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Prototypen Keramische Prototypen für den seriennahen Test

| Redakteur: Dorothee Quitter

Um keramische Spritzgussteile schnell für die jeweilige Applikation seriennah testen zu können, werden Prototypen mittels additiv gefertigter Formeinsätze hergestellt.

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Die filigrane Hülse zum Testen von Materialien und Geometrie in der Medizintechnik ist nur mit dem CIM-Pro-Verfahren herstellbar.
Die filigrane Hülse zum Testen von Materialien und Geometrie in der Medizintechnik ist nur mit dem CIM-Pro-Verfahren herstellbar.
(Bild: Kläger Spritzguss)

Nach wie vor gehört die technische Keramik nicht zu den etablierten Werkstoffen in der industriellen Nutzung und auch das keramische Spritzgussverfahren ist für viele Konstrukteure und Entwickler immer noch exotisch. Die hohe Gestaltungsfreiheit des Ceramic Injection Mouldings (CIM) macht es möglich, belastungsoptimierte Strukturen und Freiformflächen sowie komplexe Strukturen wie Hinterschnitte, Gewinde und Bohrungen so zu erzeugen, dass Materialverbrauch, Kosten und Gewicht minimiert und so die Produkteigenschaften gesteigert werden können.

Prototypen für den Funktionstest

Um keramische Spritzgussteile schnell für die jeweilige Applikation seriennah testen zu können, werden kleine Prototypenchargen von Echtteilen benötigt. Damit wird zum Beispiel untersucht, ob es Interferenzen zwischen dem jeweiligen Zielmaterial, dem Produktionsverfahren und der Anwendung gibt. Die Verifikation von Material, Geometrie und Verfahren kann so schnell und einfach erfolgen – aber auch die komplexere Kombination dieser drei Komponenten.

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Bislang konnten die hierfür notwendigen Muster als mechanisch gefertigte Bauteile aus Halbzeugen oder über die diversen additiven Fertigungsverfahren erstellt werden. Die Resultate: Je nach Geometrie machbar oder auch nicht, kostenintensiv, nicht unbedingt im vorgesehenen Serienmaterial und definitiv nicht mit dem späteren Herstellverfahren Spritzguss vergleichbar.

Seriennahe Prototypen

Bereits im Entwicklungsstadium auf Serienwerkstoffe zurückgreifen und damit testen zu können, stellt für viele Anwendungen einen unschlagbaren Vorteil dar. Die Erkenntnis, dass die Materialauswahl und deren Eigenschaften im 3D-Druck stark limitiert waren, führte bei der Kläger Spritzguss GmbH & Co KG zur Entwicklung eines raffinierten Spritzgussprozesses – dem CIM-Pro-Verfahren. Im additiven Tooling werden hierbei keine kompletten Werkzeuge, sondern nur die entsprechenden Formeinsätze gefertigt. Diese bestehen aus oberflächenhartem und hitzebeständigem Duroplast und werden mit anderen Komponenten zu einer vollständigen Hybridform kombiniert.

Die Umsetzung der 3D-Daten in reale, formgebende Werkzeugeinsätze und die damit mögliche Herstellung von CIM-Bauteilen auf kleinformatigen Spritzgießmaschinen mit Formzuhaltekräften von bis zu 10 t kann innerhalb von wenigen Werktagen erfolgen.

Kleinserien im Spritzgussverfahren

Das Spritzgussverfahren mit vorhandenen Stammwerkzeugen bietet sich für Kleinserien oder zur Verifizierung von Material und Verfahren an, wenn man das Axiom berücksichtigt, dass lediglich der formgebende Einsatz bauteilspezifisch herzustellen ist - und nicht das gesamte Werkzeug. Gleiches Equipment, gleicher Prozess, gleiches Material wie in der späteren Serie sind entscheidende Vorteile. Das große Plus: Gefertigt werden die Bauteile aus dem identischen Feedstock, der auch in der tatsächlichen Serienfertigung verwendet wird. Alle Keramikarten und alle keramischen Spritzgussmassen können eingesetzt und im Serienverfahren identisch gespritzt werden. Anschließend werden die Grünteile, ebenfalls unter Serienbedingungen, entbindert und gesintert.

Reine Materialien wie Al2O3 oder ZrO2 sind ebenso verwendbar wie Aluminiumoxid-verstärkte Zirkonoxidkeramik (ATZ) oder Zirkonoxid-verstärkte Aluminiumoxid-Keramik (ZTA). Kläger ist damit in der Lage, alle am Markt befindlichen CIM-Materialien, sowohl für Prototypen, in der Vorserie oder in der Serie, zu verarbeiten – gleichgültig, ob es sich dabei um Materialien mit POM-, PP- und PA-Bindern, Materialien auf Wachsbasis und chemisch oder katalytisch zu entbindernde Feedstocks handelt.

Für kleine Losgrößen wirtschaftlich

Die wirtschaftlich sinnvoll zu fertigenden Losgrößen liegen zwischen einem und wenigen hundert Stück, die Teilegewichte zwischen 0,1 und 60 g. Das Ziel von Kläger bei diesem interessanten Angebot: Die Hemmschwelle von Kunden beim Testen von Produkt- und Herstellungsalternativen so gering wie möglich halten, die Kosten für Prototypen minimieren, die Aussagefähigkeit für die Kunden verstärken und die Kunden auf ihrem Weg zum Markt deutlich schneller machen. (qui)

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