Formflexible Werkzeuge für den Spritzguss – Lösungsansatz zur wirtschaftlichen Anwendung des Spritzgießens bei kleinen Losgrößen

Die derzeitige Marktentwicklung hin zu individualisierten Produkten führt auch im Werkzeug- und Formenbau zu reduzierten Stückzahlen. Die Wirtschaftlichkeit des Spritz- oder Druckgießens ist eingeschränkt durch hohe Werkzeugkosten, die teilweise nur auf eine geringe Anzahl von Bauteilen umgelegt werden können. Lösungsmöglichkeiten durch Modularisierung bzw. Standardisierung von Werkzeugsegmenten bieten nur eine eingeschränkte Wiederverwendbarkeit der Werkzeuge. Aus dieser Situation heraus werden am iwb (Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften) Anwenderzentrum Augsburg der Technischen Universität München (TUM) formflexible Werkzeuge für den Spritzguss entwickelt, die dem Anspruch genügen, verschiedene Geometrien mit dem gleichen Werkzeug abzuformen. Bei dem im Folgenden beschriebenen Ansatz wird die Formflexibilität durch ein einstellbares Nadelpaket realisiert, das beliebig oft justiert werden kann. Die so gewonnene Wiederverwendbarkeit des Werkzeugkonzepts garantiert den wirtschaftlichen Einsatz des Spritzgießens bei kleinen Losgrößen und stellt eine neue Möglichkeit des Prototypenwerkzeugbaus im Anwendungsgebiet Spritzgießen dar.

Lamellenwerkzeuge mit konturfolgender Kuehlung für Spritzguss- und Schaeumwerkzeuge

Die Verkürzung der Zeit von der Produktidee bis zur Markteinführung wird für Unternehmen in nahezu allen Branchen zunehmend zum Wettbewerbsfaktor. Fertigungsverfahren, bei denen kein Material abgetragen sondern aufgebaut wird, können in diesem Zusammenhang ein Alternative zur konventionellen Fertigung darstellen. Ein generatives Verfahren, welches besonders zur schnellen Fertigung von Prototypwerkzeugen mit Kantenlängen größer 300 mm geeignet ist, ist das Metal Laminated Tooling (MELATO®). Bei diesem Verfahren werden komplex geformte Werkzeuge aus Stahlblechzuschnitten zusammengesetzt und in Abhängigkeit vom Anwendungsgebiet kraft- oder stoffschlüssig verbunden. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden arbeitet gemeinsam mit industriellen Partnern aus den Gebieten Werkzeug- und Anlagenbau sowie Softwareentwicklung und Sensorik an einer Automatisierungslösung für das Schneiden, Paketieren und Fügen von Blechzuschnitten. Damit soll die Fertigungszeit großer Werkzeuge von derzeit etwa 12 Wochen auf eine Woche verkürzt werden. Neben der Anwendung im Bereich der Präge- oder Tiefziehwerkzeuge ist das Verfahren prädestiniert für die Herstellung von Spritzgusswerkzeugen mit konturfolgenden Kühlkanälen. Die Darstellung der Prozesskette, möglicher Verbindungstechnologien und realisierte Anwendungen sind Gegenstand des vorliegenden Beitrages.

Rapid Tooling fuer den Spritzguss- und Al-Druckgusswerkzeugbau

Bedingt durch die geringen Aufbauraten blieb die Anwendung des direkten Lasersinterverfahrens (DMLS) bislang auf die Herstellung kleinerer Formeinsätze für den Spritzguss- bzw. Al-Druckgusswerkzeugbau beschränkt. Um die Technologie des Rapid Tooling auf das Anwendungsfeld für größere Werkzeugeinsätze zu erweitern, ist vom IFAM zusammen mit weiteren europäischen Projektpartnern im Rahmen des Projekts ecoMold der sog. modulare Werkzeugbaukasten entwickelt worden. Das Konzept beruht darauf, dass ein Werkzeugeinsatz in Module zerteilt wird, die separat gefertigt werden. Jedes Modul setzt sich aus einer Grundgeometrie und einer Formgeometrie zusammen. Die Grundgeometrie stellt Volumenbereiche des Werkzeugeinsatzes dar, die keine formbestimmenden Geometrien beinhalten. Die Grundgeometrien werden als standardisierte Grundmodule durch Fräsen kostengünstig hergestellt. Die formbestimmenden Geometrien des Einsatzes werden durch das Lasersinterverfahren auf die Grundmodule aufgesintert. Die verschiedenen Module werden dann zum fertigen Werkzeugeinsatz montiert. Grundlage ist der vollständige STL-Datensatz der beiden Werkzeughälften. Auf der Basis einer Datenbank, die alle zur Verfügung stehenden Grundmodule in verschiedenen Abmessungsabstufungen enthält, wird die Anzahl, die Größe und die Lage der Module automatisiert von der am IFAM entwickelten Software bestimmt. Dabei wird versucht, den ursprünglichen STL-Datensatz des Werkzeugeinsatzes derart in einzelne Module zu zerlegen, dass die aufzusinternden Bereiche minimiert werden und möglichst viele Volumenbereiche des Einsatzes durch die in der Datenbank hinterlegten Grundmodule gefüllt werden. Mit dem vorgestellten System steht ein neues Fertigungskonzept zur Verfügung, das durch eine Kombination aus Lasersinter- und Fräsverfahren gestattet, das Lasersinterverfahren auch für Rapid-Tooling-Anwendungen für größere Bauteile anzuwenden. Erste Erfahrungen und Kalkulationen haben ergeben, dass im Vergleich zu konventionell hergestellten Werkzeugeinsätzen die Kosten um ca. 35% und die benötigten Bauzeiten um ca. 30% reduziert werden können.

Der Spritzguss : Handbuch zur Herstellung von Fertigguss in Spritz-, Press-, Vakuum- und Schleuderguss /

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Präzisionsguss auf Basis von RP-Matritzen

Einige mit geringen Schichtstärken arbeitende Concept Modellierer und Rapid Prototyping Anlagen können Modelle für das Feingießverfahren mit verlorenem Modell erzeugen. Verkörpern die verlorenen Modelle die Geometrie von Formeinsätzen für Spritzgießwerkzeuge, können über den Feinguss Formeinsätze aus Aluminium hergestellt werden. Untersuchungen zielten dabei auf die detailgetreue Umsetzung filigraner Teile mit Freiformgeometrien. Kleine Abmessungen im Grenzbereich zwischen klassischem Formenbau und Mikrofertigung wurden dabei realisiert. Das Fräsen dieser Formeinsätze oder Elektroden ist zum Teil nicht möglich oder führt zu erhöhtem Aufwand. Gleichzeitig konnten sehr kurze Durchlaufzeiten erreicht werden. Auf demselben Weg konnten auch Senkerodierelektroden gegossen werden, die beim Aufbau von Werkzeugen höherer Lebensdauer genutzt wurden. Werden unterschiedliche Varianten oder mehrere identische Einsätze oder Elektroden zum Beispiel für Mehrfachwerkzeuge benötigt, werden die Zeitvorteile noch deutlicher. Die Funktion beider dargestellter Wege konnte durch den Spritzguss von Versuchsserien erfolgreich demonstriert werden.

Formen aus Stahl, Bauteile aus Titan und Stahl

Die Arcam Technologie setzt erstmals weltweit mit der ‚CAD to Metal®’ Methode einen Elektronenstrahl ein. Mit dieser Methode können homogene Stahlkomponenten und Formen in kürzester Zeit aus einem Metallpulver geschmolzen werden. Die in zunehmendem Maße geforderte Herstellung von Prototypen im Zielwerkstoff, wird mit dem EBM Verfahren erstmals für Stahl- und Titanwerkstoffe ermöglicht. Die Arcam-Methode setzt CAD-Datenmodelle direkt in homogene Metallmodelle um. Mit der Einbringung von konturnahen Kühlkanälen ist es nun auch machbar, Werkzeuge in hochlegierten Stählen im Rapid Prototyping Verfahren herzustellen. So erstellte Werkzeuge können die Zykluszeiten im Spritzguss- und Druckgussprozess um 30% verringern. Die Festigkeiten liegen ohne jegliche Nachbehandlung bei ca. 50 Rockwell. Jede beliebige Formgebung ist sofort in Stahl und neuerdings auch in Titan zu erstellen. Von besonderer Bedeutung ist, dass konturnahe Kühlungen in beliebiger Komplexität integriert werden. Die Arcam Technologie stellt die schnellste Produktionsmöglichkeit von Funktionsprototypen dar, welche in Festigkeit und Temperaturstabilität die gleichen Parameter wie herkömmliche gefertigte Bauteile aufweist. Es stehen Werkzeugstahl (DIN 1.2344), legierte Stähle und Titan (Ti6A14V) zur Verfügung. Die EBM Technologie setzt einen Elektronenstrahl zum Aufschmelzen der Metallpulver ein. Stahl wird z.B. mit einer Temperatur von 1700 °C schichtweise aufgetragen. Ein Verschleiß, wie man ihn von Anlagen mit Lasertechnologie kennt, tritt nicht auf. Neuinvestition in Abständen von 3000 – 4000 Betriebsstunden sind bei dieser Technologie für neue Laser nicht notwendig. Die Arcam-Technologie ist in 24 Ländern patentrechtlich geschützt. Arcam ist ein schwedisches Unternehmen, mit Sitz in Mölndal in der Nähe von Göteborg.

Hochbelastbare Lasersinterteile mit homogenen Materialeigenschaften

Mit der Zielstellung, das Lasersinterverfahren unabhängig von Ort und Zeit als ein relativ wirtschaftliches Verfahren zur Generierung von Kunststoffbauteilen für Kleinserien zu etablieren, wurde eine neue Technologie in der V.G. Kunststofftechnik GmbH für die Sinteranlagen Sinterstation PRO und Vanguard, beide von 3D Systems, entwickelt. Durch eine neue Temperaturführung im Baufeld, einen verbesserten Energieeintrag und veränderter Prozessführungssoftware können sehr dichte Bauteile hergestellt werden, die in den Grundeigenschaften nahezu denen, die mittels Spritzguss hergestellt wurden, entsprechen.

Die Flüsterkette – Geräuschreduzierung an Fördersystemen

Um die in einem Kunststoffkettenfördersystem auftretenden Geräusche zu reduzieren, wurde ein spezielles Bauteil der Kette im Zweikomponenten-Spritzguss aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) und kettentypischen Kunststoffen gefertigt. Im Rahmen der Entwicklung wurden u. a. Voruntersuchungen zur Haftung zwischen den Werkstoffen durchgeführt. Die neu geschaffene Kette bewirkt eine Verringerung des Schalldruckpegels um 3 4 dB[A] gegenüber herkömmlichen Kunststoffketten im Fördersystem. Das ermöglicht eine Steigerung der Fördergeschwindigkeit um bis zu 30% ohne zusätzliche Lärmbelastung.