Mit Rapid-Tooling-Verfahren schneller und besser zur Serie

Autoren: Thorsten Hickmann, Geschäftsführer der Wilhelm Eisenhuth GmbH KG aus Osterode, und Eric Klemp, Doktorant an der Universität Clausthal

Nur in den seltensten Fällen generieren RP-Verfahren im ersten Schritt schon Bauteile mit serienidentischen Eigenschaften. Um solch einen Prototypen oder ein Muster zu erhalten, bedarf es eines weiteren Schrittes, des sogenannten Rapid Tooling (RT). Hierunter versteht man jede Methode oder Technologie, die es dem Anwender ermöglicht, metallische Werkzeuge, direkt erstellte Formen oder deren Prototypen schnell zu generieren.

Die Vorteile bestehen nicht nur in einer kürzeren Entwicklungszeit, kombiniert mit frühzeitiger Fehlererkennung, es lassen sich auch erhebliche Kosten einsparen. Dabei gilt die Regel: Je komplexer die Geometrie, desto erfolgreicher ist der Einsatz von Rapid Tooling.

Der Wunsch nach RT-Werkzeugen, aus denen der Anwender Kleinserien ohne aufwendig gefertigte Stahlwerkzeuge produzieren kann, eröffnet neue Möglichkeiten, zeigt im Gegenzug aber auch den Stand der Entwicklung. Nur mit viel Erfahrung lassen sich diese Tools erfolgreich für große Stückzahlen einsetzen. Beim Spritzgießen von Thermoplasten zeigt es sich, dass Kleinserien bis zu mehreren 10000 Teilen produziert werden können, bei Elastomeren liegt die Menge deutlich darunter. Begrenzt ist die Produktivität durch das Verschleißverhalten der Lasereinsätze. Dies liegt an den verfügbaren Werkstoffen der Werkzeuge, die nicht mit denen im Formenbau üblichen gehärteten Stählen vergleichbar sind.

Bei den bisherigen Anwendungen entsteht – bedingt durch den auf Pulver basierenden generativen Herstellungsprozess – eine Oberfläche, die eine Rauigkeit des Sinterpulvers (bisher: RZ = 50 µm) aufweist. Vor dem Einsatz als Form muss daher manuell nachbearbeitet werden. Zudem ist prozessbedingt eine Restporosität (bisher etwa 30 %) unvermeidbar, so dass hier die Gründe für ein frühzeitiges Versagen der Form zu finden sind.

Prinzipiell sind verbesserte Oberflächen und optimierte interne Strukturen ein erfolgversprechender Ansatz, um die Qualität der Bauteile zu verbessern. Hier verspricht das seit Kurzem verfügbare Lasersinterpulver Direct Steel 20 der Planegger EOS GmbH, dieses Manko zu beheben. Durch das 20 µm feine Pulver ist es jetzt möglich, die Oberflächengüte soweit zu verbessern, dass der Aufwand für händische Nacharbeit drastisch reduziert werden konnte und auch die innere Porosität auf etwa 3 % gesunken ist.

Um die Standfestigkeit zu erhöhen, hat die Wilhelm Eisenhuth GmbH KG aus Osterode auf Basis des Direkten-Metal-Laser-Sinterns (DMLS) verschiedene Werkstoffe untersucht, die salzbadnitriert, plasma-nitriert und kurzgasnitriert wurden. Im anschließenden Versuch unter realen Prozessbedingungen wurden diese getestet und metallurgisch untersucht.

Ziel war es, die Härte und damit die Verschleißfestigkeit der Oberflächen zu verbessern. Dieses geschieht beim Nitrierhärten durch die Diffusion von atomarem Stickstoff in die Werkstückoberfläche. Es bilden sich harte, chemisch und thermisch sehr beständige Nitride, die in feinverteilter Form hohe und gleichmäßige Härtewerte ergeben und damit in der Regel eine hohe Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen ermöglichen.

Die feineren Oberflächen und die deutliche Härtesteigerung ergeben viel höhere Standzeiten. Die Untersuchungen belegen, dass sich die Oberfläche durch das Härten verdichtet, so dass die Rautiefe ebenfalls verbessert wird. Dadurch ist auch die Nacharbeit weitaus geringer.

Damit wird die Lücke zwischen Prototypherstellung und Serienproduktion geschlossen, da nunmehr Stückzahlen bis zu 100000 Bauteile für die gebräuchlichsten Werkstoffe möglich sind.