DIY Rotationsguss

DIY Rotationsguss

Als ich noch in Braunschweig gewohnt hab, habe ich mir eine kleine Rotationsguss Maschine bzw. Rotoguss Maschine gebastelt. Sie besteht aus zwei ineinander verschachtelten Rahmen, die sich jeweils um eine Rotationsachse drehen können. Angetrieben wird das ganze durch einen Motor und zwei Getriebe. Die beiden Drehachsen sind dabei um 90° gedreht, bzw. senkrecht zueinander ausgerichtet.

Bei der Konstruktion so einer Rotationsguss Maschine ist Holz nicht der beste Werkstoff. Da ich aber zu der Zeit noch nie etwas geschweißt hatte und Holz vergleichsweise günstig ist, viel die Wahl eben auf Konstruktionsprofilholz.

An sich ist es ein ziemlich einfacher Aufbau. Die einzigen Probleme waren eine gute Auswuchtung (weniger Last für den Motor) und die Kraftübertragung auf den Innenrahmen per Getriebe. Außerdem sollte man darauf achten, die Getriebeübersetzung nicht „symmetrisch“ zu wählen. Also die Zähne-Zahlen sollten in Kombination einen ungeraden Wert für die Übersetzung ergeben, damit der Innenrahmen nicht immer auf der gleichen Position landet, wenn der Außenrahmen eine bestimmte Position erreicht. Komisch zu beschreiben…

Theorie

Doch was ist Rotationsguss überhaupt und wieso will man so etwas zu Hause machen?

Die stärke dieses Fertigungsverfahrens liegt darin, dass man hohle Körper herstellen kann. So werden beispielsweise Schokohasen oder -Weihnachtsmänner produziert. Aber auch große Gummi-Figuren oder ähnliches.

Als Werkstoff kommen Flüssigkeiten zum Einsatz die mit der Zeit aushärten. Bei Schokolade wird das über die Temperatur geregelt, bei Polyurethan dagegen wird ein härter beigemischt, der die Flüssigkeit(en) polymerisieren lässt. Die Monomere verbinden sich zu Polymerketten.

Durch die Schwerkraft bleibt die Flüssigkeit am Boden der Gussform, jedoch wird ein dünner Film des Materials immer an der Außenwand gehalten, wo er sich verfestigt. So entsteht dann langsam eine Figur mit mehr oder weniger gleichmäßiger Wandstärke und Luft im Inneren der Gussform.

Damit die Wandstärke gleichmäßig wird, ist es wichtig die Gussform so zu drehen, dass die Flüssigkeit die gesamte Oberfläche benetzen kann. Stellt euch vor ihr habt einen Würfel, der aus zwei Hälften besteht. Im Inneren ist ein kugelförmiger Hohlraum. Dreht ihr diese Form die ganze Zeit nur um eine Achse, wird eher ein Reifen als eine Kugel entstehen.

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Dreht man das ganze um zwei Achsen entsteht eine Kugel. Und hier kommt die Sache mit der Übersetzung ins Spiel. Wenn man um die X Achse eine Umdrehung macht und gleichzeitig um die Y Achse ein gerades Vielfaches dreht, landet die Flüssigkeit immer wieder an der gleichen Stelle. Beim Beispiel mit der Kugel würde ein X entstehen.

Ist das Vielfache jedoch ungerade, schafft man es die Innen und Außenrotation voneinander zu „Entkoppeln“. Die Flüssigkeit kann die gesamte Oberfläche benetzen und eine saubere Kugel entsteht.

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Wer sich das nur schwer vorstellen kann, sollte sich einfach das folgende Video angucken:

Wenn man einer Ecke des Innenrahmens mit den Augen folgt, erkennt man den Weg, den die Flüssigkeit durch die Gussform nehmen würde. Im Video, besonders wenn die Rahmen sich noch langsam drehen, kann man gut erkennen, dass mein Getriebe so ausgelegt ist, dass der Innenrahmen eben nicht genau gleich den Außenrahmen passiert.

Teile

• Konstruktionsholz z.B: 22 x 47 x 2000 mm
• 2x Kegelzahnrad Polyacetal, 16 Zähne
• 4x M10xY Sechskantschraube
• 4x M10xY Sechskantschraube
• 10x Muttern M10 Selbstsichernd
• 2x GT2 Riemen, verschiedene Längen
• 2x GT2 Pulley 16 Zähne
• 2x GT2 Pulley 40 Zähne
• 2x Axiallager
• 8x Radiallager
• 2x Gewindestange M10 x 550 mm
• 1x Gewindestange M10 x 300 mm
• 4x Flügelmutter
• 1x Getriebemotor
• 1x PWM Motorsteuerung
• 1x 12V Netzteil
• Gewichte zum Auswuchten

Aufbau

Rahmen

Der Rahmen der Rotationsguss Maschine besteht aus Konstruktionsholz etwa 20 x 40 mm, welche ich mit der Stichsäge auf die entsprechenden Längen gekürzt habe. Diese werden dann mit Holzschrauben zu einem einfachen Rahmen verschraubt. Wer mag, kann die Profile natürlich auf Gehrung schneiden, das sieht schöner aus. Stirnseiten funktionieren hier aber auch. So enstehen zwei Rahmen, die ineinander passen und eine Halterung.

ProTipp: Vorbohren nicht vergessen…

Aufhängung

Für die Aufhängung habe ich M10 Sechskantschrauben als Achsen benutzt. Diese sind mit Muttern und Unterlegscheiben fest im Rahmen verschraubt und auf der anderen Seite in Kugellager gesteckt. Auf den Schrauben werden die Pulleys mit Madenschrauben festgemacht. Die Löcher für die Aufhängung sollten schon genau in der Mitte der Rahmen liegen, da so das Auswuchten leichter wird. Überall wo ein Kugellager notwendig war, habe ich zusätzlich zum M10 Durchgangsloch noch „Senkungen“ mit der Lochsäge vorgesehen. Schrauben als Achsen sind nicht die eleganteste Lösung, erfüllen aber ihren Zweck.

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Antrieb

Manche Leser werden sich jetzt wundern warum mein Kegelgetriebe eine 1:1 Übersetzung hat. Gut Aufgepasst! Die Übersetzung wird mit zwei Pulleys auf der anderen Rahmenseite realisiert. Hier kommen eine Riemenscheibe mit 16 Zähnen am Außenrahmen und eine mit 30 an der Halterung zum Einsatz. Wenn der Außenrahmen jetzt durch den Motor angetrieben wird, dreht sich die Halterung relativ gesehen zum Rahmen. Wir können also auf dieser Achse die Antriebsdrehung für den Innenrahmen abgreifen. Wenn wir 30 / 16 teilen erhalten wir einen Übersetzungsfaktor von ca. 1,9.

Für den Antrieb unserer Rotationsguss Maschine müssen wir außerdem unsere Riemen ordentlich vorspannen, da hier gerne mal ein paar Zähne überspringen können. Dafür verwende ich ein paar der Kugellager zusammen mit Unterlegscheiben als Umlenkrolle.

Unten können wir den Getriebemotor mit Motorsteuerung anbringen. Dieser wird einfach über ein Drehpotentiometer (Poti) angesteuert.

Auswuchten

Im nächsten Video erkennt man warum es diese beiden Gewindestangen in der Mitte gibt. Wenn man die Gussform in die Maschine einspannt, kann man diese so relativ einfach Zentrieren.

Außerdem ist es ratsam, die Rotationsguss Maschine im Leerlauf zu testen und an der gegenüberliegenden Seite vom Kegelradgetriebe ein paar Gegengewichte anzubringen. Dies vermindert das Überspringen von Zähnen am Antrieb, entlastet den Motor und die Maschine läuft runder.

Erster Rotationsguss Versuch.

Gallerie

Urform

Um eine Figur gießen zu können, braucht man diese Figur natürlich zunächst. Man nennt das Original auch Urform.

Ich habe mir also Modelliermasse besorgt und von Hand ein Opossum geknetet. Die Modelliermasse wird um einen Kern aus geknüllter Alufolie verteilt, um Material zu sparen. Dann kann man mit kleinen Spachteln, Werkzeugen und den Händen nach belieben gestalten.

Gussform

Als nächstes kommt die Gussform. Hier erstellen wir einen negativen Abdruck der Urform. Dazu habe ich eine kleine Kiste gebaut, in der das gesamte Opossum platz findet. Abgedichtet habe ich alles mit Heißkleber. Es gibt noch schönere Varianten eine Gussform zu erstellen, aber für mich war dass das erste Mal. Also fangen wir erst einmal mit einer einfachen Variante an.

An die Figur wird eine Halterung befestigt, die später auch als Anguss dient. Das ist die Öffnung der Form, durch die das Gussmaterial eingefüllt wird. So wird nun die Figur mit ausreichend Abstand zum Rand in die Form eingehängt.

Wie viel Silikon brauche ich denn?

Für die Form verwende ich Abformsilikon. Für eine genaue Bestimmung des benötigten Volumens kann man seine Gussform zunächst mit Wasser füllen. Das ist auch ein guter Test ob alles dicht ist. Dann drückt man die Urform in die Gussform und die misst die Menge des Wassers was aus der Form verdrängt wird. Archimedes lässt grüßen.

Das Silikon besteht aus zwei Komponenten und ist Additionsvernetzend. Man muss jetzt also einmal kurz berechnen wie viel von beiden Flüssigkeiten gebraucht werden. Das kommt einfach auf das erforderliche Mischungsverhältnis an. Ich habe mittelviskoses Silikon genommen, mit einer Shorehärte von A 20. Hier ist auch die Verarbeitung einfach, denn das Mischungsverhältnis ist 1:1.

Ich habe also beide Komponenten in einem alten Messbecher angerührt und mit einem Rührstab für den Akkuschrauber miteinander vermengt.

Lessons learnt

Man muss gut darauf achten, dass die Urform auch fest ist, denn man sollte die Auftriebskraft nicht unterschätzen. Denn bei der Verarbeitung des Silikons hat man nur ein Zeitfenster in dem man Fehler noch ausbügeln kann. Außerdem ist es eine ziemliche Sauerei wenn man hier die Figur irgendwo zwischenlagern muss. Glaubt mir, ich spreche aus Erfahrung 😀

Befreiung der Urform

Dann ist einfach erstmal Abwarten angesagt. Wenn man das Silikon gut gemischt hat, sollte es vollständig durchhärten. Also kann man sich mal wieder eine Tasse Kaffe holen. Oder einen Cocktail, je nach Tageszeit.

Jetzt muss man zuerst die Kiste wieder zerstören, um an die Form zu kommen. Die Figur befreien wir, in dem wir die Silikonform zerschneiden. HIer kann man sich überlegen, welche Trennung sinn machen würden. Ich habe versucht meine Gussform in drei Teile zu zerschneiden und so einfacher alles wieder herauszubekommen. Dabei ist leider ein Ohr der Figur abgebrochen. Das konnte ich aber wieder drankleben. Wenn innen alles gut aussieht, kann man die Form einmal gründich sauber machen.

Alternativen

Der Formenbau nach dieser Variante ist aus mehreren Gründen nicht optimal. Zum einen muss man beim Zerschneiden des Silikons gut aufpassen, da man an der Schnittkante einfach weiter reißen kann. Außerdem hat man zu den Ecken hin einen enormen Materialverbrauch. Und als dritten Nachteil hat man das Problem, das man die Form nicht gut genug wieder zusammen bekommt. Im Inneren entstehen Versatzkanten, die später im Guss zu sehen sind. Es kann außerdem vorkommen, dass das spätere Gussmaterial in die Spalten zwischen den Formteilen reinläuft.

Gallerie

Schokolade

Den ersten Rotationsguss habe ich mit Schokolade gemacht. Man kann einfach eine Sorte seiner Wahl im Supermarkt kaufen, in einem Topf im Wasserbad schmelzen. Hier ist einfach darauf zu achten, dass man die Herdplatte nicht zu heiß stellt und kein Wasser in die Schale mit der Schokolade kommt, sonst klumpt es so komisch.Wenn die flüssige Schokolade schön cremig ist, kann man sie mit einem Trichter in die vorbereitete Form gießen, das Loch verschließen und die Maschine drehen lassen.

Vorbereitung

Die fertige Gussform wird einfach mit dem Tacker wieder verbunden. Dazu kann man einfach entlang der Schnittkanten ein paar Klammern setzen. Achtet darauf die Innenkanten gut Aneinander zu legen. Danach habe ich alles mit Frischhaltefolie umwickelt, damit im Zweifel nicht mein ganzer Boden eingesaut wird.

Die so vorbereitete Gussform wird möglichst mittig für beide Rotationsachsen in die Maschine gespannt, um Unwuchten zu vermeiden. Dazu kann man zunächst beide Rahmen so stellen, dass sie horizontal zum Boden stehen. Ggf. müsst ihr dazu ein paar mal drehen. Ihr erinnert auch an das Problem mit der Übersetzung. Dann können wir mit den Flügelmuttern die Form einklemmen. Das machen wir zunächst nur locker, damit wir alles noch etwas verschieben können und testen danach durch manuelles drehen ob alles gut zentriert ist. Hier kann auch gerne schon einmal mit Motor getestet werden, solange die Form noch leer ist. Wenn eure Maschine schön leicht läufig ist, werdet ihr auch so schon merken wenn die Form nicht in der Mitte ist. Denn dann kippen die Rahmen zur Seite. Wenn alles passt, drehen wir den Anguss nach oben und gehen zum nächsten Schritt über. Die flüssige Schokolade kommt rein.

Wenn die Schokolade in der Form ist, kann man oben im Anguss einen Stopfen einstecken, kurz testen ob alles dicht ist und dann die Maschine den Rest erledigen lassen. Ich habe keine Ahnung wie lange Schokolade zum abkühlen braucht und habe einfach großzügig Zeit eingeplant.

Wenn ihr der Meinung seit, das alles im Inneren fest ist, kann man die Rotationsguss Maschine stoppen, die Form entnehmen und von der Folie befreien. Dann muss man vorsichtig die Klammern lösen und kann noch vorsichtiger die replizierte Figur (zum Beispiel an den Ohren) befreien.

Wenn es nichts geworden ist, kein Problem: Entweder esst ihr die Schokolade einfach auf oder schmelzt sie wieder ein für einen neuen Versuch.

Polyurethan

Besserer Formenbau

Man kann eine schönere Formtrennung hinbekommen, wenn man die Gussform zunächst nur zur Hälfte füllt und dann beispielsweise mit Murmeln oder anderen Kugeln verschiedene Rastpunkte definiert. Wenn die Form ausgehärtet ist, werden die Kugeln entfernt. Die Figur bleibt wo sie war und es kann eine neue Schicht Trennspray aufgetragen werden. Dann wird der Rest der Form mit Silikon aufgefüllt. Da wo die Kugeln waren füllt das Material der zweiten Hälfte die Hohlräume auf. So ist besser gewährleistet, dass die Innenseiten auch da liegen wo sie hinsollen.

Eine zweite Variante ist es, die Urform zu teilen und auf eine planare Unterlage aufzukleben. Dann muss eine dünne Schicht spachtelbares Silikon auf die Urform aufgebracht werden. Danach kann man beispielsweise mit Glas- oder Karbonfaser eine Schale auflaminieren. So erhält man eine sehr dünne Silikonschicht. Dafür ist hier die Verschalung extrem teuer. Die Formtrennung ist an der Stelle, an der zuvor die planare Unterlage war. Auch hier kann man Rastpunkte mit Kugeln formen.

Fazit

Rotationsguss macht jede Menge Spaß und man kann richtig coole Geschenke für seine Freunde und Familie produzieren.

Außerdem muss man seine Urformen nicht zwingend per Hand konstruieren. Man kann dazu auch wunderbar einen 3D-Drucker verwenden. Für Figuren mit hoher Oberflächengüte eignen sich SLA-Drucker sehr gut. Diese sind mittlerweile auch sehr Erschwinglich.