Ein kleiner Ausschnitt aus mehr als 25 Jahren additiver Fertigung, bei dem Weihbrecht so manches Mal das Unmögliche möglich gemacht hat. Foto: K-MAGAZIN

„Nur ein Prozessschritt“

Additive Fertigung

Gerhard Weihbrecht, ein erfahrener Prototypenbauer, warnt beim 3D-Druck vor übertriebener Euphorie. Denn für Funktionsteile braucht es oft mehr als einen 3D-Drucker.

Gerhard Weihbrecht, Gründer und Geschäftsführer der Weihbrecht Lasertechnik, beschäftigt sich schon seit mehr als 25 Jahren mit der additiven Fertigung. So wurde in seinem Werk in Wolpertshausen in der Nähe von Schwäbisch Hall eine der beiden ersten Stereolithografieanlagen Deutschlands installiert – eine Technologie, der er bis heute treu geblieben ist, die aber trotz aller Verbundenheit und vieler guter Erfahrungen für ihn nicht mehr ist als ein Prozessschritt auf dem Weg zum Bauteil.

Mit Vakuumguss und Silikonformen lassen sich auch Mehrkomponententeile sehr gut herstellen. Foto: K-MAGAZIN
Mit Vakuumguss und Silikonformen lassen sich auch Mehrkomponententeile sehr gut herstellen. Foto: K-MAGAZIN

Denn bei dem derzeitigen Hype rund um die additive Fertigung wird nach Weihbrechts Überzeugung das wahre Potenzial der Technologie gerne überschätzt: „3D-Druck ist ein ganz tolles Verfahren, aber es ist nicht die eierlegende Wollmilchsau. Jeder will heute 3D-drucken und alle wollen auf den Zug aufspringen – aber der Zug fährt nicht so schnell, wie die Industrie und die Anwender denken. Ich sehe im Moment die Gefahr, dass Teile nur deshalb 3D-gedruckt werden, weil es ,in‘ ist, und nicht, weil es Sinn macht. Über diese Phase sind wir längst hinaus. Für uns ist der 3D-Druck nur ein Prozessschritt von vielen auf dem Weg zur optimalen Lösung, der sein Potenzial am besten in Kombination mit anderen Verfahren entfalten kann.“

Ein Verfahren, das sich besonders gut mit dem 3D-Druck ergänzt, ist für Gerhard Weihbrecht das Vakuumgießen, das in den 90er-Jahren seinen Höhepunkt hatte, seitdem aber etwas in Vergessenheit geriet – zu Unrecht, wie Weihbrecht glaubt: „Bei Kleinserien ab etwa fünf Bauteilen ist der Vakuumguss wesentlich effizienter als der Druck einzelner Bauteile, und bei komplexen Funktionsteilen, in die zum Beispiel Gewindebuchsen, Leiterbahnen oder andere Metallteile eingegossen oder sogar Lagersitze eingepresst werden müssen, kommt man auch bei Einzelstücken am Vakuumgießen nicht vorbei.“

E-Modul und Shore-Härte einstellbar

Als Werkstoff kommen beim Vakuumgießen ausschließlich Polyurethane zum Einsatz, also Duroplaste und keine Thermoplaste. Für Weihbrecht aber kein Nachteil, denn die Polyurethane decken heute nach seiner Erfahrung eine riesige Materialpalette ab: „Die Hersteller haben in den letzten Jahren enorme Anstrengungen unternommen und so können wir heute mit den Duroplasten fast jeden Thermoplast imitieren – bis hin zu Elastomeren wie Gummi oder Silikon. An der Verarbeitung hat sich in den letzten 20 Jahren nichts geändert, aber auch daran nicht, dass Duroplaste bei der Schnelligkeit, mit der sich Prototypen und Vorserienteile herstellen lassen, unschlagbar sind. Durch diese Schnelligkeit nehmen die Kunden auch einen Duroplast in Kauf, denn – wie gesagt – bei den Eigenschaften können wir jeden Thermoplast imitieren. Wenn heute ein Kunde einen E-Modul von X braucht oder eine Shore-Härte von Y, können wir dies mit unseren Duroplasten einstellen.“

Für die additive Fertigung der Urmodelle, die für die Herstellung der Silikonformen benötigt werden, setzt Gerhard Weihbrecht nach wie vor auf die Stereolithografie. Seine Begründung: „Die Maschinen sind sehr genau und wir können dadurch enge Toleranzen einhalten. Zudem lässt sich der Werkstoff sehr gut nachbearbeiten, weil er zwar etwas spröde, aber sehr hart ist. In reiner Handarbeit entfernen wir die Stützstrukturen, schleifen und polieren die Oberflächen und erzeugen maßhaltige Flächen oder scharfe Kanten, um dem Originaldatensatz möglichst nahezukommen. Dadurch können wir sehr hohe Genauigkeiten und sehr gute Oberflächengüten erreichen, die wir dann beim Abgießen im Vakuum eins zu eins ins Bauteil übertragen.“

20 bis 30 Teile aus einer Form
Bauteile mit gewissen Hinterschnitten lassen sich einfach durch Verformen der Silikonform entnehmen. Foto: K-MAGAZIN
Bauteile mit gewissen Hinterschnitten lassen sich einfach durch Verformen der Silikonform entnehmen. Foto: K-MAGAZIN

Die Silikonformen haben für Weihbrecht den großen Vorteil, dass sie sehr einfach herstellbar sind und dass sich zudem gewisse Hinterschnitte einfach durch Verformen des Werkzeugs beim Entformen abdecken lassen. Dies ist aber auch gleichzeitig eine der Schwachstellen, was die Lebensdauer der Formen betrifft. Gerhard Weihbrecht: „Der PU-Werkstoff reagiert, sobald die zwei Komponenten zusammenkommen, und entwickelt dann im Werkzeug eine erhebliche Hitze. Diese Hitze führt mit der Zeit zur Versprödung des Silikonwerkzeugs. Die Folge: Vor allem an Stellen mit Hinterschnitten, bei denen das Werkzeug zur Entformung verformt werden muss, kommt es zu Rissen und dann muss die Form ersetzt werden. In aller Regel kann man deshalb aus einem Werkzeug 20, manchmal auch 30 Abgüsse machen.“

Bei mehr als 100 Bauteilen setzt Weihbrecht in der Regel auf eine Mehrfachform, also eine Form mit mehreren Formnestern. Alternativ können aber auch zwei oder mehr Formen hergestellt werden.

Besondere Vorteile hat das Vakuumgießen bei der Herstellung von Mehrkomponenten­teilen. Dazu Gerhard Weihbrecht: „Wir können mit dem Vakuumguss wundervoll verschiedene Materialien mixen, also zum Beispiel harte und weiche Werkstoffe. Wenn man im Vorfeld überlegt, in welcher Folge die einzelnen Werkstoffe am besten hergestellt werden, lassen sich auf diese Art und Weise Mehrkomponententeile sehr gut produzieren.“

Auch das Verbinden mit anderen Bauteilen ist sehr gut machbar. Ein gutes Beispiel für die damit verbundenen Möglichkeiten ist für Gerhard Weihbrecht das Herstellen von Scheibendichtungen: „Ein großer Vorteil des Gießens: Wir können sehr einfach feste Bauteile in die Form einlegen und vergießen und so zum Beispiel eine Gummidichtlippe für eine Autoscheibe herstellen.
Dazu wird die Gummilippe auf Basis der CAD-Daten als Stereo­lithografiebauteil gedruckt unddann zusammen mit der Scheibe abgegossen. Jetzt brauchen wir nur noch die Scheibe in die Vakuumform einzulegen und können die Dichtlippe angießen.“

0,05 mm Genauigkeit ist nach Erfahrung von Gerhard Weihbrecht mit einer Kombination aus Stereolithografie und Vakuumguss für Prototypen und Kleinserienteile durchaus machbar.

Ein absolutes Zukunftsthema ist für Gerhard Weihbrecht die Herstellung von Prototypen im Steckerbereich: „Heutige Elektronikstecker besitzen ein sehr komplexes Innenleben und brauchen als Schutz ein Kunststoffgehäuse darum herum. Das komplexe Innenleben passt ideal zu unserer anderen Sparte, der Blechbearbeitung, wo wir mit Laserfeinschneid- und Mikrowasserstrahlschneidanlagen und einer einzigartigen Mikro­biegemaschine komplexeste Konturen für Elektronikstecker herstellen können. Mit diesen Elementen gehen wir dann in unseren Kunststoffmodellbau und stellen die dazu nötigen Formen her. Mit einer unserer beiden Stereolithografieanlagen drucken wir die Stecker aus und können dabei sogar die Leiterbahnen via Stereo­lithografie imitieren. Die Stecker werden dann mit Silikonformen abgeformt. Über verschiedene Formvorgänge können wir dann Vakuumformen herstellen, in die wir die Leiterbahnen einlegen und mit einer Vakuum­gießanlage mit Polyurethan umgießen. Das Ergebnis ist ein funktionaler Stecker. Mit dieser Technologie sind wir praktisch wettbewerbslos. Allerdings ist diese durchgängige Lösung im Markt noch nicht überall bekannt. Deshalb wird hier heute immer noch sehr viel von Hand gemacht.

Enge Toleranzen kein Problem

Filigrane Strukturen und enge Toleranzen, wie sie nicht nur bei den Steckern gefordert sind, stellen für Weihbrecht kein Problem dar. Mit der kleineren der beiden Stereolithografieanlagen sind Genauigkeiten von 5/100 mm machbar – und die lassen sich über den Vakuumguss mit den verschiedensten Werkstoffen einfach ins Bauteil übertragen.

Gerhard Weihbrecht, Gründer und Geschäftsführer der Weihbrecht Lasertechnik Foto: K-MAGAZIN
Gerhard Weihbrecht, Gründer und Geschäftsführer der Weihbrecht Lasertechnik Foto: K-MAGAZIN

„Bei Kleinserien ab etwa fünf Bauteilen ist der Vakuumguss wesentlich effizienter als der Druck einzelner Bauteile.“

Bei den Kunststoffteilen für die Stecker kommt es auch weniger auf die absolute Genauigkeit an. Wichtig ist vor allem, dass die Elemente zusammenpassen. Gerhard Weihbrecht: „Ob der Stecker ein Zehntel Millimeter größer oder kleiner ist, spielt in dieser Phase keine große Rolle, aber Stecker und Grundgehäuse müssen gut zusammenpassen. Wichtig ist die Genauigkeit nur bei den Pins, und die kommen ohnehin aus der Metallbearbeitung. Der Kunststoff hat nur die Aufgabe, die Metallteile zu schützen und zu fügen.“

Während Weihbrecht in seinem Unternehmen sehr auf pragmatische Lösungen und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses achtet, führt der Hype des 3D-Druckens in anderen Unternehmen zu durchaus fragwürdigen Lösungen. Dazu ein Beispiel von Gerhard Weihbrecht aus dem Maschinenbau: „Eine Beratungsfirma wollte an einem typischen Maschinen­bauteil die Möglichkeiten der additiven Fertigung zeigen. Dazu wurde ein ganz normaler Hebel mit Fräsungen, Passungen und vorgegebenen Flächen, der heute aus dem Vollen gefräst wird, für den 3D-Druck überarbeitet. Der Hebel wurde in einem tollen bionischen Design so gestaltet, dass er alle Funktionen optimal erfüllt, aber um ein Drittel leichter ist.“

Mit Polyurethan kann Weihbrecht fast jeden Thermoplast imitieren – bis hin zu Elastomeren wie Gummi oder Silikon. Foto: K-MAGAZIN
Mit Polyurethan kann Weihbrecht fast jeden Thermoplast imitieren – bis hin zu Elastomeren wie Gummi oder Silikon. Foto: K-MAGAZIN

So weit die gute Nachricht. Um dies zu erreichen, besteht das bionische Bauteil allerdings praktisch ausschließlich aus Freiformflächen – und damit lässt es sich nicht mehr vernünftig spannen, um auf einer Fräsmaschine die Passungen einzubringen. Also musste man additiv auch noch eine Vorrichtung herstellen, um das Bauteil vernünftig spannen zu können.

„Da stellt sich natürlich die Frage, was durch die additive Fertigung eingespart wurde, und so schön das Teil ist – wirtschaftlich macht dies alles keinen Sinn“, so das nüchterne Resümee von Gerhard Weihbrecht. Doch, so seine Erfahrung, „so denken heute viele. Für mich ist das aber der falsche Ansatz. Es ist Unsinn, alles, was heute konventionell hergestellt wird, mit additiver Fertigung ablösen zu wollen. Ich bin ein Anhänger der Philosophie, alles, was sich konventionell herstellen lässt, auch konventionell zu lösen. Die Technologien sind bekannt, etabliert und prozesssicher nutzbar. Auch wenn man dies alles lässt, gibt es noch genügend Bereiche, in denen eine additive Fertigung absolut Sinn macht. Dies umso mehr, wenn man die additive und die konventionelle Fertigung kombiniert und so die Stärken jedes Verfahrens optimal ausnutzt“.

Einsatz im Serienfahrzeug

Dazu als Beispiel ein Bauteil aus dem Innenraum eines Oberklassefahrzeugs, das bei unserem Besuch in Wolpertshausen produziert wurde. Schon die normalen Stückzahlen sind hier eher klein – bei den Rechtslenkerversionen nähern sie sich homöopathischen Dosen. Dies ändert aber nichts am hohen Qualitätsanspruch, der dazu führt, dass ein Spritzgießwerkzeug für ein größeres Bauteil durchaus weit über 100.000 EUR kosten kann. Bei einer Jahresproduktion der Rechtslenker von weniger als 100 wäre dies ein sehr teures Vergnügen, wenn es Weihbrecht nicht gäbe. Als Zulieferer druckt er das Bauteil mit einer Stereolitho­grafieanlage aus, bearbeitet die Oberflächen und Konturen nach, erstellt mit diesem Teil eine Vakuumform und produziert die Teile über Vakuumguss aus PU – mit Oberflächen und Eigenschaften, die einem Spritzgussteil ebenbürtig sind, aber zu einem Bruchteil der Kosten. Und Weihbrecht geht sogar noch weiter: „Wir haben Stereolithografiebauteile schon so nachbearbeitet, dass wir damit Blechteile imitieren konnten.“ Auch hier ist die additive Fertigung ein wichtiger Prozessschritt – aber nur einer von vielen. Ein weiteres Beispiel dafür, dass der umtriebige Unternehmer sein Credo der optimalen Kombination verschiedener Verfahren nicht nur propagiert, sondern auch lebt, und dies auch über die Kunststoffverarbeitung hinaus. So hat das Unternehmen für seine Metallsparte – sicher auch mit einem Seitenblick auf den Kunststoffformenbau – unlängst in ein absolutes Hightechsystem investiert, das in einer Maschine Metall laserauftragsschweißen und anschließend für ein Maximum an Qualität und Präzision spanend bearbeiten kann.

Günter Kögel

 

Anlaufbild: K-MAGAZIN