In drei Tagen einsatzbereit

Da die Zeit bis zur Markteinführung maßgeblich den Wettbewerbserfolg eines Produkts beeinflusst, wird das schnelle Bereitstellen von Funktionsmodellen, die sich für Einbauversuche oder Belastungstests nutzen lassen, immer wichtiger. Als strategischer Faktor beim Entwickeln neuer Produkte und Bauteile kommt so den Verfahren des Rapid Prototyping (RP) große Bedeutung zu. Das gilt heute für nahezu alle Branchen, und auch für die Keramikverarbeitung. Das Werkstoffzentrum Rheinbach bietet drei RP-Verfahren als technische Dienstleistung an.

Im direkten Vergleich zu anderen Materialien stärke der Einsatz schneller RP-Technologien die Wettbewerbsfähigkeit der Keramik-Werkstoffe erheblich, erläutert Dr. Wolfgang Kollenberg, Geschäftsführer des Werkstoffzentrums Rheinbach, und mache sie für Entwicklungsingenieure immer interessanter: „Viele der von uns erstellen Prototypen haben bereits die Luft der Serie geschnuppert.“ Je nach Stadium einer Produktentwicklung setzen die Rheinbacher inzwischen drei RP-Methoden ein: Das Vakuum-Heißgießen, das Gefriergießen und den 3D-Druck.

Das Vakuum-Heißgießen empfiehlt sich insbesondere für das rasche und kostengünstige Herstellen keramischer Prototypen mit hoher Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit. Die heiße Gießmasse – eine viskose Wachs-Keramik-Suspension – wird in eine Silikonform gegossen und nach dem Abkühlen in der Form vom Binder befreit. Beim anschließenden Sintern erhält sie ihre keramischen Eigenschaften. Inklusive der Anfertigung des Urmodells für die Silikonform nimmt dieser Prozess etwa sechs bis zehn Tage in Anspruch.

Beim Gefriergießen hingegen kommt ein wässriger Schlicker zum Einsatz, der – nach dem Abgießen in eine Silikonform – bei Temperaturen von bis zu -50 °C gefrostet wird. Dabei bilden sich Eiskristalle, deren Dimensionen durch Additive exakt gesteuert werden können. So lassen sich die Größe und Menge der Poren im keramischen Gefüge einstellen. Auf diesem Weg entstehen dichte bis hochporöse Gefüge – auch mit gerichteter Porosität. Das gefrorene Wasser wird mittels Sublimation entfernt, anschließend folgt der keramische Brand. Mit diesem Verfahren ist der Prototyp in vier bis acht Tagen fertiggestellt.

Die derzeit schnellste RP-Technologie für Keramik-Entwicklungen ist der 3D-Druck. Das Schichtbau-Verfahren kommt ohne Formwerkzeuge aus und bezieht die erforderlichen Geometriedaten direkt aus etablierten 3D-CAD-Programmen. Vergleichbar mit einem Tintenstrahldrucker sprüht der 3D-Printer einen Flüssigbinder auf vordeponiertes Keramikgranulat und baut die Strukturen schichtweise auf. Dies ermöglicht es, komplexe und ineinander verschachtelte Objekte sehr schnell und kostengünstig herzustellen. Die abschließende Verfestigung erfolgt durch den Sinterprozess. Ein im 3D-Druck gefertigter Keramik-Prototyp ist meist schon in zwei bis drei Tagen einsatzbereit, womit sich die gesamte Entwicklungszeit um Wochen oder gar Monate verkürzen lässt. mc