Verbundwerkstoffherstellung – Additiv gefertigte Spanndorne eröffnen neue Möglichkeiten

Oleg Yermanok, Leiter der Anwendungstechnik, Massivit 3D

Die additive Fertigung (AM) hat die Fähigkeit, industrielle Prozesse zu verändern und im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsverfahren innovative, kostengünstige und schnelle Ergebnisse zu erzielen. Angesichts der schnell wachsenden Nachfrage nach Produkten aus Verbundwerkstoffen – die von Natur aus stärker, leichter und umweltverträglicher sind als herkömmliche Materialien – ist AM heute im Begriff, die Produktion von Verbundwerkstoffen in der Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrt- und weiteren Industrien zu revolutionieren. In diesen Sektoren kann es (unter anderem) zur Herstellung von Dornen für Kanäle und Entlüftungsöffnungen für Luft-, Flüssigkeits- und Energiemanagementanwendungen verwendet werden.

Dorne sind ein unverzichtbares Werkzeug bei der Herstellung hohler Verbundstoffteile und -komponenten. Während des Herstellungsprozesses wird der Dorn in das Ende eines Rohrs oder einer Röhre eingeführt und in Position gehalten, während das Objekt um ihn herum geformt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das fertige Produkt seine Form und Größe beibehält.

Traditionell wird der gängigste Dorntyp aus Stahl hergestellt, aber auch Aluminium und andere Metalle können verwendet werden. Solche Dorne sind jedoch nur begrenzt einsetzbar und können teuer sein. In diesem Artikel wird Ingenieuren aus allen relevanten Industriezweigen erläutert, wie ihre Fertigungsprozesse durch den Einsatz von AM zur Herstellung von Dornen als Opferwerkzeuge für die Verbundwerkstoffherstellung vereinfacht und optimiert werden können.

Verbundwerkstoffe, die in vielen Fertigungsbereichen in großem Umfang eingesetzt werden, sind Materialien, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Komponenten bestehen. Diese Komponenten können je nach Anwendung eine Kombination aus Metallen, Polymeren, Keramiken, Fasern und verschiedenen anderen Stoffen sein. Verbundwerkstoffe werden in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt, da sie eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Werkstoffen bieten, wie z. B. ihr geringes Gewicht, das einen sparsamen Kraftstoffverbrauch ermöglicht, sowie ihre höhere Festigkeit, Stabilität, Verschleißfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Witterungs- und Umweltschäden.

Verbundwerkstoffe lassen sich auch leichter herstellen und in komplexe Formen bringen als Metall, Kunststoff und Keramik. Durch die Kombination verschiedener Materialtypen können Ingenieure Werkstoffe schaffen, die spezifische Anforderungen erfüllen und in vielen Branchen dauerhafte Dienste leisten. Angesichts der wachsenden Nachfrage nach Verbundwerkstoffen ist klar, dass diese vielseitigen Materialien in der Industrie auch in den kommenden Jahren eine wichtige Rolle spielen werden.

KONVENTIONELLE vs. AM-MANDREL-FERTIGUNG

Traditionelle Dornherstellungsmethoden gibt es seit Jahrhunderten und werden auch heute noch angewandt. Es gibt im Wesentlichen drei traditionelle Verfahren zur Herstellung von Dornen: Gießen, Schmieden und maschinelle Bearbeitung.

Das Gießen ist die gängigste Methode zur Herstellung von Industriedornen. Bei diesem Verfahren wird geschmolzenes Metall in eine Form gegossen, die die Gestalt des gewünschten Dorns hat. Das Metall kühlt ab und härtet aus, und der Dorn wird dann aus der Form genommen. Beim Schmieden wird ein Metallstück erhitzt, bis es formbar ist, und dann mit Hämmern und anderen Werkzeugen zum gewünschten Dorn geformt. Bei der maschinellen Bearbeitung wird ein Metallstück mit Hilfe von Drehbänken, Fräsmaschinen oder anderen Werkzeugmaschinen in die gewünschte Form geschnitten oder gefräst.

Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Dornen haben eine Reihe von Nachteilen: Sie sind oft zeit- und arbeitsaufwändig, erzeugen viel Abfallmaterial und sind in ihrer geometrischen Komplexität begrenzt.

Mit AM lassen sich Dorne mit komplexen Geometrien herstellen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer oder gar nicht zu produzieren wären. AM bietet einen flexibleren Ansatz, mit dem Dorne mit komplizierten Designs und inneren Merkmalen extrem schnell hergestellt werden können, ohne dass teure Schneidwerkzeuge erforderlich sind. Herkömmliche Dornherstellungsmethoden erfordern bei komplexen Geometrien oder Überhängen usw. auch die Herstellung mehrerer Teile, da es sonst nicht möglich wäre, den Dornkern zu entfernen. Die Herstellung mehrerer Teile bedeutet zusätzliche Kosten, ist zeitaufwändig und birgt die Möglichkeit von Fehlern und Nacharbeiten.

Zu den Vorteilen der AM-Fertigung von Dornen gehören niedrigere Werkzeugkosten, kürzere Vorlaufzeiten und eine größere Flexibilität bei der Konstruktion. Additiv gefertigte Dorne können schnell und einfach aus einer digitalen Datei hergestellt werden und sind daher ideal für Kleinserien oder einmalige Produktionsläufe. Darüber hinaus bieten sie den Konstrukteuren im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine größere Freiheit in Bezug auf Form und Geometrie.

DIE MASSIVIT-LÖSUNG

Massivit 3D hat ein eigenes Druckverfahren für die Herstellung starker und haltbarer Dorne entwickelt. Dies stellt eine hochinnovative Lösung für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen dar, die erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden bietet und die Herstellung hochwertiger Verbundwerkstoffteile mit kürzeren Vorlaufzeiten und geringeren Kosten ermöglicht.

Einer der Hauptvorteile der AM-Fertigung von Dornen ist, wie bereits erwähnt, dass sie wesentlich komplexere Konstruktionen zulässt als herkömmliche Bearbeitungsmethoden. Mit AM gibt es keine Beschränkungen für die geometrischen Formen, die hergestellt werden können, was bedeutet, dass Dorne mit sehr komplizierten Designs hergestellt werden können. Dies eröffnet ganz neue Möglichkeiten für die Gestaltung von Dornen und bedeutet, dass sie auf die spezifischen Anforderungen einer bestimmten Anwendung zugeschnitten werden können.

Mit der steigenden Nachfrage nach Verbundwerkstoffteilen steigt auch der Bedarf an effizienteren und kostengünstigeren Produktionslösungen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Massivit das Massivit 10000 AM-System entwickelt. Die Maschine nutzt die Cast In Motion (CIM)-Technologie in Kombination mit dem patentierten Gel Dispensing Printing (GDP)-Verfahren von Massivit 3D. Es ermöglicht das direkte Gießen der Form in eine 3D-gedruckte Opferschale. Um dies zu erreichen, verwendet die Massivit 10000 ein Doppelkopfsystem, eine ultraschnelle patentierte Technologie und für die Dorne ein wasserbrechbares Material, das in Wasser zerfällt. All dies ermöglicht es den Herstellern, komplexe Dorne innerhalb weniger Stunden statt Wochen herzustellen.

Das wasserbrechbare Material von Massivit eignet sich hervorragend für die Herstellung von Dornen. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften des Materials ist natürlich, dass es in Wasser zerbröckelt. Dadurch kann der Dorn nach der Produktion leicht aus dem Endprodukt entfernt werden. Das Material ist außerdem leicht (so dass es während des Produktionsprozesses einfach zu handhaben und zu transportieren ist); es ist stabil und haltbar (so dass es für eine Vielzahl von Dornanwendungen verwendet werden kann); es ist umweltfreundlich (im Vergleich zu subtraktiven Verfahren wird der Abfall auf ein Minimum reduziert und die Notwendigkeit einer umfangreichen Materiallagerung minimiert); und es ist schnell, da die Dorne innerhalb weniger Stunden gedruckt werden können.

DAS VERFAHREN – FALLSTUDIE

Zur Veranschaulichung des disruptiven Charakters des Massivit-3D-Ansatzes für die Dornproduktion werden in dieser Fallstudie die Prozessschritte bei der Herstellung eines Dorns für das Unternehmen Kanfit, das in den Bereichen Verteidigung und Luft- und Raumfahrt tätig ist, beschrieben. Der in Auftrag gegebene Dorn musste aus dem wasserbrechbaren Material von Massivit gedruckt werden, und die Außenfläche der gedruckten Form musste sehr glatt sein.

Zunächst wurde ein CAD-Modell des Dorns mit den Maßen X 381 mm, Y 191 mm und Z 567 mm erstellt. Um es optimal auf die 3D-Drucktechnologie von Massivit abzustimmen, wurde der Flanschbereich des Modells zur besseren Herstellung des Layups digital erweitert, und die Wand der Form wurde mit drei Druckkonturen mit einer Endbreite von 5,4 mm gestaltet, um dem Vakuumdruck in der Herstellungsphase standzuhalten. Aus der fertigen CAD-Datei wurde der G-Code des Dorns mit der Massivit Smart Slicer Software erstellt. Der Druck wurde so konzipiert, dass nur ein Minimum an Zeit und Material benötigt wurde, und dauerte insgesamt nur 8 Stunden. Der Dorn wurde aus dem wasserabweisenden DIM WB-Fotopolymer von Massivit hergestellt.

Anschließend wurde das Teil nachbearbeitet. Die Oberfläche wurde abgeschliffen, und es wurde eine Schicht Epoxidharz aufgetragen, um die Oberfläche des Dorns luftdicht zu machen.

Für die Beschichtungsphase wurde der Dorn auf eine rotierende Vorrichtung gesetzt, die das Auftragen von Epoxidharz und Kohlefaserplatten (insgesamt 6) um das Werkzeug herum ermöglichte. Nach der Beschichtung mit Kohlefasern wurde die Form dem Vakuumprozess unterzogen, wo sie 3 Stunden lang unter Vakuumdruck blieb. Danach wurde sie entfernt und durfte vor der endgültigen Aushärtung 24 Stunden lang ruhen.

Die fertige Form wurde 24 Stunden lang in klares Wasser gelegt, und alle Reste des wasserbrechbaren Materials wurden von der Haut entfernt. Der Dorn wurde dann getrimmt und vor der Freigabe in der Qualitätskontrolle validiert.

Die Verwendung von AM zur Herstellung des Dorns, um den herum Verbundwerkstoffteile in solchen Anwendungen hergestellt werden, führt zu einer Vereinfachung und Rationalisierung des Prozesses der Verbundwerkstoffproduktion im Vergleich zur herkömmlichen Dornproduktion.

ZUSAMMENFASSUNG

Mit AM hergestellte Dorne haben das Potenzial, die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen und -komponenten zu revolutionieren. Mit AM hergestellte Dorne bieten mehrere Vorteile gegenüber traditionell hergestellten Dornen. Sie sind leichter, präziser und können leicht an die spezifischen Anforderungen eines jeden Teils angepasst werden. Dies führt zu schnelleren Produktionszeiten und einer Verringerung der Abfallmenge. Darüber hinaus können mit AM hergestellte Dorne aus fortschrittlichen Materialien wie dem wasserbrechbaren Material von Massivit hergestellt werden, das das Entfernen vereinfacht.

Dies ermöglicht die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen, die von höherer Qualität und zuverlässiger sind. Die Zukunft der Herstellung von Verbundwerkstoffteilen ist mit dem Aufkommen von additiv gefertigten Dornen vielversprechend, und diese Technologie und der Massivit 10000 sind bereit, die Branche zu revolutionieren.

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