Mit der Technik des Direkten Metall-LaserSinterns (DMLS) lassen sich Schichtdicken von nur noch 20 µm realisieren. Die feineren Oberflächen ermöglicht der im Sommer erhältliche Werkstoff Direct Steel 20-V1.
Elke Fritz ist Mitarbeiterin bei der EOS GmbH in Planegg
Das Lasersintern hat sich als Rapid-Prototyping- (RP)-Verfahren für die schnellere und effizientere Gestaltung von Entwicklungsprozessen in der Praxis weitgehend etabliert. Seit einigen Monaten – bedingt durch weitere Verfahrensverbesserungen – wird die Technik nicht mehr allein für die Produktentwicklung eingesetzt, sondern zunehmend auch als Losgrößen-angepasstes Fertigungsverfahren gesehen. Lasersintern wird für die Fertigung des endgültigen Bauteils relevant! Das bedeutet, für gewisse Losgrößen ist die Laser-Sinter-Technik nicht nur unter Lieferzeit- und Qualitätsgesichtspunkten, sondern auch unter Kostengesichtspunkten konventionellen Fertigungsverfahren gleichwertig oder sogar überlegen.
Zur letztjährigen Messe Euromold hat die EOS GmbH aus Planegg erstmals die Doppel-Laser-Anlage Eosint P 700 vorgestellt. Sie macht mit ihrer hohen Produktivität den Einsatz für die Fertigung von Funktionsbauteilen aus Kunststoff rentabel. Abhängig von Bauteilgeometrie und -größe lassen sich Kunststoffteile in Stückzahlen von mehreren 1000 schneller oder kostengünstiger fertigen als auf dem konventionellen Weg. Pioniere und absolute Experten in Sachen Kunststofflasersintern wie etwa Modellbau Bubeck GmbH in Weilimdorf bei Stuttgart und die FKM Sintertechnik GmbH in Biedenkopf-Breidenstein haben dieses Potenzial frühzeitig erkannt und nutzen es bereits. Beide haben nach ihren positiven Erfahrungen mit ihrer Vorserienanlage des Typs P 700 noch vor dem offiziellen Serienstart eine zweite Anlage mit Doppellaser geordert.
Ein Blick in die Maschine liefert interessante Details: Die Eosint P 700 fertigt Schicht für Schicht direkt aus CAD-Daten und in einem einzigen Prozess voll funktionsfähige Kunststoffteile (Direct Part) und Feingussmodelle (Direct Pattern) in beliebiger Komplexität. Auf Grund ihres für RP-Anlagen einzigartigen Bauraums von 700 mm x 380 mm x 580 mm können mit dieser Anlage selbst größere Bauteile innerhalb von wenigen Stunden realisiert werden. Da sich diese auch horizontal ausrichten lassen, wird die Anzahl der zu bauenden Schichten um ein Vielfaches verringert und so der gesamte Prozess deutlich verkürzt. Und bei kleinen Bauteilen liefert die Eosint P 700 noch weitere Vorteile: Über 1000 Stück lassen sich gleichzeitig in einem einzigen Sinterprozess und damit schnell und rentabel fertigen.
Der Werkzeugbau nutzt bereits die Möglichkeiten der Kleinserienfertigung, indem er das Direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS) einsetzt. Bei dieser Technologie werden Werkzeuge direkt aus den CAD-Daten gesintert und anschließend beispielsweise für den Spritzguss von mehreren Zehntausend serienidentischer Kunststoffteile verwendet. Auch diese Vorgehensweise spart Zeit und Geld sowohl in der Produktentwicklung als auch in der Herstellung von Endprodukten, wenn – wie im nachfolgenden Praxisbeispiel dargestellt – geringe Stückzahlen vom Kunden benötigt werden.
Spectra Precision, führendes schwedischen Unternehmen für Vermessungstechnik, hat die Firma Sintoform beauftragt, Prototypen von spritzgegossenen Gehäusen für einen Laserstrahl-Reflektor anzufertigen. Eine kleine Serie sollte folgen. Bei diesem Reflektor handelt es sich um ein speziell von Spectra Precision entwickeltes neues Produkt für die Vermessung von Baustellen.
Im Gegensatz zu früher wird der neue Reflektor heute auf Baustellenfahrzeuge montiert. An die zweigeteilten, spritzgegossenen Gehäuse mit insgesamt sechs optischen Prismen werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Die beiden Hälften müssen exakt aufeinander passen und die Prismen fixieren, damit der Reflektor auch bei unebenem Untergrund zuverlässig funktioniert. Die Anfertigung eines Stahlwerkzeuges war angesichts der geplanten kleinen Produktionsmenge zu teuer gewesen. Sintoform fertigte zunächst etwa 20 Prototypen per Vakuumguss. Dabei musste die Geometrie vereinfacht werden, um die Entformbarkeit der Gehäuseteile mit dieser Technik zu verbessern. Für die anschließend benötigte erste Produktionsserie von 400 Stück erwies sich der Vakuumguss jedoch auch als zu kostspielig. Daraufhin optimierte Sintoform die Geometrie und fertigte das Werkzeug direkt aus Direct Metal 50-V2 auf ihrer Anlage Eosint M 250 Xtended. Verglichen mit dem Vakuumguss reduzierten sich die Kosten um 75 %. Das Produkt wird inzwischen von Spectra Precision kommerziell vertrieben und auf Baustellen erfolgreich eingesetzt.
Als die DMLS-Technik 1995 auf den Markt gebracht wurde, war die Schichtdicke von 100 µm bereits eine der Feinsten beim Rapid Prototyping. Schon zwei Jahre später wurde die Schichtdicke um die Hälfte reduziert, was die Einsatzmöglichkeiten deutlich erhöhte. Im Allgemeinen reicht die damit erzielte Maßhaltigkeit ohne Nachbearbeitung aus. Viele Anwendungen erfordern jedoch ein gewisses Maß an Oberflächenfinish. Um diesen Aufwand so gering wie möglich zu halten, hat EOS einen neuen Metallwerkstoff entwickelt. Das stahlbasierte Pulver Direct Steel 20-V1 ermöglicht Schichtdicken von 20 µm und damit eine optimierte Detailauflösung. Die so gebauten Teile weisen eine Oberflächengüte auf, die ohne Polieren nach kurzem Micro Shot Peening für den Einsatz im Spritzguss ausreichen kann. Die Oberfläche gleicht den häufig für Kunststoff-Spritzgussteile verwendeten strukturierten Konturoberflächen, die konventionell mittels Erodieren oder Ätzen erzeugt werden.
Im Rahmen eines Projektes des Rapid Manufacturing Consortiums der De Montfort University of Leicester/ England stellte der schwedische Automobilkonzern Volvo Car Corporation zusammen mit der Universität den neuen stahlbasierten Werkstoff Direct Steel 20-V1 auf die Probe. Die Aufgabe war es, repräsentative Spritzgussteile mit einem Werkzeug zu fertigen, das direkt aus der Eosint-M- Laser-Sinter-Anlage kommt. So wollten die Verantwortlichen keine Zeit für eine aufwändige Nachbearbeitung wie etwa Schleifen oder Polieren verlieren. Kern und Kavität wurden daher aus dem neuen Werkstoff Direct Steel 20-V1 aufgebaut, per Micro Shot Peening in etwa einer Stunde oberflächenveredelt, in ein Stammwerkzeug eingepasst und für den Spritzguss verwendet. Wurde Polypropylen als Spritzgusswerkstoff verwendet, konnte auf Auswerfer verzichtet werden.
An jedem Werkzeugeinsatz nahmen die Forscher sechs verschiedene Maße, die eine maximale Abweichung von 0,068 mm und eine durchnittliche Abweichung von 0,032 mm ergaben. Die Werte spiegeln einen Toleranzbereich wider, der für viele Anwendungen ausreicht. Ab Sommer diesen Jahres ist Direct Steel 20-V1 verfügbar.
Die am Beispiel eines Spritzgusswerkzeuges nachgewiesene Genauigkeit und Oberflächengüte lässt sich auch auf den Druckguss übertragen. Dass sich stahlbasierte Werkstoffe grundsätzlich eignen, um Druckgussteile aus Zink, Magnesium oder Aluminium herzustellen, wurde bereits in verschiedenen Projekten mit Direct Steel 50-V1 unter Beweis gestellt, der eine Zugfestigkeit von 500 N/mm3 aufweist.
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