Vakuumguss

1. Was genau ist der Vakuumguss?

Der Vakuumguss stellt ein weit verbreitetes Verfahren zur vergleichsweise kostengünstigen und dabei schnellen Vervielfältigung von Prototypen bzw. Urmodellen dar. Prototypen. Auf diese Weise lassen sich Abgüsse für zum Beispiel Bau- und Formteile, Funktionsmodelle oder auch Kleinserien aus kunststoffartigen Werkstoffen herstellen. Ein beliebtes Feature stellt insbesondere die Produktion von Kleinserien mit bis zu etwa 200 bis 250 einzelnen Teilen dar.

Die Vervielfältigung der Prototypen oder Urmodelle erfolgt dabei in einer Silikonkautschuk-Form. Der Produktionsprozess selbst findet in einer Vakuumgießmaschine statt. Diese ist in der Form konstruiert, dass Lufteinschlüsse im Abgussteil von vorneherein vermieden werden. Grundsätzlich basiert das Vakuumgießen auf der so bezeichneten Abformtechnik, die exakt und sauber gearbeitete Oberflächen hervorbringt. Einordnen lässt sich der Vakuumguss in den Bereich der Folgeverfahren. Das ergibt auch Sinn, da das Vakuumgießen immer einen 3D-Datensatz oder ein Artikelmuster benötigt. Dies stellt die Grundlage für das weitere Vorgehen dar. Aufgrund dieser Voraussetzung wird das Verfahren auch häufig als eine spezielle Kopiertechnik definiert.

2. Wie werden Urmodelle oder Prototypen gefertigt?

Die am häufigsten genutzten Prototypen sind Stereolithografie-Prototypen respektive Modelle, die via 3D-Druckverfahren erstellt werden. Im Rahmen der Stereolithografie (kurz: SL) kommt es dabei zu einem schichtweisen Aufbau der Bauteilgeometrie, wobei die einzelnen Schichten letztendlich durch die Aushärtung der verwendeten Materialien fertiggestellt werden. Als Material wird in der Regel ein lichtaushärtender flüssiger Kunststoff verwendet. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um ein Acrylat, ein Epoxidharz oder andere flüssige Photopolymere.

Neben der Stereolithografie kommt bei der Fertigung von Prototypen, Urmodellen und Mustern zudem das Selektive Lasersintern (kurz: SLS) zum Einsatz. SLS gehört zu den generativen Schichtbauverfahren. Von der Verfahrenstechnik her erzeugen Laserstrahlen dreidimensionale Geometrien beliebiger Art. Das Selektive Lasersintern erzeugt dabei auch Teile mit Hinterschneidungen. Das ist bei einer konventionellen gießtechnischen und mechanischen Fertigungslösung in dieser Form nicht möglich.

Auch gefräste bzw. gedrehte Prototypen sind diesbezüglich als Muster für den Vakuumguss weit verbreitet. Unabhängig von der Entstehungsart kommt es dabei immer darauf an, dass Aufbau und Struktur der Prototyp-Oberfläche der Oberfläche des via Vakuumguss herzustellenden Endprodukts möglichst nahekommt.

3. Welche Materialien können für den Vakuumguss genutzt werden?

Beim Vakuumguss werden vorwiegend Kunststoffe in Form von Gießharzen auf 2K-Polyurethan-Basis sowie auf 3K-Polyamid-Basis verarbeitet. In der Mehrzahl der Anwendungsfälle handelt es sich hierbei um Silikone sowie Polyurethane (PUR). Werden Additive bzw. bestimmte Zusatzstoffe hinzugefügt, lassen sich auf diese Weise relevante Werkstoffe wie ABS, PA, PS, PC oder beispielsweise auch PMMA simulieren.

Das bedeutet, dass die technischen Eigenschaften der Gussteile vergleichbar mit denen der thermoplastischen Kunststoffe sind. Als weitere Materialien kommen vor allem niedrig schmelzende Metalllegierungen und schmelzfähige Wachsmaterialien für die Verwendung (für den Feinguss) in Betracht.

Durch diese Materialvielfalt und mithilfe der zugesetzten Additive ist die Herstellung von Modellen, Prototypen und Bauteilen möglich, die werkstoffähnliche Kennwerte aufweisen wie zum Beispiel glasfaserverstärkte Polyamide (PA-GF) und ähnliche Materialien. Werden elastomere Materialien benötigt, können diese in unterschiedlichen Shore-Härtegraden nachgebildet werden. Auch Silikone lassen sich diesbezüglich in verschiedenen Shore-Härten verarbeiten. Für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie können zudem auch lebensmittelechte Silikone im Rahmen des Vakuumguss-Verfahrens genutzt werden.

4. Wie wichtig sind Urmodelle für den Vakuumguss?

Ohne ein Urmodell ist das Vakuumgießen überhaupt nicht möglich. Zu Beginn muss immer erst ein entsprechender Prototyp oder ein spezielles Muster angefertigt werden. Nutzen Sie hierfür zum Beispiel das 3D-Druckverfahren, profitieren Sie von Weiterverwendungsmöglichkeiten. Denn beim 3D-Druck betten Sie das Urmodell in eine teilbare Silikonform ein.

Nach der Polymerisation teilen Sie dann die Form und entnehmen das fertige Modell. Anschließend können Sie die Silikonform für die Vervielfältigung im Rahmen des Vakuumgießens weiter verwenden. Mindestens 20 Abgüsse lassen sich in der Regel aus einer Form anfertigen. Ist die ganzheitliche Baugeometrie entsprechend abgestimmt und passen die Rahmenbedingungen rundum das genutzte Gussmaterial, sind auch jederzeit höhere Stückzahlen möglich.

Beim Fertigungsprozess wird dann die Silikonform unter Vakuum erwärmt. Durch das Zusammenspiel von Erwärmung und Vakuum können bei der Fertigung Lufteinschlüsse und damit auch Hohlräume im jeweiligen Bauteil überwiegend verhindert werden. Das läuft folgendermaßen ab: Die Luft entweicht aufgrund der Erwärmung aus der Silikonform. Zudem sorgt die Erwärmung für eine schnelle Verfestigung der Form sowie für die Steigerung der Genauigkeit von Abgüssen. Dies stellen also wesentliche Qualitätsmerkmale dar.

5. Wie funktioniert die Vakuumgießtechnik?

Die Vakuumgießtechnik nutzt Silikonwerkzeuge unterschiedlicher Art, um duroplastische Abzüge der Urmodelle bzw. der Prototypen herzustellen. Der Name ist dabei gleichzeitig Programm. Denn das im Verfahrensnamen integrierte Vakuum nimmt beim eigentlichen Gießprozess eine wesentliche Rolle ein. So erfolgt der Gießvorgang immer unter Vakuum. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das für den Abguss genutzte Material blasenfrei verarbeitet wird. Außerdem verhindert das Vakuum im Produktionsprozess auftretende Fließwiderstände innerhalb der verwendeten Werkzeuge, da es nicht zu Lufteinschlüssen kommt.

6. Wie sehen die Arbeits- bzw. Fertigungsschritte im Einzelnen aus?

• Zu Beginn muss immer ein Urmodell als Vorlage für die bedarfsgerechte Silikonform erstellt werden.
• Handelt es sich bei dem Urmodell um ein Stereolithografie-Modell auf Basis von 3D-Daten, wird flüssiges Polymerharz schichtweise aufgebaut.
• Anschließend folgt die Aushärtung durch einen Laser, eine gründliche Reinigung sowie die finale Aushärtung in einer Ofenanlage. Es ist auch möglich, das Urmodell nachträglich individuell nachzubearbeiten, sobald Sie es dem Stützkorsett entnommen haben.
• Dann fixieren Sie das gefertigte Urmodell in einem Rahmen und füllen das flüssige Silikon bei Unterdruck ein. Diesen Vorgang bezeichnen die Hersteller als Abformen.
• Durch Erwärmung unter Vakuum entweicht die Luft, was unter anderem für eine hohe Stabilität der Silikonform sorgt.
• Nach der Fertigstellung der Silikonform spritzen Sie das jeweils genutzte Material bei Niederdruck ein. Anschließend kommt die Form in einen Wärmeschrank bzw. einen Ofen zwecks kompletter Aushärtung.
• Liegt die Silikonform in der finalen Fassung vor, müssen Anguss und Entlüftungen angebracht werden. Erst dann kann der erste Guss starten.
• Die beiden Formhälften werden dabei auf etwa 70° Celsius erwärmt und zusammengefügt.
• Jetzt können ein Schlauch oder ein Trichter in den Anguss eingeführt werden. Zudem müssen die Einfüllwerkzeuge der Gießanlage und die vorbereitete Form exakt positioniert werden.
• Das Material wird in der Kammer der Gießanlage unter vollem Vakuum bis zu etwa neun Minuten evakuiert. Dies dient als Vorbereitung für den eigentlichen Guss.
• Dafür wird das Material über den Schlauch durch Schwerkraft und Druckausgleich in die Form gepresst, bis jede noch so kleine Nische ausgefüllt ist.
• Die gefüllte Form wird dann aus dem Vakuum entnommen und im Ofen ausgehärtet. Nach einer definierten Entformzeit können Sie die Teile aus der Form entnehmen und Ihr Finish starten. Sie können die Teile diesbezüglich zum Beispiel lackieren oder verschleifen. Die Form steht Ihnen anschließend für weitere Abgüsse wieder zur Verfügung.

7. Welche Bauteile können mit dem Vakuumguss hergestellt werden?

Das Vakuumguss-Verfahren ist ideal geeignet für die Fertigung von Kunststoff-Bauteilen und Modellen in kleinen bis mittleren Stückzahlen. Die Formkosten sind dabei zum Beispiel im Vergleich zum Spritzguss deutlich niedriger. Daher gilt das Vakuumgießen auch als kostengünstige Lösung. Das Verfahren kommt beispielsweise bei der Herstellung von Dichtungen aus gummiähnlichen Materialien oder von Filmscharnieren aus bruchfesten, schlagzähen Materialien zum Einsatz. Auch bei der Kleinserienfertigung hat sich der Vakuumguss als Herstellungsverwahren bewährt und etabliert.

Das Verfahren ermöglicht zudem die Fertigung von Hinterschnitten bei Bauteilen sowie die Herstellung von nahtlosen Hohlkörpern auf Basis der so bezeichneten Schleudertechnik. Außerdem können mit dem Vakuumguss-Verfahren auch Bauteile mit mehreren Komponenten (zum Beispiel Hart-Weich-Teile im Zuge des Mehrschnitt-Verfahrens) und Objekte mit Metalleinlegern gefertigt werden.

Dies sind die relevantesten Anwendungsgebiete:

• Funktionsmodelle
• Designmodelle
• Messemodelle
• Bauteile mit unterschiedlicher Komplexität
• Mehrfarbige Bauteile
• Hochpräzise Gussteile mit sauberen Oberflächen
• Kleinserien

8. Wie lassen sich die Oberflächen veredeln?

Die Oberflächen der via Vakuumguss gefertigten Form- und Bauteile lassen sich grundsätzlich seriennah verwirklichen. Durch eine entsprechende Veredelung der Oberfläche lassen sich Teile verwirklichen, die über die gleichen mechanischen Eigenschaften wie das Original verfügen und zudem optisch täuschend echt nachgebildet sind. Um die Oberfläche entsprechend der individuellen Anforderungen und Wünsche zu veredeln, können Sie zwischen folgenden Verfahren wählen:

• Polieren: Durch das Polieren erschaffen Sie Oberflächen in Hochglanz-Optik.
• Bedrucken: Logos, Schriftzüge oder auch ganze Beschriftungen sind jederzeit realisierbar.
• Einfärben: Die Abgüsse lassen sich farblich einfärben. Wird bereits das Grundmaterial beim Gießverfahren entsprechend eingefärbt, lassen sich opake Bauteile in unterschiedlichen Farbtönen oder auch transparent getönte Form- und Bauteile verwirklichen.
• Lackieren: Gemäß Ihren Farb- und Mustervorgaben lassen sich die Bau- und Formteile problemlos lackieren. Dies ist sowohl im Voraus bei den Urmodellen als auch im Nachgang bei den jeweiligen Abgüssen prinzipiell möglich. Ob zum Beispiel Mattlacke, Hochglanzlacke, Metallic-Lacke, Softtouch, Chrom oder Strukturlacke – es steht eine große Bandbreite an Lacken für die Veredelung der Oberflächen zur Verfügung.
• Strahlen: Durch den Einsatz der Strahltechnik lassen sich Oberflächen mit individuellen Körnungen realisieren.
• Bedampfen: Mit diesem Verfahren geben Sie zum Beispiel transparenten Oberflächen eine besonders optisch wirkungsvolle Chromoptik.
• Laserbeschriftung bzw. Lasergravur: Sie können die Modelle und Prototypen nach Belieben mit Beschriftungen, Logos und Gravuren versehen. Dank der Präzision der Lasertechnologie erhalten Oberflächen dadurch einen besonders edlen Charakter.

9. Welche Vorteile bietet das Vakuumguss-Verfahren?

Vakuumgussteile sind wichtige Komponenten innerhalb der industriellen Anwendung. Sie können dabei zwischen Materialien unterschiedlichster Art und Beschaffenheit wählen. Das Spektrum an Möglichkeiten reicht hier von transparenten über elastischen oder steifen bis hin zu eingefärbten Materialien bzw. Vakuumgussteilen.

Alle mit diesem Verfahren gefertigten Kunststoffteile sind dabei frei von Blasen, da die Herstellung unter Vakuum von vorneherein Lufteinschlüsse ausschließt. Auch beim Volumen und der Größe gibt es nahezu keine Limits. So können Sie mittels des Vakuumgießens sowohl kleine, absolut präzise Teile als auch sehr große Bau- und Formteile herstellen.

Es ist auch möglich, verschiedene Materialien im Rahmen des Vakuumguss-Verfahrens miteinander zu kombinieren. Dies gelingt mit den so bezeichneten 2K-Bauteilen. In der Praxis werden vor allem harte und weiche Materialien miteinander kombiniert. Zudem lassen sich mithilfe des Vakuumgießens auch zum Beispiel Gewinde Inserts, Magnete und ähnliche Einlegeteile in die jeweiligen Bauteile integrieren.

Die Vorteile des Vakuumgießens auf einen Blick:

• vergleichsweise kostengünstige Fertigung von Form- und Bauteilen
• große Auswahl an Materialien
• durch Materialvielfalt ist serienähnliches Material möglich (PE, PP, HDPE, Gummi, PA, PA-GF, POM, ABS, PC, PMMA)
• schnelle Umsetzung bzw. kurzfristige Formherstellung
• hohe Vervielfältigungs- und Produktionsgenauigkeit
• komplexe Geometrie möglich
• akkurate Hinterschnitte
• leichte Entformbarkeit
• großes Optimierungspotenzial durch das Verwenden von Formeinsätzen
• Integration bzw. Einbindung von Norm- und Einlegeteilen
• Kleinserien von 5 bis 200 Stück möglich
• Oberflächen lassen sich gezielt veredeln

10. Weist das Vakuumguss-Verfahren auch Nachteile auf?

Das Verfahren ist grundsätzlich fest mit Handarbeit verbunden. Dadurch benötigt jeder einzelne Gießvorgang auch etwas Zeit. Das fällt gerade bei größeren Stückzahlen auf. Daher kann es hier schon einmal zu längeren Lieferzeiten kommen. Da bei diesem Verfahren es eben auch auf das handwerkliche Geschick ankommt, können handwerkliche Fehler die Qualität der Bau- und Formteile beeinträchtigen. Zudem müssen Sie mehrere Gussformen bauen, wenn mehr als 20 Teile hergestellt werden sollen.

Die Nachteile des Vakuumgießens auf einen Blick:

• hoher Verschleiß, da pro Form nur maximal 20 bis 25 Abgüsse möglich sind
• nur für einzelne Bauteile, Bauteilgruppen und Kleinserien geeignet
• die Silikonform muss die Verarbeitungstemperatur des Materials realisieren (beispielsweise bei PUR-Gießharzen 40 °C bis 70 °C)
• die Rohmaterialien müssen niedrig schmelzend sein
• für die Herstellung von sehr hohen Bauteilen im Verhältnis zum Querschnitt wird eine Vakuumgießmaschine mit Differenzdruckausrüstung benötigt (beispielsweise für schlanke Bohrungen)
• Hohlkörper lassen sich nur mithilfe eines Ausschmelzkerns realisieren
• Stereolithografie-Verfahren sind bei weniger als fünf Bauteilen mitunter kostengünstiger