Rapid Prototyping revolutioniert das Feingussverfahren für Luft- und Raumfahrt, Automobil- und Verteidigungsindustrie

In der Fertigungsindustrie, insbesondere in Schlüsselbranchen wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Automobilbau, bestehen Kernkomponenten überwiegend aus Metallteilen. Ein beträchtlicher Anteil dieser Teile weist asymmetrische, unregelmäßige Freiformflächen oder komplexe Feinstrukturen auf.

Die Herstellung dieser Bauteile erfolgt häufig durch Zerspanung oder Feinguss (Investment Casting). Beim Feinguss werden Meister- oder Übergangsformen benötigt, um Metallteile zu replizieren. Die Konstruktion und Fertigung dieser Formen stellt oft einen Flaschenhals dar, der die Gussproduktion limitiert.

Rapid-Prototyping-Technologien können die für den Feinguss erforderlichen Wachsmuster schnell bereitstellen. Damit werden Probleme des traditionellen Gussprozesses gelöst: lange Vorlaufzeiten für Wachsmuster, hohe Kosten und die Schwierigkeit, komplexe Strukturen wie Freiformflächen herzustellen. Dies steigert Produktionseffizienz und Fertigungsflexibilität erheblich.

Fertigungsprozess der Rapid-Prototyping-Technologie

• Rapid Prototyping Manufacturing (RPM) umfasst Verfahren wie SLS (Selektives Lasersintern), SLA (Stereolithografie) und SLM (Selektives Laserschmelzen). Es integriert moderne Technologien wie CAD, CNC, Lasertechnik und Werkstoffkunde.
• Anders als bei traditionellen Fertigungsmethoden beginnt der RPM-Prozess mit der Erstellung eines 3D-CAD-Volumen- oder Flächenmodells, das in das STL-Format (Standard für RP-Dateien) konvertiert und auf Fehler geprüft wird.
• Anschliessend werden die Schichtdaten an die Rapid-Prototyping-Maschine übertragen. Mittels additiver Fertigung und Laser als Wärmequelle werden Schichten nacheinander gesintert oder geschmolzen und miteinander verbunden, bis das komplette Bauteil fertig ist.
• Beim SLS-Verfahren kommen verschiedene sinternbare Pulver zum Einsatz: Paraffinwachs, Kunststoffe, niedrigschmelzende Metallpulver oder Mischungen. Je nach Prozessanforderung wird das passende Material gewählt, um physische Produktmodelle schnell herzustellen.

Kombinierter Prozess aus Rapid Prototyping und Feinguss

Feinguss ist das präziseste aller Gussverfahren, bietet hohe Wiederholgenauigkeit und erfordert wenig Nachbearbeitung. Es bedarf jedoch der Konstruktion und Fertigung von Wachsmustern oder anderen verlorenen Modellen.

Je nach Komplexität und Grösse des Gussteils dauert der Produktionszyklus mehrere Wochen bis Monate. Nach Formfertigung vergehen weitere Wochen bis zum Gussteil. Der Grossteil der Zeit und Kosten entfällt auf den Bau der Wachsmuster und Keramikschalen – besonders kritisch bei Kleinserien.

RPM-Technologie kann Wachsmuster für den Feinguss direkt formen, ohne Formenbau. Beim Lasersintern (SLS) besteht das Wachsmuster aus Paraffinwachspulver.

Der Prozess: Eine Pulverschicht wird auf dem Arbeitstisch aufgetragen und per Laserstrahl unter Computersteuerung selektiv gesintert (Hohlräume bleiben ungesintert als Pulver). Die gesinterten Bereiche verfestigen sich zu den massiven Bauteilbereichen. Nach Abschluss einer Schicht folgt die nächste, die fest mit der vorherigen verschmilzt. Nach dem Sintern wird das überschüssige Pulver entfernt, und das gesinterte Wachsmuster liegt vor.

RPM zeichnet sich durch grosse Materialvielfalt aus: Paraffinpulver für Wachsmuster, Keramikpulver für Keramikschalen, Metallpulver für Pressformen zur Wachsmusterherstellung.

Die Anwendung von Rapid Prototyping im Feinguss lässt sich in drei Szenarien unterteilen:

• Fertigung von Wachsmustern oder Lost-Foam-Modellen (Prototypen für Feinguss) für Kleinserien, Produktentwicklung oder Probeabgüsse komplexer Teile.
• Direkter Schalenbau für Kleinserien.
• Rapid Prototyping der Meisterform für die Wachsmusterfertigung, eingesetzt in der Grossserienproduktion.
• Diese Methoden lösen das Flaschenhalsproblem der traditionellen Wachsmusterherstellung.

Fazit

Der Einsatz von Rapid Prototyping zum Bau von Wachsmustern für den Feinguss beseitigt die durch den Formenbau bedingten Einschränkungen an Gussgeometrie und Entwicklungsprozess. Dies verkürzt Entwicklungszyklen drastisch, und die eingesparten Formenbaukosten können in F&E sowie Produktion komplexer Hochpräzisionsgussteile investiert werden.

Rapid Prototyping und Feinguss ergänzen sich ideal. Ohne Rapid Prototyping bleibt der Formenbau der Flaschenhals des Feingusses. Ohne Feinguss wäre die Anwendung von Rapid Prototyping stark limitiert.