Rapid-Prototyping-Bauteile mit dünnwandiger Hülle aus Metall Feste Schale, komplexer Kern - KEM

Rapid-Prototyping-Bauteile mit dünnwandiger Hülle aus Metall

Feste Schale, komplexer Kern

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Ein Ansatz zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von generativ hergestellten Bauteilen ist das Umhüllen mit einer dünnwandigen Metallschale. Ziel ist unter anderem eine erhöhte Energieaufnahme bei Bruch sowie die Erhöhung von Festigkeit und E-Modul.

Moderne Rapid-Verfahren ermöglichen die ressourcenschonende und kostengünstige Fertigung hochkomplexer und leichter Bauteile: Interne Verstrebungen sind durch den schichtweisen Aufbau verhältnismäßig einfach und verursachen keine Zusatzkosten. Zudem sind nicht nur Prototypen herstellbar; es lassen sich auch direkt, also ohne Werkzeug, fertige Bauteile in kleinen Serien anfertigen.

Durch Stereolithografie oder Lasersintern aufgebaute Bauteile aus polymeren Werkstoffen verfügen jedoch oft nur über eine unzureichende Festigkeit und sind – im Fall der Stereolithografie – teilsspröde und damit schlagempfindlich. Zudem haben sie häufig anisotrope, von der Lage im Bauraum abhängige mechanische Eigenschaften. /1/; /2/
Mechanisch feste Hülle für Rapid-Bauteile
Deshalb arbeitet das Fraunhofer IPA aktuell an einem Prozess, durch den Rapid-Prototyping-Bauteile mit einer dünnwandigen, mechanisch festen Metallhülle umschlossen werden. Diese Hülle wird galvanisch aufgebracht und basiert auf Verfahren, die bereits seit langem aus der Galvanoformung bekannt sind. Durch Abwandlung und Weiterentwicklung bestehender Galvanoformungsprozesse steht jetzt ein Verfahren zur Verfügung, welches auf die speziellen Anforderungen der Umhüllung von Rapid-Prototyping-Bauteilen angepasst ist. Wichtig ist die Entwicklung eines einfachen und robusten Prozesses, der den Bedürfnissen im Hinblick auf die gestalterische Freiheit der Konstrukteure Rechnung trägt.
Ein weiteres Ziel des Verfahrens ist die Integration des Prozessschritts der Metallumhüllung in die Fertigung konventioneller Rapid-Prototyping-Bauteile. Dazu wird am Fraunhofer IPA an einem elektrochemischen Prozess gearbeitet, durch den eine möglichst schnelle, energieeffiziente, ressourcenschonende und gleichmäßige Umhüllung generativ gefertigter, polymerer Werkstücke möglich ist. Denkbar dafür sind Verfahren auf Basis von Nickel- oder Nickel-Eisen-Elektrolyten. Da diese elektrochemischen Prozesse rein auftragend arbeiten und damit keine Zerspanung notwendig ist, werden nahezu 100 % des eingesetzten Metalls verwendet. Die Energieeffizienz bei galvanischen Nickelelektrolyten und nickelbasierenden Elektrolyten liegt in der Regel bei deutlich über 90 %.
Beschichten ohne Blendentechnik
Um kleine Serien oder einzelne Werkstücke mit komplexen Geometrien möglichst gleichmäßig mit einer metallischen Hülle zu deren Stabilisierung umschließen zu können, ist das zusätzliche Anbringen von Blenden bei der galvanischen Metallabscheidung ein deutlicher Kostentreiber. Es ist daher wünschenswert, dass die Bauteile ohne zusätzlichen manuellen Aufwand direkt und ohne zusätzliche Blendentechnik beschichtet werden können.
Um dies erreichen zu können, ist die Entwicklung eines galvanischen Elektrolyts, welches einen möglichst stromdichteunabhängigen Schichtauftrag bietet, erforderlich. Hier bieten sich vor allem elektrochemische Elektrolyte auf Basis von Nickel oder Nickel-Eisen an. Diese zeichnen sich schon in ihrer Grundkonfiguration durch gute Streufähigkeit aus. Das bedeutet, dass auch Bereiche, die aufgrund der Geometrie des zu beschichtenden Bauteils nur eine niedere Stromdichte haben, noch galvanisch beschichtete werden können. Elektrolyte auf Basis von Nickel werden aktuell zur Galvanoformung eingesetzt, da sich das Material durch hohe Härte sowie gute Korrosions- und Chemiekalienbeständigkeit auszeichnet.
Generell kann das Verfahren immer dann eingesetzt werden, wenn konventionell gefertigte Rapid-Prototyping-Bauteile nicht über die erforderlichen mechanischen Eigenschaften verfügen. Dies ist oft bei der Erprobung von Anbauteilen in der Automobilentwicklung oder beim Test von mechanischen Komponenten der Fall.
Gewicht hochdynamischer Komponenten senken
Die neuen Bauteile lassen sich aber auch als fertige, mechanische Komponenten überall dort einsetzen, wo kleine Stückzahlen und hohe geometrische Komplexität konventionelle Fertigungsverfahren teuer machen. Deshalb werden schon heute Rapid-Prototyping-Bauteile in der Automatisierungstechnik als Komponenten verwendet. Die leichten aber gleichzeitig stabilen Bauteile können helfen, das Gewicht hochdynamischer Komponenten zu senken, indem schwerere Komponenten aus Metall durch leichte metallumhüllte Rapid-Prototyping-Bauteile ersetzt werden. Das gesamte Gewicht von Handhabungseinrichtungen sinkt, Antriebe werden kleiner und das gesamte System wird ressourcenschonender, da die mitzubewegende Masse kleiner ist.
Weitere Anwendungen von metallumhüllten Rapid-Prototyping-Bauteilen finden sich in der Luft- und Raumfahrt, bei militärischen Anforderungen und im Rennsport. Ein großes Potenzial bietet das Verfahren bei allen Anwendungen, bei denen kleine Stückzahlen komplexer Bauteile mit niedrigem Gewicht aber gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit erforderlich sind.
/1/ Jain, Prashant K.; Pandey, Pulak M.; Rao, P.V.M: Investigationsforimprovingpartstrength in selectivelasersintering / Experimentelle Untersuchungen zur Verbesserung der Teilefestigkeit beim selektiven Lasersintern. In: Virtual andPhysical Prototyping (Internet) / 2008
/2/ Chockalingam, K. Jawahar, N. Chandrasekhar, U. Influenceoflayerthickness on mechanicalproperties in stereolithographyRapid Prototyping Journal, Band 12 (2006) 2, 106-113 (8 Seiten, 6 Bilder, 7 Tabellen, 23 Quellen)
Online-Info

Start-up: RP-Plating GmbH
Mit den bislang entwickelten Verfahren wurde 2010 die RP-Plating GmbH mit Unterstützung des Fraunhofer IPA’s gegründet. Sie bietet Oberflächentechnik und Verfahren, die auf die Bearbeitung von Rapid-Prototyping zugeschnitten ist. Dazu zählt die metallische Beschichtung generativ gefertigter Bauteile, um deren optische, elektrische und mechanische Eigenschaften zu verbessern.
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