CIM-Pro: Prototypen im Keramikspritzguss: Schnell, seriennah, kostengünstig

Seriennahe Kleinst- oder Vorserien von CIM-Bauteilen in vier Wochen / Kläger fertigt Prototypen im Spritzgussverfahren aus Rapid-Tools im Zielmaterial

Dornstetten. „Time to Market“: Die Schnelligkeit, mit der man Produkte und Dienstleistungen an den Markt bringen kann, ist neben technologischem Know-how, Produktqualität und betriebswirtschaftlichen Rahmendaten ein entscheidendes Element für den unternehmerischen Gesamterfolg einer Idee oder eines Produkts. Diese Management-Faustformel gilt ganz unabhängig vom Produkt oder der Branche. Auch in der technischen Keramik ist der Hype um die additive Fertigung von Prototypen mittlerweile angekommen. Um ihren Kunden seriennahe Spritzgussteile aus technischer Keramik schnell zur Verfügung stellen zu können, verfolgt die Kläger Spritzguss GmbH & Co KG aus Dornstetten nun einen interessanten alternativen Ansatz.

Nach wie vor gehört die technische Keramik nicht zu den etablierten Werkstoffen in der industriellen Nutzung und auch das keramische Spritzgussverfahren ist für viele Konstrukteure und Entwickler immer noch exotisch. Auch wenn die keramischen Materialeigenschaften perfekte Bedingungen für höchste Anforderungen bieten, erfordert die geringe Erfahrung mit dem Hightech-Material, diese möglichst seriennah im Hinblick auf die Applikation zu verifizieren. Bislang konnten die hierfür notwendigen Muster als mechanisch gefertigte Bauteile aus Halbzeugen oder über die diversen additiven Fertigungsverfahren erstellt werden. Die Resultate: Je nach Geometrie machbar oder auch nicht, kostenintensiv, nicht unbedingt im vorgesehenen Serienmaterial und definitiv nicht mit dem späteren Herstellverfahren „Spritzguss“ vergleichbar.
Grund genug für die Nordschwarzwälder, sich nach einer alternativen Methode, möglichst nahe am Spritzguss, umzusehen, diese zu verifizieren und zu etablieren. In enger Kooperation wurde dies erfolgreich umgesetzt.

Wir können unseren Kunden damit einen enormen Wettbewerbsvorteil bieten“, skizziert Jens Graf, als Prokurist bei Kläger für Marketing und Vertrieb zuständig, das neue Angebot. Und das hat es in sich: Prototypen aus technischer Keramik können innerhalb von wenigen Werktagen seriennah gespritzt und anschließend den Folgeprozessen „Entbindern“ und „Sintern“ zugeführt werden. Kläger bietet damit seinen Kunden im Rahmen seiner Unternehmensphilosophie als Full Service-Partner einen fast unschlagbaren Vorteil: eine mit vier bis sechs Wochen Bruttoproduktionszeit für Prototypen aus technischer Keramik rasante „Time to Market“-Komponente.

Seriennahe Prototypen für den Funktionstest
Seriennahe, kleine Prototypenchargen werden gefertigt, weil die Kunden schnell keramische Echtteile für ihre jeweilige Applikation zum seriennahen Test benötigen. Damit wird zum Beispiel untersucht, ob es Interferenzen zwischen dem jeweiligen Zielmaterial, dem Produktionsverfahren und der Anwendung gibt. Die Verifikation von Material, Geometrie und Verfahren kann so schnell und einfach erfolgen – aber auch die komplexere Kombination dieser drei Komponenten. Die hohe Gestaltungsfreiheit des Spritzgießens macht es möglich, im optimalen Fall auch bei Keramikbauteilen im Rahmen des Ceramic Injection Mouldings (CIM) belastungsoptimierte Strukturen und Freiformflächen sowie komplexe Strukturen wie Hinterschnitte, Gewinde und Bohrungen so zu erzeugen, dass Materialverbrauch, Kosten und Gewicht minimiert und die Produkteigenschaften gesteigert werden können. Die intelligente Kombination von Spritzgießen und der zeitoptimierten Fertigung der dafür benötigten Werkzeuge macht den Mehrwert dieser Zusammenarbeit aus.

Schnellere und seriennähere Prototypen.
Bereits im Entwicklungsstadium auf Serienwerkstoffe zurückgreifen und damit testen zu können, stellt für viele Anwendungen einen unschlagbaren Vorteil dar. Die Erkenntnis, dass die Materialauswahl und deren Eigenschaften im 3D-Druck stark limitiert waren, führte zur Entwicklung eines raffinierten Spritzgussprozesses. Die ersten Versuche brachten raschen Erfolg und so wurde das vollautomatisierte Spritzgusssystem stetig weiterentwickelt.

„Additive Tooling“ und Spritzgießen
Im additiven Tooling werden keine kompletten Werkzeuge gefertigt, sondern nur die entsprechenden Formeinsätze im 3D-Druckverfahren. Diese bestehen aus oberflächenhartem und hitzebeständigem Duroplast und werden mit anderen Komponenten zu einer vollständigen Hybridform kombiniert. Die schnelle Umsetzung der 3D-Daten in reale, formgebende Werkzeugeinsätze und die damit mögliche schnelle Herstellung von CIM-Bauteilen auf kleinformatigen, Spritzgießmaschinen mit Formzuhaltekräften von bis zu 10 t. ergibt eine unvergleichliche Schnelligkeit des gesamten Herstellungsprozesses.

Kleinserien im Spritzgussverfahren
Das Spritzgussverfahren mit vorhandenen Stammwerkzeugen bietet sich für Kleinserien oder zur Verifizierung von Material und Verfahren an, wenn man das Axiom berücksichtigt, dass lediglich der formgebende Einsatz bauteilspezifisch herzustellen ist – und nicht das gesamte Werkzeug. Gleiches Equipment, gleicher Prozess, gleiches Material wie in der späteren Serie sind entscheidende Vorteile. Das große Plus: Gefertigt werden die Bauteile aus dem identischen Feedstock, der auch in der tatsächlichen Serienfertigung verwendet wird. Alle Keramikarten und alle keramischen Spritzgussmassen können eingesetzt und im Serienverfahren identisch gespritzt werden. Anschließend werden die Grünteile, ebenfalls unter Serienbedingungen, entbindert und gesintert. Reine Materialien wie Al2O3 oder ZrO2 sind ebenso verwendbar wie Aluminiumoxid-verstärkte Zirkonoxidkeramik (ATZ) oder Zirkonoxid-verstärkte Aluminiumoxid-Keramik (ZTA). Kläger ist damit also in der Lage, alle am Markt befindlichen CIM-Materialien, sowohl für Prototypen, in der Vorserie oder in der Serie, zu verarbeiten – gleichgültig, ob es sich dabei um Materialien mit POM-, PP- und PA-Bindern, Materialien auf Wachsbasis und chemisch oder katalytisch zu entbindernde Feedstocks handelt.

Auch kleine Losgrößen wirtschaftlich fertigen
Die wirtschaftlich sinnvoll zu fertigenden Losgrößen liegen zwischen einem und wenigen hundert Stück, die Teilegewichte zwischen 0,1 und 60 Gramm. Das Ziel von Kläger bei diesem interessanten Angebot: Die Hemmschwelle von Kunden beim Testen von Produkt- und Herstellungsalternativen so gering wie möglich halten, die Kosten für Prototypen minimieren, die Aussagefähigkeit für die Kunden verstärken und die Kunden auf ihrem Weg zum Markt deutlich schneller machen.

Kläger – Wertschöpfungspartner im besten Sinne
Vor 60 Jahren zur Herstellung von Kunststoffschalterdosen gegründet, ist die Kläger Spritzguss GmbH & Co KG seit mehr als zwei Jahrzehnten einer der führenden Hersteller von komplexen Spritzgießteilen: zum einen aus technischer Keramik, zum anderen aus unterschiedlichsten, hochwertigen Kunststoffen. Das langjährige Know-how in Sachen anspruchsvollster Keramikproduktion und Kunststoffteilefertigung, Werkzeugbau sowie Verarbeitung spezifischer Materialien setzt Kläger seit vielen Jahren als langfristiger Wertschöpfungspartner ein – ob für die Kundenproduktion oder im Auftrag als externer Werkzeugbauer. Kläger ist heute ein kompetenter Full-Service-Dienstleister und Partner für zahlreiche High-Tech Unternehmen: als Entwicklungspartner und zuverlässiger Hersteller von qualitativ hochwertigen Spritzgieß-Werkzeugen und als Produzent für hochwertige Serienteile im Spritzgießverfahren.

Wozu technische Keramik?
Keramische Spritzgussteile haben enorme Vorteile: Härte, Dichtigkeit, Temperatur- und Korrosionsbeständig, elektrisch isolierend, chemisch resistent geschmacks- und geruchsneutral und biokompatibel – all das können entscheidungsrelevante Vorteile sein. Produkte aus keramischem Spritzguss können in zweierlei Hinsicht herkömmlich gefertigte Produkte ersetzen: zum einen auf Material- und Verfahrensebene Metall- oder Kunststoffteile, zum anderen auf der Verfahrensebene traditionell hergestellte Produkte aus technischer Keramik. Selbstverständlich muss die Entscheidung über die einzusetzende Produktionstechnologie immer im Hinblick auf die Produktanforderungen und die Performance des Produkts getroffen werden. Die Substitutionsentscheidung kann dabei aufgrund höherer Applikationsanforderungen an ein bestehendes Produkt, wegen der Reduktionsmöglichkeiten der Herstellkosten oder aufgrund der Fertigung eines neuen Produkts für einen neuartigen Einsatzzweck fallen.

Immense Vorteile
„Sowohl die technische Keramik als Konstruktionswerkstoff als auch die CIM-Verarbeitung als Verfahren sind in der Industrie nach wie vor relativ unbekannt und führen immer noch ein Nischendasein. Das möchten wir ändern. Dabei können kostengünstige Prototypen helfen, die Hemmschwelle zum Anstoßen einer Entwicklung zu senken. Insbesondere dann, wenn die Prototypen auch einen gute Übertragbarkeit in die Serienfertigung bieten“, ist sich Jens Graf sicher. „Deshalb ist das CIM-Pro-Verfahren sehr gut dazu geeignet, das CIM-Spritzgießverfahren praxisnah darzustellen und einzusetzen. Unsere Kunden können damit sowohl deutlich schneller als auch sicherer vereinfachte Entscheidungsprozesse vornehmen.“ Ein Zeit- und Kosten-Plus, die kostengünstige und schnelle Erprobung neuer Produktqualitäten und einer alternativen Fertigungstechnologie können einen erheblichen Vorteil am Markt bieten.

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