Das kaum bekannte generative Microguss-Verfahren bietet die Möglichkeit, sowohl primitive als auch sehr komplexe Strukturen mit einer Wandstärke ab mindestens 0,12 mm und in einem Gewichtsbereich zwischen 0,01 bis ca. 30 g in großer Stückzahl herzustellen. Das Besondere dabei ist, dass für den Gießprozess die originale Metall-Legierung wie Cu-basierte, Aluminium und Zink-Legierungen, oder auch Stähle und Edelstähle verwendet werden. Die Leistungsfähigkeit und Vielfältigkeit des generative Microguss-Verfahrens wird anhand von dreifach periodischen Minimalstrukturen (Triply Periodic Minimal Surfaces - TPMS) veranschaulicht. Die Gyroid-Struktur (siehe oben: Abbildung a), welche zur Familie der TPMS-Strukturen gehört, wurde während einer Zusammenarbeit mit der Firma Nonnenmacher GmbH und der Hochschule Karlsruhe in den verschiedensten Formen und Varianten gefertigt.
TPMS-Strukturen als Paradebeispiel für sehr komplexe Bauteile
Diese, in der Natur auch vorkommenden Strukturen, teilt den Zellenraum in zwei disjunkte, jedoch ineinander verschlungene, Kanäle. Das zusätzliche gute Oberflächen-/Volumenverhältnis der Struktur, macht diese für die verschiedensten ingenieurstechnischen Anwendungen, wie z.B. einen miniaturisierbaren Wärmetauscher, interessant. Die besondere Form und das zuvor beschriebene Zwei-Kammer-System ist in der obigen Abbildung veranschaulicht.
Das Problem bei diesen besonderen Strukturen, stellt die Fertigung dar, da diese mittels konventionellen Fertigungsverfahren nicht fertigbar sind. Hierfür eignet sich das generative Gussverfahren, dessen Ablauf im nachfolgenden Schaubild schrittweise dargestellt ist.
Für die Herstellung einer solcher Strukturen werden zu Beginn mittels 3D-Druck Wachsmodelle hergestellt. Dabei können die Druckteile im µm-Bereich liegen. Diese Teile dienen im weiteren Fertigungsprozess als verlorene Modelle, das heißt, die Strukturen werden in eine Keramikmasse eingebettet und ausgeschmolzen. Anschließend werden in die durch den Brennvorgang entstandene negative Gussformen die Metallschmelze eingegossen. Nach der Zerstörung der Keramikform, können die Metallteile entnommen werden.
Prototypenfertigung mittels generativem Microguss-Verfahren
Der Vorgang des oben beschriebenen generativen Microguss-Verfahrens ist eine Weiterentwicklung des klassischen Feinguss-Verfahrens durch die Firma Nonnenmacher. Bei der Herstellung der Gyroid-Strukturen stellte sich heraus, dass das generative Microguss sich auch sehr gut in der Entwicklungs- und Prototypenphase eines Produktes eignet, da unterschiedliche Geometrie-, Design- und Materialvarianten eines Produktes in einer Fertigungscharge gefertigt werden können.
In der vorliegenden Abbildung sind diese Gestaltungsvarianten veranschaulicht gegenübergestellt. Es wurde ein 25 x 25 x 25 mm großer Gyroid-Würfel aus AlSi7Mg0.6 mit einer Wandstärke von ca. 0,2 mm erstellt. Dieser steht vergleichend auf einer gröberen Gyroid-Struktur mit den Maßen 30 x 35 x 5 mm und einer Wandstärke von ca. 1,4 mm, welche sowohl in AlSi7Mg0.6 als auch aus CuBe2 ausgegossen wurden. Durch die vielfältigen Variationsmöglichkeiten in einem Prozessschritt werden langwierige Iterationsschleifen und Anpassungsprozesse vermieden. Wie bereits dargestellt, können auch unterschiedliche Metalllegierungen für ein Produkt getestet werden, um die optimalen Eigenschaften für das gewünschte Teil herzustellen. Somit können verschiedene Strukturen und Materialien auf die Eignung als miniaturisierbarer Wärmetauscher in kurzer Zeit untersucht werden.
Geschäumter 3D-Druck: Auf die Zellstruktur kommt es an!
Förderhinweis: Das Projekt „Insel - Innovative Schaumstrukturen für den effizienten Leichtbau“ wird im Rahmen des Zentrums für Angewandte Forschung ZAFH durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und durch das Land Baden-Württemberg gefördert.
Leonie Wallat, Knut Heitzmann, Frank Pöhler
