Werkzeuggeschichten

In den letzten 30 Jahren hat die 3D-Druckindustrie eine Innovation nach der anderen hervorgebracht. Stereolithographie (SLA), Fused Deposition Modeling (FDM), selektives Lasersintern (SLS) und direktes Metalllasersintern (DMLS). Dies sind nur einige der Technologien, die die Art und Weise, wie wir Teile entwerfen, produzieren und beschaffen, verändert haben und ihren Erfindern einen besonderen Platz in den Annalen der Geschichte der additiven Fertigung (AM) eingebracht haben.

Hier kommt noch einer. Glücklicherweise gibt es kein eingängiges Akronym, das man lernen und sich merken kann. Auf den ersten Blick scheint sich diese neuartige AM-Technologie nicht allzu sehr von einigen anderen 3D-Druckmethoden zu unterscheiden, die im letzten Jahrzehnt auf den Markt kamen, doch dieser AM-Neuling hat gegenüber seinem nächsten Konkurrenten mehrere deutliche Vorteile.

Steve Connor und Ted Sorom, Gewinner des AM Startup Technology Award, Mitbegründer von Mantle Inc.

Es heißt TrueShape und verspricht, im Werkzeugbau das zu tun, was der Gründer von 3D Systems Inc., Chuck Hull, im Jahr 1984 im Prototyping tat, als er sein „Gerät zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch Stereolithographie“ zum Patent anmeldete und es dann der Welt vorstellte einige Jahre später den ersten kommerziellen 3D-Drucker – den SLA-1.

Ted Sorom und Steve Connor haben einen ähnlichen Weg eingeschlagen. Die beiden gründeten 2015 das in San Francisco ansässige Unternehmen Mantle Inc., verbrachten die nächsten fünf Jahre damit, eine hybride 3D-Druck- und Bearbeitungslösung zu entwickeln und haben seitdem entweder gedruckte Teile oder komplette Systeme bei Dutzenden von Werkzeugherstellern und Partnerfirmen eingesetzt; darunter Nicolet Plastics; Fathom Manufacturing; Anbieter von Plasmaschneidegeräten Hypertherm; und mehrere führende Anbieter medizinischer Geräte.

Diese und zahlreiche andere Hersteller sollen ihre Entwicklungszyklen um Wochen und manchmal Monate verkürzt, Millionen von Teilen mit TrueShape-gedruckten Formeinsätzen und Hohlräumen hergestellt und ihre Betriebskosten um 50 % oder mehr gesenkt haben, und das alles ohne Einbußen bei der Teilequalität oder Anforderungen erhebliche Designänderungen. „Der Status quo der Herstellung von Kunststoffspritzgussformen hat sich seit den 70er Jahren nicht geändert, als EDM (elektrische Entladungsbearbeitung) erstmals kommerziell verfügbar wurde“, sagt Sorom, der als Geschäftsführer von Mantle fungiert. „Unsere Technologie bietet die Möglichkeit, den Lauf einer monolithischen Industrie, die praktisch jeden Aspekt unseres täglichen Lebens berührt, erheblich zu verändern.“

Monolithisch wäre vielleicht eine Untertreibung. Allein der weltweite Werkzeugmarkt für den Kunststoffspritzguss beläuft sich auf 45 Milliarden US-Dollar, davon 8 Milliarden US-Dollar in den Vereinigten Staaten. Wenn man dazu die unzähligen anderen Komponenten aus gehärtetem Werkzeugstahl hinzufügt, die jedes Jahr hergestellt werden, ist es leicht zu verstehen, warum Mantles Behauptung, dass es bald „das Gesicht der Fertigung verändern“ wird, nicht auf die leichte Schulter genommen werden sollte.

Aus diesen Gründen hat die Society of Manufacturing Engineers (SME) Mantle kürzlich mit ihrem jährlichen AM Start-Up Technology Award ausgezeichnet, der Unternehmer würdigt, die eine einzigartige Technologie oder Anwendung bestehender Technologie entwickelt haben, die ein bestehendes Problem lösen kann nachgewiesen werden kann oder realistisch ist und das Potenzial hat, einen großen Markt oder einen Nischenmarkt zu bedienen.

Mantle hat jedes dieser Kriterien hervorragend erfüllt und im Rahmen des Bewerbungsverfahrens dem SME-Vorstand eine ausführliche, gut geschriebene Präsentation vorgelegt. „Wie viele in der Branche bemerkt haben, gibt es heutzutage eine ganze Reihe von Me-Too-Technologien“, erklärt Ethan Rejto, Marketingleiter bei Mantle, der bei der Erstellung der preisgekrönten Dokumentation mitgewirkt hat. „Wir liefern eine Lösung für einen bestimmten Marktbereich, den andere nicht bedienen können.“

Connor ist Mantles wissenschaftlicher Leiter. Er sagt, dass der TrueShape-Prozess mit einer Metallpaste beginnt, die mit H13- oder P20-äquivalentem Werkzeugstahlpulver gefüllt ist. Dieses proprietäre Material wird im „FDM-Stil“ auf eine Bauplatte extrudiert und nach jeder Schicht schnell mit einer Infrarotlichtquelle getrocknet, wodurch der flüssige Träger der Paste entfernt wird und ein Metallkompakt zurückbleibt, der Spuren von Bindemittel enthält.

Hier kommt der hybride Teil der TrueShape-Gleichung ins Spiel. Da der P-200-Drucker von Mantle auf einer echten Bearbeitungszentrumsplattform aufgebaut ist, können Schneidwerkzeuge in jeder Phase des Herstellungsprozesses eingesetzt werden. Dadurch wird der bei allen 3D-Druckern übliche Treppenstufeneffekt beseitigt, die Teilegenauigkeit erheblich erhöht und eine „butterglatte“ Oberflächengüte erzielt. Da der Metallpressling in diesem Stadium noch weich ist, sind die Vorschübe „etwa zehnmal schneller“ als bei der Bearbeitung herkömmlicher Werkzeugstähle, und das bei praktisch keinem Werkzeugverschleiß.

Nach Abschluss des Baus wird das Grünteil zum Sintern in den F-200-Ofen von Mantle gegeben. Dabei erreicht der Formeinsatz oder eine andere Werkzeugkomponente eine Rockwell-Härte von 40 % und kann später auf niedrige 50 % gehärtet werden. „In vielen Fällen sind die Teile produktionsbereit, sobald sie den Ofen verlassen“, sagt Connor.

Für diejenigen, bei denen dies nicht der Fall ist, sind lediglich leichte Polier-, Oberflächenschleif- oder Senkerodierarbeiten erforderlich. „Wir haben einen Kunden, der einen Riegel für einen Laptophalter für den Einsatz in Einsatzfahrzeugen hergestellt hat“, sagt Sorom. „Sie konnten übermäßig viel Bearbeitungszeit einsparen und Wochen früher als geplant liefern, bei entsprechend geringeren Kosten. In diesem und vielen anderen Fällen eliminiert TrueShape zwei Drittel der Verarbeitung, die normalerweise für die Lieferung einer Werkzeugkomponente erforderlich wäre. Darüber hinaus können wir konforme Kühlkanäle so einfach und kostengünstig erstellen, dass viele Formenbauer ihre Designstrategien überdenken müssen.“

Bei AM-Praktikern, die mit Binder Jet vertraut sind, schrillen möglicherweise gerade die Alarmglocken. „Was ist mit der Schrumpfung?“ Sie denken, der Fluch vieler solcher „Druck- und Sinter“-AM-Prozesse. Sorom hört diese Argumente oft. Er stellte fest, dass die jahrzehntealte Metallspritzguss-Technologie (MIM) Schrumpfungsraten von 25 % erzeugt, wobei der Binder-Jetting-Wert etwas darunter liegt. Er wies darauf hin, dass bei Mantle hergestellte Teile viel weniger schrumpfen als beides.

„Bei diesen verschiedenen Sintertechnologien ist es ein ziemlich schmutziges Geheimnis, ein gutes Teil aus dem Ofen zu bekommen“, sagt Sorom. „Sie erhalten möglicherweise einen wirklich großartigen Druck, aber das Endergebnis wird schlechter ausfallen als gewünscht, es sei denn, Sie können die Schrumpfung genau vorhersagen und minimieren. Wir ergreifen eine Reihe von Maßnahmen, um dies zu vermeiden. Zunächst stellen wir sicher, dass die Teiledichte während des Baus so hoch wie möglich ist. Darüber hinaus wählen wir unsere Pulver und Bindemittel sehr sorgfältig aus, verwenden ein einzigartiges, mehrstufiges Sinterverfahren und unsere Software leistet hervorragende Arbeit bei der Bewältigung potenzieller Problembereiche. Aus diesem Grund schrumpfen unsere Teile um maximal 9 %, weniger als die Hälfte aller anderen Teile in der Branche. Dadurch können wir im ersten Zoll eine Genauigkeit von plus oder minus 25 Mikrometern (+/- 0,001 Zoll) erreichen, mit etwa weiteren 25 Mikrometern für jeden weiteren Zoll.“

Schrumpfung ist wichtig, aber auch die Benutzerfreundlichkeit. Maschinisten, die dies lesen, fragen sich vielleicht, welche Herausforderungen die Generierung von Werkzeugwegen mitten in einem 3D-Druckprozess mit sich bringt. Kein Grund zur Sorge, bemerkt Sorom. Die Software automatisiert nicht nur einen Großteil der Bauvorbereitung, sondern generiert auch alle Bearbeitungswerkzeugwege und die Werkzeugauswahl, sodass keine CAM-Programmierung erforderlich ist.

„Ein Werkzeugbauer, der an unserer Lösung interessiert war, besuchte unsere Anlage“, erinnert er sich. „Er und sein Team hatten Geschichten über die riesige Anzahl von Parametern und Einstellungen gehört, die mit vielen 3D-Druckern verbunden sind, und wenn man noch die Bearbeitung mit einbezieht, dachten sie, dass es wahnsinnig schwierig sein würde. Also haben wir sie durch die Programmierung und den Betrieb geführt und ihnen bewiesen, dass praktisch jeder diese Maschine bedienen kann. Es dauerte nicht lange, bis sie eine Bestellung aufgegeben hatten.“

Ergebnisse wie diese sind für Sorom nicht überraschend. Als Maschinenbauingenieur arbeitete er an allem, vom Design von Verbraucherprodukten bis hin zu Beleuchtungssystemen für Filmemacher und Fernsehteams. Während seines Wirtschaftsstudiums an der University of California in Berkeley gründete er sein erstes Startup-Unternehmen, einen internationalen Zahlungsdienst. Als er Connor traf, der einige Jahre zuvor in Stanford seinen Doktortitel in Nanomaterialien erlangt hatte, beschloss Sorom, dass sein nächstes Unternehmen Produkte hervorbringen würde, „die wehtun würden, wenn man eines auf den Fuß fallen lassen würde“.

Mission erfüllt.

Wie ihre jüngste Auszeichnung beschreibt, gelten Mantle und seine Technologie immer noch als Start-up. Es bleibt noch viel Zeit, über die Zukunft nachzudenken, aber eines ist sicher: Der TrueShape-Prozess bietet Fertigungsmöglichkeiten, die weit über Formen und andere Formen harter Werkzeuge hinausgehen, einschließlich Endverbrauchskomponenten für die Medizin-, Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie. Aber zumindest vorerst haben Sorom, Connor und der Rest des Mantle-Teams alle Hände voll zu tun. „Wir haben die letzten sieben Jahre damit verbracht, ein System zu entwickeln, das die Werkzeuge effizienter produziert, mit denen die Teile hergestellt werden, die sich überall um uns herum befinden“, sagt Sorom. „Die Weiterentwicklung dieser Technologie wird uns noch einige Zeit beschäftigen.“