Elastomer-Prototyping: Professioneller Leitfaden für schnelle, kosteneffiziente Fertigung

Prototyping ist eine Schlüsselphase im Fertigungslebenszyklus, die typischerweise das Ende der Designphase mit dem Beginn der Produktion verbindet. Der Prozess ermöglicht es Designern und Ingenieuren, das Teiledesign zu verfeinern, Feedback zu sammeln und Stakeholder-Zustimmung zu gewinnen.

Prototypen können auf verschiedene Arten erstellt werden. Rapid 3D Prototyping, das additive Fertigungsmethoden zur Teileherstellung nutzt, ist zu einer zunehmend beliebten Wahl für Prototyping geworden, da es Ingenieuren ermöglicht, Designprobleme schnell und kosteneffizient zu identifizieren, bevor die Produktion beginnt. Dies hilft, potenziell kostspielige oder zeitaufwendige Werkzeugrevisionen zu vermeiden, verbessert die Produktqualität und stellt sicher, dass die Produktion im Einklang mit den projizierten Zeitplänen bleibt.

Bestimmte Teilanwendungen und Materialien sind jedoch nicht gut für 3D-basiertes Prototyping geeignet. Prozesse wie Fused Deposition Modeling (FDM) produzieren nicht-isotrope Teile, die möglicherweise fragiler sind und sich anders verhalten als Produktions-Elastomerteile, während andere additive Methoden durch Kosten oder Materialoptionen begrenzt sein können.

Dies kann eine Herausforderung für das Rapid Prototyping von Elastomer-Formteilen, Dichtungen und anderen hoch elastischen Teilen mit niedrigen Härtegraden darstellen, bei denen Flexibilität eine erwünschte Materialeigenschaft ist. Während Entwicklungen in additiven Fertigungsmethoden es Ingenieuren ermöglicht haben, Gummi- oder „Elastomer“-Produkte zu drucken, gibt es immer noch Einschränkungen, was mit der Technologie möglich ist. Elastomer-Komponenten und Prototypen können jedoch effektiv mit traditionellen Fertigungsmethoden hergestellt werden.

Methoden zur Herstellung elastomerer Prototypen

Prozesse wie Pressformen und Transferformen sind hocheffiziente Methoden zur Herstellung von Gummiteilen wie Dichtungen, Dichtungsringen und O-Ringen, aber das für die Herstellung von Gummippressformen erforderliche Werkzeug kommt oft mit einem hohen Preisschild. Die zwei gängigsten traditionellen Methoden für das Prototyping von Gummi-Teilen sind Polyurethan-Gießen und Stanzen.

Polyurethan-Gießen beinhaltet die Erstellung einer Silikonform um ein Mastermodell mit der exakten Geometrie des gewünschten Endteils. Das Mastermodell kann CNC-gefräst oder 3D-gedruckt werden, abhängig von der Anwendung und geometrischen Komplexität. Sobald die Form ausgehärtet ist, kann sie aufgeschnitten und zur Herstellung hochpräziser Replikate des Mastermodells in geringen Stückzahlen verwendet werden. Ein signifikanter Vorteil des Polyurethan-Gießens ist, dass der Prozess mehr Härtegrade und Farben als andere Elastomer-Prototyping-Methoden ermöglicht. Stanzen von Elastomer-Blechen ist auch sehr gängig für Dichtungen und Dichtungsringe.

CNC-Fräsen ist ein subtraktiver Fertigungsprozess, der rotierende Werkzeuge verwendet, um Material schnell und effizient von einem massiven Werkstück abzutragen und so das gewünschte Teil zu formen. Diese Methode kann auch zur Erstellung von Gummi-Designs verwendet werden, hat aber eine große Designbeschränkung: Der Versuch, elastisches, biegsames Material mit irgendeiner Genauigkeit zu schneiden, ist unglaublich schwierig. Aus diesem Grund können nur sehr starre Gummisorten effektiv gefräst werden.

Gegossenes Polyurethan-Prototyping ist ein effizienterer Weg, weiche Gummi-Teile herzustellen. Wenn der Prototyp aus irgendeinem Grund gefräst werden muss, sollten Ingenieure in Betracht ziehen, einen Kragen direkt über der Fräse zu platzieren, um zu verhindern, dass sich das Gummiwerkstück bewegt. Gummiwerkstücke können auch vor dem Fräsen in flüssigem Stickstoff eingefroren werden, um ihre Härte zu erhöhen.

Einer der primären Vorteile des 3D-Drucks von Gummi-Prototypen ist die Geschwindigkeit. Sobald die CAD-Datei finalisiert ist, können Teile oft in weniger als einem Tag hergestellt werden. Einige additive Methoden haben jedoch Materialbeschränkungen, was bedeutet, dass sie zwar effektiv für das Testen von Passform und Form von Komponenten sein können, aber oft nicht ideal für funktionales Testen sind.

Einige Materialbeschränkungen variieren je nach Prozess. Eine der ersten Methoden des 3D-gedruckten Elastomer-Prototypings verwendete Selektives Lasersintern (SLS) mit einem elastischen Basismaterial. Prototypen, die durch SLS erstellt wurden, zeigen etwas Elastizität, weisen aber immer noch relative Steifigkeit auf und neigen nach wiederholtem Biegen zum Brechen. Diese Teile haben auch oft niedrigauflösende Oberflächen.

Die Entwicklung der PolyJet-Technologie ermöglichte es Ingenieuren, mehrere Materialien in verschiedenen Kombinationen aus demselben Druckkopf zu drucken. Dies ermöglicht die Produktion von Prototypen, die die verschiedenen Eigenschaften von Gummi präzise simulieren, einschließlich Härtegraden von 27–95 auf der Shore-Härteskala. Leider fehlen vielen PolyJet-Materialien die Festigkeit echter Gummi-Prototypen, obwohl einige neuere Materialien mehr vergleichbare Festigkeit und Funktionalität bieten.

Carbons Digital Light Synthesis (DLS) Technologie kann ebenfalls zum Drucken von Elastomer-Prototypen verwendet werden, wobei ein Vorteil des Prozesses darin besteht, dass er größere isotrope Eigenschaften ermöglicht. Diese Methode hat einige Einschränkungen bei Materialeigenschaften, Härtegrad, Farbe, Teilekomplexität und Teilegröße, kann aber zur Erstellung von Produktionsqualitäts-Gummi-Prototypen verwendet werden.

Effizientes Prototyping von Gummi-Teilen

Technologische Fortschritte haben es viel einfacher gemacht, Elastomer-Teile schnell und wirtschaftlich zu prototypen, und die Wahl des Prozesses basierend auf den erforderlichen Materialspezifikationen ist der Schlüssel zur Maximierung der Effizienz. Wenn der Prototyp als Machbarkeitsnachweis oder zum Testen der Passform und Form von Komponenten gedacht ist, ist die durch 3D-Druck gebotene Effizienz schwer zu übertreffen. Andererseits hat Polyurethan-Gießen weit weniger Materialbeschränkungen, was sich oft als nützlicher für funktionales Testen erweist.

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