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3D-Kunststoffdruck

Vorteile für Werkzeuge aus Composites

| Redakteur: Simone Käfer

In Branchen wie der Luft- und Raumfahrt bietet sich die Additive Fertigung an, weil hier kleine Losgrößen produziert werden, die Werkzeuge dafür aber schnell gefertigt und lange vorgehalten werden müssen.
In Branchen wie der Luft- und Raumfahrt bietet sich die Additive Fertigung an, weil hier kleine Losgrößen produziert werden, die Werkzeuge dafür aber schnell gefertigt und lange vorgehalten werden müssen. (Bild: Stratasys)

Die Herstellung von Werkzeug zur Fertigung von Verbundkonstruktionen kann kostspielig und langwierig sein. Deshalb lautet der Vorschlag eines 3D-Drucker-Herstellers: FFF-Verfahren.

Am Beispiel der Luftfahrt erklärt David Dahl, Anwendungstechniker der Composite Solutions Group bei Stratasys USA, warum der 3D-Drucker-Hersteller die Additive Fertigung zur Herstellung von Compositewerkzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden für die bessere Methode hält.

Mit welchen Problemen kämpfen denn die Hersteller von Compositewerkzeugen?

David Dahl ist Anwendungstechniker der Composite Solutions Gruppe in der US-amerikanischen Heimat von Stratasys.
David Dahl ist Anwendungstechniker der Composite Solutions Gruppe in der US-amerikanischen Heimat von Stratasys. (Bild: Stratasys)

Da ist zunächst einmal der Werkstoff. Bei herkömmlich verwendetem Material wie Aluminium, Invar – das ist eine Eisen-Nickel-Legierung – und faserverstärktem Kunststoff ist es schwierig, die Kosten, die Fertigungszeit und den Fertigungsausschuss zu reduzieren, ohne die Leistungsfähigkeit und die Gestaltungsfreiheit einzuschränken. Selbst relativ einfache Werkzeuggeometrien können mehrere Zehntausend Dollar kosten und haben eine Fertigungszeit von Wochen oder Monaten. Diese Schwachstellen können den Zeitplan eines ganzen Entwicklungsprogramms beeinflussen, weil sie die Gestaltungsoptimierung und Produktneuerungen einschränken.

Außer dem Material, welche Herausforderungen gibt es noch?

Es gibt Unternehmen, die mehr als ein Jahr an Zeit und sechsstellige Summen in ein sehr großes, komplexes Formwerkzeug oder einen Spanndorn investieren, die dann nur ein paar Mal genutzt werden. Andere haben eher Probleme mit der Anzahl der erforderlichen Verbundbauteile, die je nach Programm zwischen einigen wenigen Elementen und einem Großteil der Bauteile des Flugzeugs variieren kann.

Können Sie ein konkretes Beispiel nennen?

Weltweit gibt es weniger als 200 Tarnkappen-Kampfjets, aber der Hersteller oder Erstausrüster muss unglaublich viel Zeit und Geld in Werkzeug investieren, um eine insgesamt relativ geringe Anzahl von Bauteilen herzustellen. Wenn das Programm zu Ende ist, müssen die Werkzeuge jahrelang aufbewahrt werden, falls Austausch- oder Ersatzteile benötigt werden. Im Extremfall lagern einige Unternehmen ihre ungenutzten Werkzeuge aus Platzmangel auf Parkplätzen hinter der Produktionshalle.

Ein großes Plus der Additiven Fertigung ist, dass ein Bauteil relativ schnell umkonstruiert werden kann. Wäre das auch für Compositewerkzeuge von Vorteil?

Ja, zweifellos. Derzeit kann es nämlich problematisch werden, wenn sich herausstellt, dass Entwürfe geändert werden müssen. Bei vielen Flugzeugkonstruktionen kommt es vor, dass Hersteller einen Bauteil- und Werkzeugentwurf bereits zwölf Monate im Voraus erstellen, nur um werkzeugbedingte Probleme bei der Fertigungszeit zu berücksichtigen. Bedeutende Änderungen am Entwurf können ziemlich drastische Folgen haben und teure sowie zeitaufwendige Änderungen am Werkzeug erforderlich machen und die Lieferung der Verbundkonstruktionen, sogar des ganzen Flugzeugs, verzögern.

Die Additive Fertigung bietet auch mehr Freiheit bei der Gestaltung und Fertigung. Bei anderen Fertigungsarten ist dies normalerweise nicht der Fall. Werkzeugentwürfe unterliegen bisher dem Herstellungsprozess. Aber nicht nur das. Bei subtraktiven Fertigungsmethoden entsteht eine Menge Abfall.

Der Ansatz der Additiven Fertigung ist genau entgegengesetzt: Material wird nur dann ausgeschieden, wenn dies vorgegeben ist. Hierdurch reduziert sich der Fertigungsausschuss und man kann ohne große Beeinträchtigungen komplexe Werkzeuggeometrien entwerfen. Das heißt Werkzeuge können für die Anwendung entworfen werden und nicht umgekehrt. Ein Verbundwerkstoff-Werkzeug für den einmaligen Gebrauch bei einer Reparatur kann beispielsweise ganz anders aussehen als ein Werkzeug, das für Kleinserien verwendet wird.

Zum Drucken von Compositewerkzeugen sprechen Sie sich für Fused Filament Fabrication, also das FFF-Verfahren, aus. Warum?

Extrusionsbasierte Verfahren haben sich für Verbundwerkstoff-Werkzeuge als am geeignetsten erwiesen. Hierzu zählt das FFF-Verfahren, das wir bei Stratasys allerdings Fused Deposition Modeling nennen, FDM. Hierbei wird das Bauteil Schicht für Schicht durch kontrollierte und automatisierte Erwärmung und Extrusion von thermoplastischen Materialien hergestellt. Hochtemperatur-Thermoplaste wie Ultem 1010 halten Aushärtezyklen mit hohen Temperaturen leicht aus. Zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften und gleichzeitigen Reduzierung des Wärmeausdehnungskoeffizienten kann dem Thermoplast auch noch eine Kohlenstoff- und Glasfaserverstärkung hinzugefügt werden.

Sie sehen den Vorteil also vorwiegend in den Eigenschaften der Materialien, die für FFF geeignet sind?

Auf jeden Fall! Die Materialentwicklung ist entscheidend, um der Additiven Fertigung neue Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Branchen zu eröffnen. Jetzt kann man schon problemlos äußerst leistungsfähiges Verbundwerkstoff-Formwerkzeug in verschiedenen Größen und Geometrien drucken. FFF ermöglicht die schnelle Herstellung von hocheffektiven Composite-Werkzeugformen innerhalb einiger Tage oder Stunden, die bei Aushärtungstemperaturen von über 180 °C in typischen Autoklavenzyklen mit Konsolidierungsdrücken über 0,7 MPa eingesetzt werden können.

Das ist aber noch nicht die Grenze für Werkstoffe?

Nein, gar nicht. Wir haben bei Stratasys ein spezielles Team mit Ingenieuren, die neue Materialien und Verfahren für Anwendungen im Bereich der Verbundwerkstoff-Werkzeuge entwickeln und gestalten. Glücklicherweise arbeiten wir mit Unternehmen wie Dassault Falcon Jet, Aurora Flight Sciences und SSL, dem früheren Space Systems Loral, zusammen. Durch die Zusammenarbeit können wir unsere Technik besser an bestehende Fertigungsprozesse anpassen und in sie eingliedern.

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