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Rapid Prototyping
 
Neben speziell für die Prototypenfertigung bzw. die Fertigung von Urmodellen entwickelten Verfahren, wie beispielsweise das Lasersintern oder die LOM-Technik, findet man im Prototypenbau sämtliche Kunststoffe, die auch sonst im Modell- und Formenbau zur Anwendung kommen. Besonderheit hier ist aber, dass insbesondere mit den Vakuum- Gießharzen und RIM-Harzen die Eigenschaften anderer, zumeist thermoplastischer Kunststoffe möglichst realistisch simuliert werden sollen. Dies gilt natürlich nur für einen bestimmten Temperaturbereich. Immerhin sind duromere Werkstoffe heute aber schon in Bereichen von deutlich unter -20°C bis hin zu Temperaturen im Bereich von bis zu 200°C einsetzbar. Silicone erlauben sogar noch weit höhere Temperaturen.
 
Ein recht seriennahes Verfahren im Rapid Prototyping ist der Niederdruck Reaktionsspritzguss (RIM, engl. = Reaction Injection Moulding). Dieses Verfahren kommt zwar ähnlich auch in der Serienfertigung zum Einsatz, wobei dann aber die Anforderungen an Verarbeitungs- und Taktzeiten und auch an die Endeigenschaften doch noch stark abweichen können. Aufgrund der großen Bandbreite der zu simulierenden Kunststoffe gibt es auch entsprechend viele Prototypen-Harze. RIM-Harze sind grundsätzlich Kombinationen aus einem Harz (zumeist Polyolen) und einem Isocyanat. Die Reaktion verläuft demzufolge nach dem selben Mechanismus ab wie er bei Polyurethan-Gießharzen beschrieben ist. Hier allerdings deutlich beschleunigt und deshalb auch mit einer deutlich höheren Exothermie. Dies ist beim Schwund bzw. der Konstruktion des Urmodells und auch bei den Trennmitteln zu berücksichtigen. Im Allgemeinen lassen sich die mechanischen Eigenschaften der aus RIM- Harzen hergestellten Teile durch anschließende Temperung noch deutlich steigern. Das gilt insbesondere für die Schlagfestigkeit. Formen für das RIM-Verfahren werden teilweise aus Siliconen gefertigt, die dann zusätzlich gestützt werden sollten. Aufgrund des Drucks beim Befüllen der Form (ca. 6 bar) sind harte Formen, z.B. aus Modellbauwerkstoff, jedoch günstiger.
 
Ein besonders großes Spektrum an verschiedenen mechanischen Eigenschaften decken die im Rapid Prototyping vielfach verwendeten Vakuum-Gießharze ab. Hier werden nahezu alle Eigenschaftsprofile von gummielastisch bis sehr hart, oder besonders hohe Schlagzähigkeit abgedeckt. Um auch bei der Verarbeitung variabel zu sein, sind meist verschiedene Topfzeiten verfügbar bzw. durch Kombination der einzelnen Komponenten verschiedene Arbeitsweisen möglich. Die Hersteller von Vakuum-Gießharzen bieten ihre Harze meist mit Angaben über die zu simulierenden Kunststoffe an. So werden neben Zugfestigkeiten und Biege E-Modulen in der Regel auch die simulierten Kunststoffe wie PE, PP, ABS oder PA angegeben. Wie auch bei den meisten RIM-Harzen wird von den Herstellern nach der Aushärtung der aus Vakuum-Gießharzen gefertigten Teile eine nachfolgende Wärmebehandlung (Temperung) empfohlen. Dadurch lassen sich die mechanischen Eigenschaften zum Teil noch deutlich steigern. Bei manchen Produkten werden die beschriebenen Eigenschaften ohne Temperung gar nicht erreicht. Insbesondere das Erreichen von hohen Wärmeformbeständigkeiten und Schlagfestigkeiten erfordert eine Temperung. Zwar können sich die Eigenschaften auch durch längere Lagerung bei Raumtemperatur noch geringfügig verbessern. Die Wärmebehandlung ist aber nicht zu ersetzen, da es erst bei erhöhten Temperaturen zu physikalisch bedingten Ausrichtungen der Teilchen kommt.
 
Auch absolut transparente und zudem UV-beständige Teile lassen sich fertigen. Bei transparenten Gießharzen kommt aber bei der Verarbeitung eine Besonderheit hinzu: da hier als Schutz vor Feuchte kein Molekularsieb zugegeben werden kann, sind transparente Vakuum-Gießharze allgemein im Vakuum vor dem Vermischen mit dem Härter zu entfeuchten. Dies geschieht am besten, wenn das zuvor leicht erwärmte Harz einige Zeit unter vollem Vakuum gerührt wird. Die enthaltene Feuchte wird dabei in der Regel gut aus dem System entfernt. Feuchtigkeit würde sonst zu einem schlechten Gießling führen, da bei der Reaktion mit dem Härter Bläschen entstehen würden. Obwohl Vakuum-Gießharze in einem recht hohen Preissegment angesiedelt sind, ist die Fertigung von Prototypen mit diesem Verfahren aufgrund der geringen Formen-Herstellungskosten im Vergleich zu Serienverfahren recht günstig. Auch Vakuum-Gießharze sind im Allgemeinen Polyurethan-Systeme.
 
Ein aus arbeitshygienischer Sicht besonders wichtiger Aspekt ist die Gefährlichkeit der verwendeten Arbeitsstoffe. Die meisten Vakuum-Gießharze sind nicht als Gefahrstoff deklariert. Auch die Härter, in der Regel Isocyanate, sind zumeist ungiftig. Auch ist der Dampfdruck der Isocyanate bei Raumtemperatur sehr gering, so dass es kaum zu belastenden Dämpfen kommt. Dies ändert sich allerdings dramatisch im Vakuum. Bei vollem Vakuum entstehen in der Vakuum-Gießanlage erheblichen Mengen an Dämpfen. Diese sind insbesondere bei Isocyanaten nicht ungefährlich, da sie eine starke Reizwirkung, besonders auf Augen, Atemwege und Schleimhäute ausüben. Hier ist es besonders wichtig, dass die Abluft der Vakuum-Anlagen aus dem Arbeitsraum heraus ins Freie abgeführt wird. Einige der verwendeten Vakuum-Gießsysteme, besonders bei Elastomeren und transparenten Gießharzen, sind zudem quecksilberhaltig, bzw. der Härter ist sogar selbst giftig. Bei der Verwendung von solchen Systemen ist die Einhaltung der Arbeitshygiene besonders wichtig.
 
Bei Siliconen für den Formenbau, insbesondere im Vakuumgießen, haben sich praktisch nur transluzente, additionsvernetzende Silikone am Markt durchgesetzt. Dies liegt im Wesentlichen sicher daran, dass man in die Form beim Aufschneiden hineinsehen kann und so das Schneiden entlang der Trennung wesentlich einfacher ist. Auch beim Verguss ist das Füllen der Form sichtbar. Bei den Härtegraden hat sich ein Bereich von ca. Shore A 40-45 etabliert. Im offenen Verguss und bei der Abformung im Kunstsektor werden dagegen oftmals eingefärbte (weiße) kondensationsvernetzende Silicone verwendet. Dies liegt auch daran, dass man mit kondensationsvernetzenden Siliconen praktisch jede Oberfläche abformen kann, ohne dass es zu Vergiftungen (Inhibition) bei der Vernetzung des Kautschuks kommt. Aus additionsvernetzenden Siliconen lassen sich auch sehr gut elastomere Teile fertigen, wie dies auch bei Serienprodukten der Fall ist. Im Unterschied dazu sind die im Prototyping verwendeten Silicone aber fast ausschließlich bei Raumtemperatur vernetzende Systeme.
 
Epoxidharze finden im Prototypenbau vorwiegend als Laminierharze Verwendung. Hier kommt den Epoxiden zugute, dass mit ihnen Faserverbundteile (Composites) mit sehr anspruchsvollen Eigenschaften gefertigt werden können. Dies betrifft insbesondere die recht hohen Festigkeiten und Wärmeformbeständigkeiten. Dies lässt sich durch moderne Verfahren wie z.B. das Vakuum-Infusions-Verfahren noch deutlich steigern, wobei dann sogar noch Gewichtseinsparungen möglich sind. Aus Epoxid-Harzen gefertigte Composites müssen nach erfolgter Aushärtung in der Regel noch einer längeren Wärmebehandlung unterzogen werden. Durch die allgemein von den Herstellern vorgegebenen Stufen-Temperprogramme lassen sich erst die möglichen hohen Wärmeformbeständigkeiten und Festigkeiten des Bauteils erzielen. Neben den zumeist ungefüllten Laminierharzen gibt es auch gefüllte Laminierharze, mit denen sich in dickeren Schichten arbeiten lässt. Zum Prototypenbau gehört auch der Formenbau. Auch hier kommen oft Epoxid-Harz basierende Gel-Coats zum Einsatz. Allerdings hat sich gerade in einer Branche, wo es um kürzeste Lieferzeiten geht, der CNC-gestützte Formenbau stark etabliert.
1. Einführung
2. Kunststoffe und Chemie
3. Epoxidharze
4. Polyesterharze
5. Polyurethanharze
6. Silicone
7. Eigenschaften und Prüfung
8. Modellbauwerkstoffe
9. Rapid Prototyping
10. Klebstoffe
Allgemeines
Gefahrensymbole
Transportsymbole
R-Sätze
S-Sätze