Bewegliche Gelenke (Objet)

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Kurze Fertigungszeiten. Individuell gestaltete Bauteile in Kleinserie. Komplexe Komponenten und Geometrien, die nicht gefräst werden können. Dank der Technologie und des Fachwissens von Stratasys können Sie diese und weitere Herausforderungen in Herstellungsprozessen meistern.

Verwenden von löslichen FDM-Kernen für das Herstellen von Verbundwerkstoffteilen

Überblick

Verbundwerkstoffteile werden durch das Winden, Wickeln, Gießen und Schichten verschiedener Materialkombinationen und Harzsysteme in Formen, Platten, Mustern, Kernen und Spindeln hergestellt. Die Fertigung von hohlen Verbundwerkstoffteilen, in die das Muster eingeschlossen wird, kann eine Herausforderung darstellen. Eine Methode besteht im Fertigen (und Verbinden) zweier klappbarer Hälften, oder Sie fertigen ein einzelnes Teil vom Forminneren aus.

Anwendungsübersicht

Bislang setzten die meisten Unternehmen, die hohle Verbundwerkstoffteile mithilfe klappbarer Formen fertigen, CNC (Computer Numerical Control)-Fräsen ein, um Muster aus Polyurethanplatten herzustellen, mit denen anschließend die Formen produziert wurden. Dieser Ansatz ist kostenintensiv und führt zu langen Lieferzeiten, insbesondere, wenn das Muster von einem Zulieferer verarbeitet wird. Daher sind viele Unternehmen dazu übergegangen, FDM (Fused Deposition Modeling)-Muster herzustellen. Die FDM-Technologie ist eine generative Verfahrenstechnik, bei der Kunststoffteile anhand der Daten von CAD-Dateien Schicht um Schicht gefertigt werden. FDM ermöglicht erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen, da die Muster schneller und kostengünstiger hergestellt werden können.

Doch selbst bei einer optimierten Musterfertigung sehen sich die Unternehmen bei der Herstellung hohler Verbundwerkstoffformen einem zeitaufwändigen Schichtverfahren gegenüber. Nach dem Erstellen des Musters dauert es in der Regel etwa drei Tage, um mit dieser Methode Formen und Teile zu fertigen. Normalerweise muss mit 12 bis 15 Fertigungsstunden gerechnet werden, in der restlichen Zeit müssen die Teile aushärten.

Ein neuer Ansatz ermöglicht für die Produktion von Kleinserien erhebliche Verbesserungen, da die Form durch einen löslichen FDM-Kern ersetzt wird. Durch lösliche Kerne werden die Lieferzeiten und Arbeitskosten erheblich gesenkt, da keine Form hergestellt werden muss und zudem die Schichtdauer der Teile verringert wird. Anstatt mühsam zwei Formhälften und die beiden einzelnen Teilehälften anzufertigen und diese anschließend zu verbinden, kann das Verbundwerkstoffgewebe einfach um den löslichen Kern gewickelt werden. Nach dem Aushärten des Teils wird der Kern einfach aufgelöst.

Dank der generativen Fertigung können mit FDM weitaus komplexere Geometrien als mit anderen Kernen hergestellt werden. Bei vielen Anwendungen führt die größere gestalterische Freiheit zu Leistungsverbesserungen und Kosteneinsparungen. Lösliche FDM-Kerne sind robust genug, um den Belastungen der Verbundwerkstoff-Herstellungsverfahren standzuhalten. Zudem besteht keine Gefahr, das Bauteil beim Auflösen des Kerns zu beschädigen, da dieser beim Eintauchen in ein Flüssigkeitsbad einfach zerrinnt.

Übersicht über das Verfahren

Für das Herstellen löslicher FDM-Kerne muss das FDM-Standardverfahren an zwei Stellen geändert werden. Zum einen ist der Kern so angelegt, dass die innere Struktur vorwiegend hohl ist. Zum anderen werden die festen Thermoplaste eines FDM-Standardteils durch ein lösliches Material ersetzt, das in der Regel für die Stützkonstruktion der Teile verwendet wird. Der Kern kann auf zwei verschiedene Weisen entworfen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, ein festes 3D-Modell zu erstellen und in Insight, der Vorbereitungssoftware von Fortus, die Option für hohle Teile auszuwählen, um automatisch eine innere Struktur zu erhalten, mit der das Innenvolumen des Kerns reduziert wird. Für den zweiten Ansatz wird (in CAD) eine innere Struktur erstellt, deren Kern bei den Temperatur- und Druckwerten des Verbundwerkstoffgießens stabil bleibt, während der Lösungsfluss begünstigt wird, um das Entfernen des Kerns zu beschleunigen. Mit beiden Ansätzen lassen sich Materialverbrauch, Herstellungszeit und Auswaschdauer verringern.

Lösliche FDM-Kerne können relativ einfach in die Fertigungsverfahren integriert werden. Vor dem Aushärten des Verbundwerkstoffs und dem Entfernen des Kerns müssen keine Verfahrensschritte geändert werden. Auch der Aushärtungszyklus bleibt unverändert, wobei jedoch die Temperaturen begrenzt werden müssen, um Verformungen zu vermeiden. Im Allgemeinen müssen Verbundwerkstoffteile mit FDM-Kernen bei Temperaturen unter 121 °C und bei einem Druck von weniger als 50 psi (345 kPa) ausgehärtet werden. Die einzige Verfahrensänderung besteht darin, dass nach dem Aushärten des Verbundwerkstoffteils dessen Kern in einem Lösungsbad aufgelöst wird. Hierfür wird das Teil in das Stratasys WaterWorks-System zum Entfernen von Stützmaterial eingesetzt.

Praxisbeispiel

Nach jedem Rennen haben die Ingenieure von Joe Gibbs Racing (JGR) nur drei Tage Zeit, um ein Problem zu analysieren sowie eine Lösung zu finden und umzusetzen, bevor der Wagen zum nächsten Rennen befördert wird. Dank der Möglichkeit, statt Konzept- nun Produktionsteile herzustellen, hat JGR drei Meisterschaften errungen und sich als eines der führenden NASCAR-Teams etabliert.

An einem Sonntag platzte der Reifen eines JGR-Wagens, und die Ingenieure ermittelten ein Problem mit dem Auslasskanal, der den Reifen mit Kühlluft versorgt. Früher hätte es mehr als eine Woche gedauert, einen neuen Konzeptentwurf für den Auslasskanal zu entwickeln, einen FDM-Prototypen herzustellen und zu prüfen, mit einem FDM-Muster eine Form zu fertigen und ein Verbundwerkstoffteil anzufertigen. Dieser Prozess wäre nicht rechtzeitig abgeschlossen, um beim nächsten Rennen über ein neues Teil zu verfügen.

JGR setzte auf einen löslichen FDM-Kern, um die Dauer für das Umgestalten des Kanals und das Fertigen eines Produktionsteils zu verkürzen. Am Montag entwarf ein JGR-Ingenieur einen neuen Auslasskanal, der den Reifen wie gewünscht mit Kühlluft versorgte. Anschließend fertigte der Ingenieur mit dem Stratasys Fortus-System in nur vier Stunden ein Konzeptmodell. Nach einigen Konzeptänderungen und der Einpassung in den Wagen fertigte er einen löslichen FDM-Kern. Das endgültige Kohlenstofffaserteil wurde um den Verbundwerkstoffkern geschichtet. Nach dem Aushärten des Teils wurde der Kern aufgelöst. Das neue Teil war am Mittwoch fertig, sodass es noch vor dem Aufbruch zum nächsten Rennen montiert werden konnte.

Wie gestaltete sich die Verwendung des löslichen Kerns bei JGR im Vergleich zur Fertigung zweier klappbarer Hälften?


Methode

Kosten

Zeit

Arbeit

FDM-Muster und zweiteilige Form

USD $350

3 Tage

15 Stunden

Löslicher FDM-Kern

USD $90

1 Tag

2 Stunden

EINSPARUNGEN

USD $260 (74%)

2 Tage (66 %)

13 Stunden (87 %)

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