahren durchaus eine Alternative zu den werkzeugfreien 3D-Prototypingverfahren. Perspektivisch lässt sich das Verfahren noch weiter zeitoptimieren: in einzelnen Prozessschritten, wie zum Beispiel Beauftragung und Bereitstellung steckt durchaus Potenzial. Für viele F & E-Abteilungen in der kunststoffverarbeitenden Industrie dürfte sich also in Punkto Prototyping in den nächsten Jahren noch einiges tun.

* Volker Müller, Leiter Entwicklung bei Jacob GmbH – Elektrotechnische Fabrik & Steffen Hachtel, Geschäftsführer der F. & G. Hachtel GmbH & Co. KG

(ID:44207246)