Lösungen aus einem Guss

Optimiertes Verfahren liefert Hohlkörper mit anspruchsvoller Innengeometrie im Kleinserienmaßstab

Der Ruf der Endkunden nach immer neuen Produkten und individuellen Modellen zu niedrigen Preisen stellt die Industrie zunehmend vor Herausforderungen. Die rpm GmbH hat nun für den Bereich hochkomplexer Polyamid-Bauteile eine Antwort gefunden. Die Kombination neuer Werkzeugkonzepte mit einer Weiterentwicklung der  Kernauslösetechnik erlaubt die Produktion von Hohlkörpern mit komplexer Innengeometrie in ökonomischer Kleinserienfertigung.

„Die Amortisationszeiten von Werkzeugen verkürzen sich vor dem Hintergrund von kürzeren Produktzyklen und zunehmender Individualisierung drastisch“, sagt Dr. Klaus Kreutzburg, kaufmännischer Geschäftsführer der rpm (rapid product manufacturing) GmbH in Helmstedt. Mit wirtschaftlich sinnvollen Verfahren der Kleinserienfertigung kann die Technik dieser Entwicklung begegnen. Bei rpm hat man aus dieser Feststellung die Herausforderung abgeleitet, bewährte Produktionstechniken weiterzuentwickeln und auf neue Anwendungsgebiete auszuweiten.

Die rpm GmbH ist ein mittelständisches Unternehmen, das auf die Entwicklung und Fertigung von Prototypen, Vorserienteilen und Serienteilen, vornehmlich aus Kunststoffen, spezialisiert ist. Seit der Gründung vor 15 Jahren wurde hier das in der Literatur beschriebene Polyamid-Gießverfahren zur vollen Produktionsreife entwickelt. Das NylonMold™-Verfahren bedient sich Gießformen aus Silikon und liefert geometrisch komplexe Prototypen. Als Folge der guten Marktresonanz, verbunden mit Forderungen nach kürzeren Lieferzeiten und dem Kundenwunsch nach größeren Bauteilen, entwickelte und baute rpm bis heute 3 eigene NylonMold™-Produktionsanlagen.

Stückzahlen zwischen 1 und 10.000 Teilen

Bauteil entkernt und entgratet

Bauteil entkernt und entgratet: Diese 2-Ebenen-V8-Sauganlage war Anlass für die rpm-Entwicklungsabteilung, das Herstellungsverfahren für Prototypen für die Kleinserienfertigung zu optimieren. Foto: rpm

Dem Trend hin zu zunehmender Produktindividualisierung in der Serienfertigung begegnet rpm mit einer LVP (Low Volume Production)-Strategie. Mittlerweile kann das Unternehmen im Bereich Polyamid Stückzahlen zwischen  1 und 10.000 Teilen komplett abdecken. „Die Herausforderung für uns resultierte aus dem Umstand, dass höhere Stückzahlen höhere Werkzeugstandzeiten und damit neue Werkzeugkonzepte erforderten“, sagt Dr. Jörg Gerken, technischer Geschäftsführer und Entwicklungsleiter bei rpm.

Innerhalb der vergangenen 3 Jahre wurden 3 auf die Besonderheiten des NylonMold™-Verfahrens zugeschnittene Werkzeugkonzepte mit Standzeiten für mehr als 10.000 Bauteile entwickelt. Nach wie vor kommen flexible Werkzeuge, bei denen alle Werkzeugkomponenten aus Silikon gefertigt werden, zum Einsatz. Daneben stehen rpm nun Hybrid-Werkzeug und Festwerkzeuge zur Verfügung.

Technologiematrix hilft bei der Auswahl des geeigneten Werkzeugkonzepts

Hybrid-Werkzeuge, die in Teilbereichen als Festwerkzeug ausgeführt sind, weisen ebenso Vor- und Nachteile auf wie Festwerkzeuge und Soft-Tools. Während flexible Werkzeuge einfach durch Umgießen des Urmodells hergestellt werden, haben sie bedingt durch thermischen Verschleiß nur eine sehr begrenzte Standzeit. Festwerkzeuge liefern hingegen auch nach mehr als 100.000 Bauteilen qualitativ hochwertige Produkte. Doch die Temperierung muss ins Werkzeug integriert werden, was ein teilautomatisches Handling mithilfe von Werkzeugträgern erforderlich macht. Hybridwerkzeuge können zwar wie Silikonwerkzeuge im Ofen beheizt werden, doch erfordern sie die Abstimmung zweier Fertigungstechnologien sowie die Berücksichtigung unterschiedlicher thermischer Ausdehnung von Festwerkstoff und Silikon.

Festwerkzeug

Festwerkzeug: Mit Hilfe dieses Festwerkzeugs wird die abgebildete V8-Sauganlage im Kleinserien-Maßstab im NylonMold™-Verfahren hergestellt. Foto: rpm

Anhand umgesetzter Projekte, darunter ein Lautsprechergehäuse für Bugatti und ein Luftleitteil für Volkswagen, erarbeitete rpm eine Technologiematrix. In diese Matrix fließen unter anderem Herstellungszeit und -kosten, Standzeit, Temperaturfestigkeit, Polymerisationsqualität, Schwindungs- und Entformungsverhalten, geeignete Injektionsstrategien, Werkzeughandhabung, Beheizungsmöglichkeiten und Teilautomatisierungsaspekte ein. Abhängig von Bauteilgeometrie, Stückzahl und NylonMold™-Werkstoff kann mithilfe der Matrix abgewogen werden, welches Werkzeugkonzept am besten für das jeweilige Projekt geeignet ist.

Kernauslöseverfahren wurde optimiert

In Kombination mit dem Kernauslöseverfahren steht rpm nun eine kleinseriengeeignete Technologie zur Herstellung komplexer Hohlkörper aus Polyamid zur Verfügung. „Das optimierte NylonMold™-Verfahren erlaubt die Herstellung einteiliger, nahtloser und homogener Bauteile mit nahezu jeder beliebigen Innen- und Außengeometrie bei gleichzeitig höchster Qualität und Produktsicherheit“, sagt Dr. Günter Lohfink, Vertriebs- und Projektmanager bei rpm.

Mit der Lost Core-Technik nutzt rpm ein Sonderverfahren der Spritzgießtechnik zur Herstellung von Formteilen mit Hohlräumen oder Hinterschneidungen. Das Unternehmen konzentrierte sich auf Versuche mit dem Kernauslöseverfahren, das mit wasserlöslichen Verbindungen als Kernmaterial arbeitet. Ausschlaggebend für diese Entscheidung waren die fertigungsökonomischen Nachteile der Kernausschmelztechnik. Die Herstellung der Kerne aus niedrig schmelzenden Metalllegierungen erfordert spezielle Kerngussmaschinen. Zusätzlich sind Investitionen in robotergestütztes Handling und weitere Sonderanlagen notwendig. In den vergangenen zehn Jahren haben sich daher immer mehr Verarbeitungsbetriebe von dieser Technologie abgewandt, obwohl Platz- und Gewichtseinsparungen bei den zu fertigenden Bauteilen erzielt werden konnten.

Entwicklungserfolg dank neuer Rezeptur für Kernmaterial

Eine Kleinserienanfrage aus den USA für eine 2-Ebenen-V8-Sauganlage hat die praktische Anpassung der Kernauslösetechnik an das NylonMold™-Verfahren beflügelt und die serientaugliche Umsetzung ermöglicht. Bereits seit Jahren nutzt rpm das Lost Core-Verfahren zur Herstellung von Hohlkörper-Prototypen. Analysen ergaben jedoch, dass die dabei zum Einsatz kommende keramische Standard-Formmasse, die auch im Aluminium-Feinguss verwendet wird, für die Kleinserienfertigung ungeeignet ist.

Basierend auf den langjährigen Verarbeitungskenntnissen mit dieser Formmasse definierte die rpm-Entwicklung eine Liste von Hauptanforderungen an Kernwerkstoffe für die Kleinserienfertigung. Unter anderem enthält die Aufstellung ein geringes Kerngewicht, hohe Stabilität und Oberflächenqualität der Kerne sowie schnelles Entkernen mit Wasser nach Polymerisationsende. In die folgenden Untersuchungen wurden 6 Kompaktmassen und 2 Schaummassen einbezogen, die den Anforderungen entsprachen.

„Die Ergebnisse der Tests waren ernüchternd und zeigten, dass nur eine alternative Abformmasse Potential für weitere Anwendungstests hatte“, sagt Gerken. Mit einer neuen, eigens auf die Kleinserien-Fertigung im NylonMold™-Verfahren zugeschnittenen Werkstoffrezeptur erzielte rpm schließlich einen Erfolg. Unter anderem wurde so der Zeitaufwand für die Herstellung des Kerns und das Entkernen reduziert. Die Materialkosten für Vollkerne liegen um 77 % unter dem bisherigen Preis. Daneben werden Energie und Prozessabwasser gespart.

Verfahrenskombination eröffnet neue Möglichkeiten

Kernpositionierung in der Silikonform

Kernpositionierung in der Silikonform

Die Kombination der Kernauslösetechnik mit dem Polyamidguss-Verfahren NylonMold™ führte schließlich zum erfolgreichen Abschluss des Projekts V8-Sauganlage. Vor Erstellung der Kleinserienwerkzeuge wurde das 2-Ebenen-Saugrohr gezielt einer Umsetzung im Prototypenverfahren unterzogen. „Wir haben damit bereits im Vorfeld fertigungstechnische Hinweise auf mögliche Problembereiche erhalten“, sagt Forschungsleiter Gerken. Die vom Kunden vorgegebene innere Kanalgeometrie besteht aus zwei separaten Kernen. Jeder Kern bildet eine Ebene der Sauganlage, wobei jede Ebene vier Zylinder mit Luft versorgt. Das entgratete Bauteil wird einer Gewichts- und einer endoskopischen Kontrolle unterzogen, um rückstandsfreie Kanalquerschnitte festzustellen. „Mit dieser Sauganlage wurde die fertigungstechnische Umsetzung der Kernauslösetechnik in Verbindung mit dem NylonMold™-Verfahren erbracht. Die Kombination eröffnet neue Möglichkeiten in der Fertigung von Hohlkörpern mit komplexer Innengeometrie“, sagt  Lohfink.

Kernpositionierung in der Silikonform

Kernpositionierung in der Silikonform: Von Hand wird die Silikonform geschlossen, bevor die Monomer-Mischung injiziert wird. Foto: rpm

Da im NylonMold™-Verfahren Wanddickensprünge ohne fertigungstechnische Änderungsnotwendigkeit abbildbar sind, kann künftig eine einheitliche Außengeometrie, kombiniert mit unterschiedlichen Innengeometrien, in einem einzigen Gießwerkzeug gefertigt werden. „Dies ermöglicht beispielsweise die Fertigung einer Sauganlage mit einem Standard-Kanalaufbau und einem Leistungskanalaufbau in nur einem Gießwerkzeug“, wagt Klaus Kreutzburg, kaufmännischer Geschäftsführer der rpm GmbH, einen Blick in die Zukunft des Polyamid-Gießverfahrens NylonMold™.

Über rpm:

Die rpm GmbH entwickelt und fertigt in Niedersachsen Funktionsprototypen und Kleinserien, insbesondere für den deutschen Automobilbau. In den vergangenen Jahren hat das Unternehmen das in der Literatur beschriebene Polyamid-Gießverfahren zur vollen Produktionsreife für die Fertigung geometrisch komplexer Bauteile entwickelt. Das Verfahren ist unter dem Namen NylonMold™ eingetragen.

Im Jahr 2001 hat rpm eine erste PA-Gießanlage des Herstellers MTT/HEK installiert und die Verknüpfung der Technologie PA-Guss mit flexiblen Werkzeugen eingeführt. Bereits ein Jahr später wurden dem Markt die ersten Motorbauteile unter dem Markennamen NylonMold™ zur Verfügung gestellt.  Zu den ersten Kunden des Unternehmens zählte die Porsche AG.

www.rpm-factories.de

 

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