Stereolithographie (SLA) Austauschbare Dornwerkzeuge dank additiver Fertigung

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Mithilfe des SLA-Materials lassen sich austauschbare Dorne mit großer, komplexer Form anfertigen. Welche Eigenschaften genau gestalten die Technologie als so nützlich?

In einer Welt, in der Effizienzsteigerung auf vielen Ebenen zunehmend an Bedeutung gewinnt – vom Energieverbrauch bis zur Materialauswahl in der Fertigung – werden immer häufiger Leichtbauwerkstoffe eingesetzt. Das gilt sowohl für Struktur- als auch für Funktionsbauteile. Kohlefaser ist einer dieser Leichtbauwerkstoffe. Zum einen zeichnet sich dieser durch seine Konstruktionsfestigkeit aus, die erreicht wird, indem die Faser-beziehungsweise Geweberichtung und die Matrixharze gezielt gesteuet wird. Kombiniert mit seinem Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist Kohlefaser ein attraktives Material für Produktionsanwendungen. Früher wurden Kohlefaserverbundwerkstoffe überwiegend in High-End-Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Motorsport und Sportausrüstung eingesetzt. Da Produktionsverfahren zunehmend rationalisiert werden und man einen besseren Überblick über die Kostenfaktoren erhält, werden sie mittlerweile jedoch auch für Standardprodukte verwendet.

Komplexe, geschlossene Geometrien

Der Produktionsweg für einfache Teilegeometrien aus Kohlefaser ist natürlich erprobt, getestet und bekannt. Der Schwerpunkt liegt nun auf der Entwicklung von Produktionsabläufen für komplexere Teile wie Freiformrohre, welche eine ungerade Form aufweisen. Hierbei umschließt der Kohlenstoffteil das Umformwerkzeug oder den Dorn.

Ein Werkzeug oder ein Dorn kann alles sein, was dem Herstellungsprozess und auch zum Beispiel einem Über- oder Unterdruck, chemischen Angriffen und Hitze standhält. Metall ist das widerstandsfähigste Material – aber nicht unbedingt das billigste oder schnellste. Andere Materialien wie Holz, Werkzeugbretter, Silikon und Gummiblasen stellen eine günstigere, schnellere Alternative dar, sind aber wenig langlebig. Alle genannten Materialien sind eine gute Wahl für die meisten geschlossenen Geometrien. Aber was ist, wenn das Teil so komplex ist, dass es nicht möglich ist, den Dorn in einem Stück herauszunehmen? Dann braucht es ein Material, dessen Form beim Herausnehmen vorübergehend verändert oder bei Bedarf sogar ausgelöst werden kann.

Stereolithografie (SLA)

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Nützlichkeit der Stereolithographie

Die meisten austauschbaren Dorne haben unter anderem den Nachteil, sich nur schwer sauber und effizient entfernen zu lassen. Bei löslichen Dornen und manchen 3D-Druck-Materialien kann es sich als sehr aufwendig gestalten, Teile nachzubearbeiten oder das Werkzeug zu entfernen. Eine Anwendung, die sich aktuell in Entwicklung befindet, ist der Einsatz von Teilen, die mittels Stereolithographie (SLA) hergestellt werden. Die mechanischen Eigenschaften dieser Teile ermöglichen es, große, komplexe Formen, die als austauschbare Einweg-Werkzeuge verwendet werden, anzufertigen. Die Eigenschaften des SLA-Materials sind bei dieser Anwendung ein wichtiger Faktor. Während die Kohlenstofffasern angelegt werden und die Aushärtung erfolgt, muss das SLA-Material steif sein. Anschließend, wenn der Dorn entfernt wird, sollte es dann eine elastische Konsistenz besitzen. Das Material und die Anwendung wurden speziell entwickelt, um die Vorteile der SLA-Technologie nutzen zu können.

Die SLA-Technologie kann in Kombination mit diesem innovativen Werkstoff für beide Methoden der Werkzeugherstellung eingesetzt werden: Zum einen für blasenartige Dorne mit einem externen Werkzeug (äußere Formlinie), wobei die Blase bei Umgebungstemperatur starr ist. Zum anderen bei starren Werkzeugen für den Vakuumaufbau (innere Formlinie). Der Unterschied verschwimmt, wenn man bedenkt, dass das Erweichungsverhalten des abnehmbaren Dorns durch eine geänderte Wandstärke gesteuert werden kann.

Die einzigartigen Werkstoffe besitzen interessante Eigenschaftskombinationen und ein ständig wachsendes Anwendungswissen. Somit bietet sich die Möglichkeit, die hochwertige Oberflächengüte von SLA-Teilen zu nutzen, um vollständig verfestigte Kohlenstoffteile mit hervorragender Oberflächenqualität herzustellen.

* Martijn Vanloffelt ist Director, Application Innovation Group bei 3D Systems

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