Voxeljet optimiert LED-Leuchten von Cree

Ob Schreibtischlampe, Werbedisplay oder Straßenlaterne: Light Emitting Diodes (LEDs), die Nachfolger der Glühbirne, sind längst fester Bestandteil des Lebens. Und weiter auf dem Vormarsch. Lag der Umsatz mit LED-Lampen in Europa 2011 bei 1 Mrd Euro, wird er Prognosen zufolge bis 2020 auf 14 Mrd Euro ansteigen. Cree, Hersteller von LED-Lampen, hat jetzt einen Weg gefunden, den Prototypenbau schneller und kostengünstiger zu machen. Das Unternehmen für hochmoderne LED-Technologie lässt Feinguss-Modelle mit dem 3D-Drucksystem VX1000 von Voxeljet anfertigen – den Guss übernimmt die Feingießerei Aristo Cast.

Das US-amerikanische Unternehmen aus North Carolina zählt zu den LED-Pionieren, brachte bereits 1989 eine blaue LED auf den Markt und erwirtschaftet heute einen Umsatz von über 1,6 Mrd US-Dollar. Die F&E-Abteilung verfolgt das erklärte Ziel, die LED-Technik weiter zu optimieren. Das betrifft nicht nur die Dioden selbst, sondern auch die rillenförmigen Kühlkörper, die bei Hochleistungs-LEDs auf der Rückseite der LED-Platine sitzen – zu sehen etwa in modernen Straßenlaternen. Die Kühlkörper bestehen aus wärmeleitenden Materialien wie Aluminium oder Kupfer, die die Betriebswärme der Dioden an die Umgebungsluft abgeben. Das sorgt für eine niedrige Betriebstemperatur und längere Lebensdauer der Leuchten.

Doch wie müssen Kühlkörper geformt sein, damit sie leicht, effizient und optisch ansprechend zugleich sind? Das testet die F&E-Abteilung mit Prototypen, die Aristo Cast anfertigt. Das Problem: Die Herstellung von Formen für den Feinguss der Kühlkörper wird mit steigender Geometriekomplexität immer unwirtschaftlicher. Stundenlange manuelle Arbeit sowie teure Spritzgusswerkzeuge und Wachspressen sind erforderlich, um Wachslinge für die Gussformen zu bauen. In der Vergangenheit vergingen nicht selten Wochen, bis Cree erste Teile in den Händen hielt. Zudem ließen sich längst nicht alle Geometrien realisieren, da der klassische Formenbau die Gestaltungsfreiheit der Konstrukteure einschränkte.

Diese Einschränkungen wollte Aristo Cast dem Kunden nicht länger zumuten und etablierte deswegen eine Alternative: die VX1000 von Voxeljet. Ein 3,5 t schweres 3D-Drucksystem mit einem 1000 x 600 x 500 mm großen Bauraum und einem effektiven Bauvolumen von 300 l. Nachdem das additive Verfahren lediglich CAD-Daten benötigt, entstehen mit Hilfe des 3D-Drucks nun komplexe Modelle neuartiger Kühlkörper werkzeuglos am Bildschirm. Diese, in PMMA gedruckten, CAD Daten werden anschließend von Aristo Cast direkt zu Gussteilen weiterverarbeitet, was die Entwicklung bei Cree stark optimiert und zudem neue, vorher nur schwierig vorstellbare Designs ermöglicht - denndem Designer sind dabei nahezu keine Grenzen gesetzt.

Der konkrete Vorteil 3D-gedruckter Kühlkörper liegt in der möglichst effizienten Gestaltung des Kühlkörpers, was meist ein komplexes Design mit sich bringt, um die LEDs bestmöglich zu kühlen. Je komplexer also der Kühlkörper, desto langlebiger und effizienter die LED – also ideale Voraussetzungen für die Verwendung des 3D-Drucks. Mit Voxeljet 3D-Drucksystemen in wenigen Stunden zu nahezu beliebigen Gussformen Mit dem VX1000 Drucksystem von Voxeljet gelingt die Herstellung einer Gussform in wenigen Stunden. Aristo Cast speist das 3D-Drucksystem von Voxeljet lediglich mit einer CAD-Datei, die den digitalen Konstruktionsplan des Prototyps darstellt. Wenige Handgriffe später beginnt der Druck des Positivmodells.

Im Inneren des 3D-Drucksystems fährt ein sogenannter Beschichter auf Lineareinheiten über die Bauplattform und breitet eine 150 Mikrometer dünne Pulverschicht des Kunststoffs Polymethylmethacrylat (PMMA) aus. Es folgt eine zweite verfahrbare Einheit, die das Kunststoffpulver mit einem Bindemittel verklebt,  überall dort, wo die Feingussmodelle  entstehen sollen. Das unverdruckte Pulver lässt sich zu 100 Prozent wiederverwenden. Anschließend senkt sich die Bauplattform um eine Schichtstärke ab und der Prozess beginnt von vorn. Der vertikale Baufortschritt dieses Schichtbauverfahrens beträgt rund 18 Millimeter pro Stunde. Das klingt gemütlich, ist aber schneller als der klassische Formenbau, der bei komplexen Geometrien nicht selten mehrere Wochen in Anspruch nimmt.

Ist der Druck fertig, überzieht Aristo Cast das Positivmodell mit Wachs, um die Oberflächen zu versiegeln. Das Modell wird anschließend mit mehreren Keramikschichten ummantelt. Dann kommt es in den Ofen. Das PMMA brennt ab 700 °C rückstandsfrei aus. Zurück bleibt die fertige, keramische Positivform für den Feinguss des Prototyps.

Der Druck des 43 x 43 x 11 cm großen und 1,9 kg leichten Modells dauerte nur rund sechs 6 h. „Bei dieser Größe hätte die konventionelle Herstellung Wochen gedauert“, sagt Paul Leonard, Vize Präsident von Aristo Cast. „Binder Jetting gibt uns bei diesem Bauteil die Möglichkeit die Modelle in kürzester Zeit und mit erheblichen Kosteneinsparungen zu fertigen,“ so Leonard. tbö