Die Herstellung von Standardgehäusen in großen Serien erfolgt heutzutage in der Regel im Kunststoffspritzgussverfahren. Im Bild ein Beispiel für eine entsprechende Form sowie das fertige Gehäuse (vorn).

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Abhängig von den äußeren Einflüssen, denen sie ausgesetzt sind, werden Standardgehäuse in großen Serien heute üblicherweise in Kunststoff oder Aluminium gefertigt. Die Herstellung von Kunststoffgehäusen erfolgt im Kunststoffspritzgussverfahren. Dabei wird der jeweilige Kunststoff verflüssigt und unter Druck in eine metallische Form, das Spritzgießwerkzeug, gespritzt. Dort kühlt der Kunststoff ab, wird wieder fest und lässt sich als fer­tiges Gehäuseteil entnehmen. Eine Nachbearbeitung ist in der Regel nicht erforderlich.

Ob beispielsweise Design-Kanten gewünscht sind, oder Rundungen und Wölbungen – das vollautomatisierbare Kunststoffspritzgussverfahren gestattet eine individuelle Formgebung der Bauteile. Sein größter Vorteil sind die geringen Stückkosten bei der Serienproduktion. Dem stehen allerdings relativ hohe Werkzeugkosten entgegen, die sich meist erst ab einer Jahresmenge von 500 bis 1000 Stück rechnen. Gleiches gilt für den Aluminium-, Zink- und Magnesiumdruckguss. Auch diese Verfahren sind aufgrund der hohen Werkzeugkosten nur für die Herstellung großer Serien sinnvoll.

Prototypen in der Übersicht beziehungsweise nach verwendetem Verfahren (von links nach rechts): FDM, STL, Vakuumgießen, SLS, gefinishter Vakuumguss.

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Ebenfalls geeignet für die Serienproduktion ist das Aluminiumstrangpressverfahren. Mit dieser Technologie lassen sich Profile für Aluminiumprofil-Gehäuse in beliebiger Länge herstellen. Dabei wird das Metall mit einem Stempel durch eine Matrize gepresst. Diese bestimmt die äußere Form des Profils. Hohlräume lassen sich durch verschieden geformte Kerne erzeugen. Die Matrizen und Kerne sind individuell gestaltbar. Auf diese Weise können vertiefte Flächen für Folientastaturen, Nuten für die Aufnahme von Leiterkarten oder Montageplatten sowie Wandlaschen zur Befestigung oder kühlende Rippen gleich in das Profil eingeformt werden. Die fertig abgelängten Gehäuse sind dann mit Hilfe von Abschluss­deckeln montierbar. Im Verhältnis zu Spritz- beziehungsweise Druckgusswerkzeugen sind die Kosten für Matrizen relativ gering, so dass sich hier schon Abnahmemengen je nach Größe des Profils ab 500 beziehungsweise 1000 kg Rohmaterial rechnen.

Prototypen und Einzelstücke aus Kunststoff

Die Stereolithographie (STL) dient der Herstellung absolut detailgetreuer Prototypen: Mit Hilfe eines Lasers wird das Material ausgehärtet.

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Bei der FDM-Methode wird der Prototyp (weiß) inklusive Stützmaterial (braun) aus einem Kunststofffaden aufgebaut.

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Zur Herstellung klassischer Prototypen existieren zahlreiche Verfahren. Neben dem ‚Multi Jet Modeling‘ (3D-Druck) zählen das Selektive Laser Sintern (SLS), sowie die Stereolithographie (STL) und der Vakuumguss dazu. Beim ‚Multi Jet Modeling‘ tröpfelt der Druckkopf das geschmolzene Material durch mehrere kleine Düsen auf den Untergrund. Diese Tropfen werden mittels einer kleinen Rolle plan gedrückt und mit einer UV-Einheit ausgehärtet. Ein weiteres additives Verfahren ist der 3D-Druck in Form der FDM-Methode beziehungsweise die Schmelzschichtung. Hier erfolgt der Druck mittels auf Spulen aufgewickelter Kunststoffdrähte (Filamente), die geschmolzen und auf den Untergrund aufgebracht werden. Bopla nutzt diese Technologie zur Anfertigung erster Verbauproben und Funktionsmuster von neu entwickelten Gehäusen. Hierbei wird das Teil inklusive Stützgeometrie schichtweise aus einem Kunststofffaden aufgebaut. Das günstige Verfahren zeichnet sich vor allem durch seine Schnelligkeit aus. Gehäuseprototypen lassen sich mittels FDM in wesentlich kürzerer Zeit herstellen, als mit den anderen Verfahren. Allerdings eignen sich die fertigen Prototypen eher weniger zu Präsentationszwecken. Die Gründe hierfür sind die raue Oberfläche sowie eine mangelnde Stabilität bei filigranen Bauteilen und geringe Präzision. Trotzdem vermitteln die so gefertigten Prototypen dem Anwender in einem frühen Stadium des Projekts einen ersten Eindruck des neuen Gehäuses und zeigen auf, wo gegebenenfalls noch nachgebessert werden muss.

Beim Selektiven Lasersintern (SLS) werden räumliche Strukturen aus einem pulverförmigem Kunststoff Schicht für Schicht mit einem Laser aufgeschmolzen.

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Beim Selektiven Lasersintern werden räumliche Strukturen aus einem pulverförmigem Kunststoff (wahlweise hochfest und elastisch, mit Metall- oder Glasfasern gefüllt) Schicht für Schicht mit einem Laser aufgeschmolzen. Das vergleichsweise günstige ­Verfahren eignet sich speziell für die Anfertigung besonders komplizierter Teile. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich. Nachteile sind hier jedoch der große maschinelle Aufwand und die vom Volumen abhängige Produktionszeit. Zudem ist die Oberfläche verfahrensbedingt sehr rau. Soll der Prototyp als Präsentationsmuster dienen, ist ein Oberflächenfinish aus ­einem Haftgrundmittel (Primer) zum Ausgleich der Oberflächen-Unebenheiten inklusive Lackierung erforderlich.

Für die Herstellung hochgenauer Präsentationsmuster oder Kleinstserien bis etwa 20 Teile bietet sich das Va­kuumguss-Verfahren an. Hierfür wird im Vorfeld ein Urmodell im Stereo­lithographie-Verfahren (STL) hergestellt. STL ist das genaueste Prototypenverfahren und absolut detailgetreu. Bei dem Rapid-Manufacturing-Verfahren wird das Werkstück ebenfalls schichtenweise aus einem Kunstharz aufgebaut. Die produzierten Einzelteile bedürfen allerdings einer Nachbearbeitung durch Abschleifen der Stützkonturen und Angüsse. Zudem ist das Verfahren teurer als beispielsweise das Lasersintern und benötigt ebenfalls viel Zeit. Zur Herstellung einer Vakuumgießform wird der STL-Prototyp schließlich mit Silikon umgossen. Ist die Silikonform ausgehärtet, wird die Form aufgeschnitten und der Prototyp aus der Form entfernt. Die Silikonform wird anschließend unter Vakuum mit einem flüssigen Gießharz gefüllt, das fertige Gussteil nach dem Aushärten entnommen und gegebenenfalls gefinisht. Die Gussform ist zudem für ­weitere Abgüsse nutzbar. Alles in allem ist das Vakuumgießen ein bewährtes Verfahren, um Prototypen schnell und kostengünstig zu reproduzieren, und findet typischerweise für die Kleinstserienproduktion von Kunststoffteilen Verwendung. Das Vakuum verhindert dabei Lufteinschlüsse im Werkstück oder auch zwischen Form und Bauteil. Bopla greift auf diese Methode üblicherweise zur Fertigung von Gehäusevorserien für Feldversuche zurück. Auf diese Weise lassen sich zu vertretbaren Kosten wertvolle Erkenntnisse über die Praxistauglichkeit der neu entwickelten Gehäuse gewinnen, die dann in die finale Gehäuse-Ausführung einfließen.

Autor:
Holger Ransiek ist bei Bopla für die Entwicklung von Sondergehäusen zuständig.