Es muss nicht immer Auto sein

Wer heute über Rapid Prototyping spricht, denkt in erster Linie an Anwendungen in Automobilbau oder Konsumgüter-Industrie. Heimlich, still und leise aber erobern sich die schnellen Modellbau-Verfahren auch ganz andere Einsatzgebiete. Zum Beispiel die Entwässerungs- und Haustechnik. Ein führender Hersteller dieser Branche nutzt die Stereolithographie hier zur Erstellung funktionstüchtiger Prototypen von Armaturen. Das haben wir uns in der Praxis angeschaut.

Gelblich-halbtransparent schimmernd steht er vor uns auf dem Tisch, der Prototyp der Absperrarmatur: Ein Gehäuse mit Rohrstutzen und Anschraubkranz. Darauf ein Deckel, darin eine Absperrklappe, die sich mit einem Bedienstempel von außen einstellen lässt, welcher wiederum mit einem Bügel gesichert wird. Summasummarum jede Menge bewegliche Einzelteile. Einzelteile, die im Harzbad einer Stereolithographie-Anlage von 3DSystems entstanden. Das gut eine Million Mark teure Stück steht in der Entwicklungsabteilung der Firma Kessel im bayerischen Lenting, einem führenden Hersteller von Bauteilen und Systemen für die Entwässerungstechnik und Automobil-Industrie.

Wie anderswo ist die STL-Anlage auch in Lenting wichtiger Baustein der Produktentwicklung. ¿Wir arbeiten von der Idee bis zur Auslieferung. Da müssen alle Glieder der Prozesskette mitspielen. Denn was nützt das schönste 3D-CAD, wenn danach nichts mehr kommt, was den Zeitgewinn fortsetzt?¿, begründet der technische Geschäftsführer Gino Vanetta den Einsatz der Stereolithographie. Was Zeitgewinn in diesem Fall bedeutet, erläutert der Leiter der Entwicklungsabteilung Rudolf Schmoll: ¿Die Bauzeit für Prototypen hat sich seit der Einführung der Anlage um mindestens 50 Prozent pro Teil reduziert. Da das System im Grunde rund um die Uhr laufen und mehrere Bauteile in einem Durchgang fertigen kann, ergeben sich weitere Produktivitäts-Vorteile.¿ Dazu kommen Pluspunkte wie etwa die höhere Maßgenauigkeit der STL-Modelle gegenüber manuell gefertigten Musterteilen oder die Tatsache, dass sich per Stereolithographie ein 1:1-Komplett-Bauteil erstellen lässt, während in der traditionellen Handfertigung oft nur Einzelteil-Lösungen entstehen.

Um ein solches 1:1-Modell handelt es sich auch bei der Absperrarmatur vor uns auf dem Tisch. Abgesehen von Farbe, Festigkeit und Werkstoff, unterscheidet sich der Prototyp kaum vom Kunststoff-Serienteil. Wie das spätere Original, ist er 240 Millimeter hoch, hat einen Rohrdurchmesser von 200 Millimetern und eine Wanddicke von 5,0 Millimetern. Er ist bis zu 130 Grad Celsius temperaturbeständig (maximal 210 Grad sind mit STL-Werkstoffen erreichbar). In einer Bauzeit von etwa 37 Stunden hat ihn der Laserstrahl Schicht für Schicht aus Epoxidharz aufgebaut beziehungsweise ausgehärtet.

Dabei ist das Stereolithographie-Teil weit mehr als nur Anschauungsmuster. Es wird bei Kessel für eine Reihe verschiedener Funktionstests herangezogen. Zunächst checken die Ingenieure, ob sich die einzelnen Teile der Baugruppe gut spritzgießen lassen (Werkzeugtrennung!) und ob sie einwandfrei zusammen passen (Kollisionsprüfung). Dann wird getestet, ob die Baugruppe reibungslos zu montieren ist und ob sich alle Funktionen ausführen lassen. Und zu guter letzt wird es auch noch nass, denn man unterzieht den Prototypen realitätsnahen Dichtigkeits- und Durchflussversuchen: Wasser, Feststoffe und Verschmutzungen werden durchgeschickt, das Durchström-Verhalten beobachtet. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen dann ein in die Optimierung des Bauteils oder Systems. Bei Bedarf werden auf der Basis des STL-Prototypen auch Kleinserien im Vakuumguss (HEK, Lübeck) erstellt. Darüber hinaus dient der Prototyp nicht nur als ¿Versuchskaninchen¿ für die Entwickler, sondern ist auch begreifbares Vorzeigeobjekt für Produktpräsentationen vor Verkaufsmannschaft und Kunden.

Das Beispiel Kessel scheint zu widerlegen, was böse Zungen immer wieder behaupten: Dass sich nämlich mit Stereolithographie-Prototypen keine aussagefähigen Funktionstests durchführen lassen. Denn wie gesehen, müssen die STL-Teile in Lenting einen wahren Spießrutenlauf durchleben. Richtig ist allerdings ¿ und das bestätigen auch die Kessel-Ingenieure ¿ dass für anspruchsvolle Belastungs- und Festigkeitstests Modelle aus anderen Rapid Prototyping-Verfahren (z. B. Lasersintern) Vorteile verbuchen. ¿Für uns war jedoch noch wichtiger, dass die Stereolithographie maßgenauere Modelle mit hochwertigeren Oberflächen erzeugt als jede andere Konkurrenzmethode¿, erläutert Entwicklungsingenieur Eduard Graf, bei Kessel für die Bedienung der Stereolithographie-Maschine zuständig. Das sind Aspekte, die auch im zweiten Geschäftsbereich der Bayern eine große Rolle spielen, in dem vorwiegend für die Automobil-Industrie technische Systemlösungen entwickelt werden. Übrigens: Es ist diese Kombination der beiden Geschäftsbereiche, die bei Kessel ausschlaggebend ist für die Erweiterung der STL-Einsatzgebiete. Wichtig in diesem Zusammenhang: Anlagenhersteller 3D-Systems präsentierte zur letzten Euromold neue Prototypen-Werkstoffe, die einerseits höheren mechanischen Belastungen standhalten und sich andererseits zur Erstellung elastischer Modelle eignen (Federn, Schnappverbinder etc.).

Wer sich mit dem Gedanken trägt, die Stereolithographie als Rapid Prototyping-Verfahren in seinem Unternehmen einzusetzen, sollte auf jeden Fall eines der Anwendertreffen des Darmstädter Herstellers besuchen. Das Praxis-Knowhow, das dort vermittelt wird und der Erfahrungsaustausch zwischen den Anwendern ist durch nichts zu ersetzen: Was gibt es bei der Software geführten Anlagenbedienung zu beachten? Wie werden die Teile optimal im Bauraum positioniert? Welche Betriebskosten wirft eine STL-Anlage auf? Wie lange hält die Lasereinheit (Lebensdauer ist begrenzt!)? Welche Prototyping-Werkstoffe eignen sich für welche Aufgaben? Solche und viele andere Fragen mehr kommen bei den bundesweit abgehaltenen Treffen zur Sprache.

Im Musterbau des bayerischen Unternehmens zeigt man sich jedenfalls ausgesprochen zufrieden mit den dreidimensionalen Ergebnissen aus der Stereolithographie. Der Leiter der CAD-Abteilung, Ronny Kessel, wünscht sich allerdings vor allem auf zwei Gebieten Verbesserungen: ¿Erstens, der Preis für das Epoxidharz sollte gesenkt werden. Der scheint uns etwas zu hoch. Und zweitens sollte die Software der Anlagen zukünftig weitere Standard-CAD-Schnittstellen bereitstellen wie etwa Iges, Parasolid oder VDA, nicht nur die eine STL-Schnittstelle.¿ Mit diesen Wünschen steht Kessel nicht allein. Insbesondere die Forderung nach weiteren CAD-Schnittstellen, mit denen der leidige ¿ und oft Problem behaftete ¿ Zwischenschritt der Daten-Konvertierung hinfällig würde (weitere Zeitersparnis!), ist unter Konstrukteuren und Produktentwicklern weit verbreitet.

Michael Stöcker