Bislang gab es zwei Wege, um von einem Wachsmodell ein Metallgussstück zu erstellen: Entweder mittels Küvetten- oder mittels der Schalentechnik. Bei der aus der Schmuck- und Dentalindustrie bekannten Küvettentechnik wird das Wachsmodell in einen Metalltopf, die Küvette, gestellt und anschließend in einem Spezialgips eingebettet. Der Nachteil dieser Technik ist, dass die Gussqualität nicht sehr überzeugend ist. Weiterhin können nur kleinere Teile hergestellt werden.

Bei der industriell eingesetzten Schalentechnik wird das Wachsteil zuerst in einen so genannten Schlicker getaucht, um anschließend mit einem Spezialsand bestreut zu werden. Nach dem vollständigen Durchtrocknen der ca. 1 mm starken Schicht wird durch erneutes Tauchen und Besanden eine weitere Schicht aufgebaut. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis eine 6 bis 8 mm dicke Schalenform entstanden ist. Durch anschließendes Erhitzen der Form wird, wie bei der Küvettentechnik auch, das Wachs ausgeschmolzen und die Keramik gebrannt. Das flüssige Metall wird nun in die so entstandene Form gegossen, die nach Erstarren der Schmelze aufgebrochen wird, um das fertige Gussteil freizulegen. Einziger Nachteil dieser qualitativ hochwertigen Technik: Sie ist sehr zeitaufwendig, da die Trocknung der einzelnen Schichten bis zu einem Tag in Anspruch nehmen kann.

In großen Feingießereien wurden die oben angesprochenen Nachteile der Schalentechnik bisher für die Serienfertigung hingenommen. Vom Wachsmodell zum Gussstück dauert dort die Fertigungszeit zwei Wochen und länger. Die Anschaffung eines teuren Autoklaven rechnet sich bei einer industriell arbeitenden Feingießerei für das Wachsausschmelzen mit Thermoschock auf jeden Fall.

Aus dem Vorgenannten wird jedoch klar, dass sich für Feinguss im RP-Zeitfenster aus den unterschiedlichsten Gründen weder die Küvetten- noch die Schlickerschalentechnik eignet, da beide Verfahren ihre spezifischen Nachteile aufweisen.

Hier setzte die Entwicklung der Firma MK Technology an. Es wurde ein aerodynamisch optimierter Windtunnel konstruiert, der eine Hochgeschwindigkeitstrocknung ermöglicht. Mittels eines speziellen Luftwirbels („Cyclone“), in dem vorgetrocknete Luft auf bis zu 4m/sec beschleunigt wird, und einer zusätzlichen Wärmebestrahlung wird die Trockenzeit von bis zu 24 Stunden auf ca. 30 Minuten verkürzt. Der ganze mehrschichtige Schalenaufbau dauert so keine vier Stunden mehr.

Abb.1: Die Trockenkammer

Die Trockenkammer ist Herzstück einer Gesamtanlage, die aus einem rotierenden Schlickerfass, einem Berieselungsbesander und einer Verfahreneinrichtung besteht. Die Anlage ermöglicht den vollautomatischen Schalenaufbau auf Knopfdruck, denn eine elektronische Steuerung überwacht kontinuierlich den Prozess und steuert die verschiedenen Stationen. Mit einer derart aufgebauten Keramikform können nicht nur alle Metalle bis hin zu Magnesium und Titan problemlos gegossen werden, sie hat auch gegenüber konventionellen Schalen eine um 50 % höhere Festigkeit.

Nachdem das Wachsteil beschlickert und besandet wurde, wird es anschließend in die Trockenkammer gefahren, eine Art „Schafott-Tür“ sorgt für den luftdichten Abschluss der Kammer. Kontinuierlich drehend, ähnlich wie ein „Hähnchen im Grill“, erfährt die Wachstraube mit Schlicker durch das Spezialklima, das in der Kammer herrscht, eine Hochgeschwindigkeitstrocknung. Nach ca. 30 Minuten ist die Schale so perfekt durchgetrocknet, dass bereits die nächste Schicht aufgebracht werden kann. Nach maximal viereinhalb Stunden können so etwa sieben bis acht Einzelschichten entstehen und die Schalenform ist sofort fertig zum Wachsausschmelzen. (Im Standardverfahren muss häufig noch einmal ein bis mehrere Tage lang gewartet werden.)

Die Erfindung gründet sich somit auf folgende drei Untersuchungsergebnisse, die in entsprechenden Versuchsreihen herausgefunden wurden:

1. Die Adhäsionskräfte der sich zusammen ballenden SiO2-Kolloide des Schlickers sind proportional temperaturabhängig, d.h. mit steigender Temperatur werden die Bindungskräfte größer, die Schale ist fester.

2. Zweitens liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass während des Trocknungsprozesses der im Schlicker vorhandenen Feuchtigkeit durch Verdunstungskühlung ein Temperaturgradient in der Schlickerschicht entsteht, der bis zu 10 °C beträgt, d.h. das Wachsmodell kühlt ab um bis zu 10 °C gegenüber der Umgebungstemperatur ab.

3. Drittens liegt der Erfindung die physikalisch erklärbare Erkenntnis zugrunde, dass ein bevorzugt und diskret an der äußeren Oberfläche der zu trocknenden Schicht hergestelltes Feuchtedefizit zu einem verstärkten Diffusionsgefälle von Innen nach Außen führt. Dies bedingt eine radikalere, irreversible Trocknung, auch gibt es keine schädigende Rückdurchfeuchtung durch die vorherige Schicht mehr.

Damit hat das neue Verfahren folgende Vorteile gegenüber allen bisherigen Techniken:

1. Extrem schneller Formenbau, maximal 4,5 Stunden
(vom Wachsteil zum Metallguss in 7 Stunden)

2. Problemlose Herstellung großer Formteile

3. Gussqualität ist hervorragend, da Schalentechnik.
Verarbeitet werden können u.a.: Aluminium, Messing, Bronze, Silber und Stahl

4. Eine ca. 50 % höhere Formfestigkeit im Vergleich zum konventionellen Schalenbau

5. Ausschmelzen im Standardwärmeschrank ist möglich

Abb.2: Cyclone Anlage

Die Innovation bedeutet für den industriellen Feingießer ebenso wie den Prototypenbauer in der wohl ältesten Urformtechnik der Menschheit so etwas wie eine kleine Revolution. Was früher ein bis zwei Wochen in Anspruch nahm, kann nun innerhalb eines Arbeitstages erledigt werden. Neben den klassischen Rapid Prototyping-Anwendungen erschließen sich durch die Neuentwicklung u.a. im Rennsport und vor allem in der Medizintechnik ganz neue Möglichkeiten.

Die Veränderungen im Prozessablauf der industriellen Feingießerei sind heute noch nicht absehbar, aber das in den letzten Wochen „wachgerüttelte“ Interesse ist nicht zu leugnen.

Dr.-Ing. Wolfram Weihnacht
MK Technology GmbH
Robert-Koch-Str. 11
53501 Grafschaft