Kunststoffverschluss für ein Parfümflakon in Rosenform
Mit CAD/CAM-Systemen lassen sich nicht nur Maschinen konstruieren, sondern auch Designs für Luxusgüter entwerfen.
1996 standen wir vor der Aufgabe, einen filigranen Kunststoffverschluss für einen Parfümflakon zu entwerfen. Der Wunsch des Auftraggebers war eine leicht abstrahierte Rose. Neben den visualisierten 3D-Entwürfen liefern diese Daten auch die Grundlage für die Weiterbearbeitung an CNC-Maschinen zur Erstellung der Formeinsätze.
Außergewöhnliche Projekte fordern die Kreativität und das Können der Macher heraus. Bereits im Jahr 1996 nahmen wir das 3D-CAD-System SolidWorks in unser Angebotsportfolio auf. Dass sich SolidWorks auch für außergewöhnliche Projekte jenseits des klassischen Konstruktionsportfolios eignet, zeigte sich, als wir von der auf Plastik-Verarbeitung spezialisierten Liesegang KG aus Köln den Auftrag erhielten, eine leicht abstrahierte Rose aus Kunststoff zu entwickeln.
Die Rose war als Verschluss für einen Parfümflakon vorgesehen. Der zeitliche Rahmen war sehr knapp gesteckt, so dass mit den ersten Entwürfen umgehend begonnen wurde. Nach einigen Versuchen, die eher an ein Gänseblümchen erinnerten, entstanden die ersten Blütenblätter, die komplett als Freiformfläche über mehrere Profile mit Leitkurven und bestimmten Richtungsvektoren ausgetragen wurden. Zudem kamen Offset- und Flächenverrundungsfunktionen zum Einsatz, mit denen eine Flächenhülle erzeugt wurde.
Aus dieser Flächenhülle entstand erneut ein Solid. Im Bauteilmodus wurden abschließend viele dieser leicht variierten Blütenblätter zu einem Gesamtsolid verschmolzen, ohne dabei die Flächen trimmen zu müssen. Hier war es besonders wichtig, auf die Gesamtform zu achten und ein Objekt zu konstruieren, das dem Aussehen einer Rose bereits sehr nahe kommt. Hinzu kam, dass ein Mindestentformungswinkel eingehalten werden musste und Hinterschnitte vermieden werden sollten, da "Schieber" im Gesamtbudget nicht vorgesehen waren. So wurden die einzelnen Blütenblätter mit Hilfe des 3D-Eingabegeräts "Spaceball®" in der Baugruppe nach ästhetischen und formtechnischen Aspekten frei zueinander ausgerichtet. Der Spaceball® ermöglichte es unserem Konstrukteur, direkt in SolidWorks Bauteile beliebig zu drehen und zu bewegen. Um die Form der Rose ohne Elektroden herzustellen, wurden nach dem Verschmelzen der Blätter alle entstandenen Kanten verrundet.
Gerenderten Entwurf via E-Mail verschickt
Bei Fertigstellung des ersten Entwurfes griffen wir auf ein Zusatzmodul von SolidWorks zurück: Mit Hilfe der photorealistischen Rendering-Software PhotoWorks wurde der fertige Entwurf dem Auftraggeber via E-Mail zugesandt. Das Programm bietet Anwendern eine intuitive Umgebung zum Erstellen von Bildern mit Fotoqualität.
Durch den gemeinsamen Einsatz von PhotoWorks und SolidWorks können Ingenieure die Konstruktionen visualisieren, ohne teure Muster oder Prototypen anzufertigen. Die photorealistischen Bilder werden unter Angabe der Materialien, Lichter und Hintergründe erstellt und in Bildformaten wie jpg, eps, bmp usw. ausgegeben. Auch kann eine so genannte eDrawing.exe Datei erzeugt und per E-Mail übermittelt werden. Diese exe-Datei kann jeder, der mit dem Betriebssystem Windows arbeitet, auf seinem Rechner öffnen und sich die Zeichnung und das farbige 3D-Modell anschauen, frei drehen und platten. Aufgrund der geringen Größe der Dateien sind diese auch für langsame Verbindungen geeignet und lassen sich ohne weiteres auf Diskette speichern.
Muster nach dem Rapid-Prototyping-Verfahren
Bis zu diesem Projektstand waren zwei Tage vergangen. Allerdings bedurfte es noch einiger Änderungen am Design der Rose. Zum Beispiel sollte der Verlauf der äußeren Blätter weiter nach außen gewölbt sein, so dass das gesamte Innenleben vergrößert wurde. Aufgrund der vollen Parametrik in SolidWorks mussten unsere Konstrukteure mit dem Entwurf nicht komplett von vorne anfangen. Jedoch erforderte die Fertigstellung des Projekts einen weiteren Tag.
Um dem Kunden eine noch plastischere Vorstellung zu ermöglichen, wurde anschließend mit Hilfe der STL-Ausgabe ein Muster nach dem Rapid-Prototyping-Verfahren erstellt. Anschließend wurden die Formeinsätze in SolidWorks konstruiert. Dabei spielt es aufgrund der vorhandenen Schnittstellen keine wesentliche Rolle, dass die Rose in SolidWorks konstruiert wurde. Mit Schnittstellen zu Formaten wie IGES, VDA, Pcirosolid, ACIS, STEP UND CATIA konnten die Konstrukteure den Entwurf als Solid einfach und schnell von einem anderen Format importieren.
Für die weiteren Schritte bis zur Produktion der "Rose" wurden zunächst die 3D-Formtrennkurven automatisiert erzeugt und darauf basierend die Tuschierflächen. Mit diesem Flächenverbund ließ sich das vorher in dem Einsatz erzeugte und je nach Materialschwund skalierte Formnest in eine obere und untere Formhälfte trennen. Das komplette Werkzeug konnte mit entsprechenden Modulen, beispielsweise von Cadenas, weiter in 3D konstruiert werden. Dabei wurden die erforderlichen Normalien von dem jeweiligen Hersteller, zum Beispiel von Hasco, importiert und mit Details wie unter anderem den Formeinsatzen, Anspritzkanälen und Kühlbohrungen versehen. Somit ließ sich das gesamte Werkzeug in 3D aufbauen. Die 2D-Zeichnungsableitung mit beliebigen Ansichten und Schnitten konnte anschließend schnell erzeugt und detailliert werden.
Vorzüge der 3D-Konstruktion nutzen
Bei dem Flakon-Projekt liegen die Vorteile der 3D-Konstruktion zum Beispiel darin, dass Fehler und Kollisionen durch Hinterschnitte schnell erkannt und angezeigt werden. Darüber hinaus kann das Fließverhalten mit dem Zusatzmodul Moldflow dargestellt werden und so die Lage und Anzahl der Anspritzpunkte und Kanäle unter Berücksichtigung des Materials optimiert werden. Die 3D-SolidWorks-Daten werden per Direktschnittstelle ohne Konvertierung und damit auch ohne Datenverlust in das System Mastercam übernommen. Hier werden die Schrupp- und Schlichtprogramme für das Werkzeug, vor allem aber für die Formeinsätze generiert.
Beim Schlichten empfahl sich der Einsatz von HSC-Frässtrategien mit einer HSC-CNC-Maschine, da im letzten Bearbeitungsgang bis zu einer Fräsergröße von 1 Millimeter Durchmesser heruntergegangen werden musste, um die filigrane Geometrie ohne den Einsatz von Elektroden zu erreichen. Nach Beendigung der Fräsbearbeitung wurden die Formeinsätze mit kleinen Glasperlen bestrahlt, um so die gewünschte Oberfläche auf den Teilen zu erreichen.
"Verblüffend war" so Klaus Liesegang, Geschäftsführer der Liesegang KG, "dass bereits beim ersten Schuss die Formhälften so gut gepasst haben und zudem dicht waren, dass nicht an der Tuschierpresse nachgearbeitet werden musste." Seitdem läuft die Produktion der zunächst 200.000 in Auftrag gegebenen Kunststoffrosen in verschiedenen Farben. Das dazugehörige Parfüm "Tussardi" ist bereits im Handel erhältlich.
"Hätte man mir vor einem Jahr gesagt, dass man ein solches Projekt in so kurzer Zeit umsetzen könnte, so hatte ich es nicht geglaubt", fasst Herr Liesegang zusammen. "Ich war immer der Ansicht, dass SolidWorks vorrangig im Maschinenbau zum Einsatz kommt. Dass mit SolidWorks auch extreme Freiformteile wie für diesen rosenförmigen Verschluss entstehen, konnte ich mir nicht vorstellen. Auch die Umsetzung in die Form mit den 3D-Freiformtuschierflächen ist eine feine Sache."
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