Die additive Fertigung eröffnet völlig neue Möglichkeiten, Vorteile und Synergien im Werkzeugbau. In Spritzgusswerkzeugen können Hot Spots gezielt beseitigt oder Kavitäten oberflächennah gekühlt werden. Es ermöglicht die variotherme Herstellung von Faserverbundbauteilen, so dass die Prozesse wirtschaftlich werden. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren einem oberfränkischen Werkzeugbauer, den Formenbau für die Herstellung von Partikelschaumbauteilen neu zu gestalten.

Partikelschäumwerkzeug hergestellt mit selektivem Laserschmelzen. (Bild: Hofmann)

Durch den Einsatz additiv gefertigter Wendeschneidplatten im Werkzeugbau ist eine konturnahe Temperierung möglich. (Bild: Hofmann)

In diesem Jahr jährt sich zum 20. Mal die Präsentation des weltweit ersten industriellen 3D-Metalldruckers auf der Euromold in Frankfurt. Die Methode, Bauteile schichtweise aus 3D-CAD-Daten durch ein lokales Schmelzverfahren herzustellen, wurde vom Markt zunächst verhalten angenommen. Die anfängliche Skepsis gegenüber dem pulverbettbasierten Laserschmelzen von Metallen hat sich jedoch gelegt, nachdem die Möglichkeiten, hochkomplexe Bauteile auch in Kleinserien wirtschaftlich und werkzeuglos herzustellen, verflogen sind. Werkzeugbau Siegfried Hofmann aus Lichtenfels hat das Potenzial der Technologie von Anfang an erkannt. „Mit einem der ersten Werkzeuge, bei dem eine bedruckte Einlage zum Einsatz kam, konnte die Abkühlzeit des Griffbereichs deutlich verkürzt werden, sodass dieser nicht mehr die Zykluszeit des Bauteils dominiert“, sagt Jonas Beck, Vertrieb und Geschäftsentwicklung für 3D Drucken beim Werkzeugmacher. „Heute setzen wir die Technologie dort ein, wo wir Vorteile für die Serienfertigung von Bauteilen sehen. Für uns ist das Verfahren zum Alltag geworden. Einige Kunststoffverarbeiter, für die die Technik nicht alltäglich ist, sind ziemlich skeptisch. Wer das bereits weiß, möchte die Vorteile nicht mehr missen. "

Jonas Beck, Vertrieb und Business Development: „Heute setzen wir die Technologie dort ein, wo wir Vorteile für die Serienfertigung der Komponenten sehen.“

Die konforme Temperierung dieser Spritzgusswerkzeuge führte zu deutlich reduzierten Zykluszeiten (in Prozent) und beim Lippenstiftkoffer (links) zum gewünschten Glanzgrad. (Bild: Hofmann)

Denn die aktive Temperierung von schmalen und tiefen Rippen ist nur durch additiv gefertigte Einsätze möglich. Der Vorteil des Verfahrens kommt bei komplexen Bauteilen und Werkstücken mit zahlreichen Rippen und Eingriffen voll zur Geltung. Gleiches gilt für Werkstücke mit erheblichen Hot Spots oder einem sehr schwer zugänglichen Kühlbereich. Darüber hinaus werden auch bedruckte Formeinsätze zur Verbesserung der Oberflächenqualität eingesetzt. Der erforderliche Glanzgrad eines Lippenstiftetuis könnte beispielsweise durch eine oberflächennahe Temperierung erreicht werden. Seitdem werden diese Werkzeuge bei Hofmann mit Cusing-Einsätzen gefertigt, auch mit 8- oder 12-fach-Werkzeugen. Dank ihrer langjährigen Erfahrung erkennen die Mitarbeiter kritische Stellen am Bauteil meist anhand der Zeichnung oder der Moldflow-Analyse. „Bei besonders filigranen Geometrien arbeiten wir zusätzlich mit CFD-Software (Computational Fluid Dynamics), um die Strömungsverhältnisse in den Kühlkanälen abbilden zu können“, erklärt Beck. Die Berechnungen zeigen dem Konstrukteur beispielsweise, ob das Kühlmedium kontinuierlich strömt, ob alle kritischen Werkzeugbereiche abgedeckt sind und wie gleichmäßig die Oberflächentemperatur ist.

Der Werkzeugbau verfügt über keine eigenen Lasercusing-Anlagen, sondern setzt auf die Anlagen des ebenfalls in Lichtenfels ansässigen Schwesterunternehmens Robert Hofmann. Ihr Fokus liegt auf dem Prototypenbau und der Produktion von Kleinserien mit 3D-Druck oder Spritzguss. Nach der Gestaltung und Gestaltung der Beilagen werden diese in unmittelbarer Nähe gedruckt, bevor sie im eigenen Haus nachbearbeitet werden.

Mit der Technologie des selektiven Laserschmelzens können unterschiedliche Pulver in Bezug auf Metallart und Korngröße verwendet werden. Diese bestimmen die Eigenschaften der daraus hergestellten Bauteile. „Wir fertigen die Kühleinsätze für Spritzgusswerkzeuge aus Pulver, dessen Qualität der von Werkzeugstahl entspricht. Edelstähle werden für Anwendungen im Faserverbundbereich und der Partikelschaumverarbeitung eingesetzt“, erklärt Beck. Ist der bedruckte Formeinsatz an der Formgebung beteiligt, muss dieser im Bereich der Kavität bearbeitet werden, um eine gleichmäßige Oberflächenqualität am Bauteil zu gewährleisten. Die Dichte der bedruckten Einsätze ist vergleichbar mit der des umgebenden Werkzeugstahls. „Hier haben die Druckparameter wie Geschwindigkeit und Schichtdicke einen großen Einfluss“, sagt Jonas Beck.

Die Maschenkühlung 2 mm unterhalb der Werkzeugoberfläche ermöglicht die variotherme Temperierung großer Werkzeugoberflächen bei der Verarbeitung von Organoblechen. (Bild: Hofmann)

Ausschnitt eines Kühleinsatzes für ein Netzkühlsystem. Durch die größeren Bohrungen strömt das Temperiermedium, während die Stege im Inneren des Trapezes reine Stützstrukturen sind. (Bild: Hofmann)

Komplexe Kanalstrukturen der Parallel- und Netzkühlung lassen sich nur mit großem Aufwand oder gar nicht mechanisch herstellen. Der Werkzeugmacher setzt beispielsweise bei Faserverbundwerkzeugen eine Gitterkühlung ein, denn mit diesem Kühlsystem kann aufgrund der großen Oberfläche dieses Systems die Temperatur schnell in das Werkzeug ein- und ausgefahren werden. Bei diesem variothermen Verfahren wird das Werkzeug von der Entformungstemperatur mit 10 K/s auf die Schmelztemperatur des Organoblechs von bis zu 280°C aufgeheizt und anschließend mit hoher Kühlrate mit dem Bauteil abgekühlt. Da hier der Prozessdruck im Vergleich zum Spritzgussverfahren relativ gering ist, können die Kühlkanäle bis zu 2 mm an die Werkzeugoberfläche herangeführt werden. Filigrane Stützstrukturen hinter diesen Kanälen reduzieren die dynamische Masse dieser Einsätze, die aufgeheizt und wieder abgekühlt werden, deutlich. In Simulationen wurde ermittelt, wie filigran die Stützstrukturen sein können, um die Kavität unter Druck sehr gut abzustützen.

Im FuPro-Projekt produzierte Sitzlehne, deren Umsetzung nur durch den Einsatz einer konturartigen, variothermen Temperierung möglich war. (Bild: TU Dresden / ILK)

Im vom BMBF geförderten Forschungsprojekt Konstruktion und Verfahrensentwicklung für funktionalisierte Mehrkomponentenstrukturen mit komplex geformten Hohlprofilen (FuPro) (Förderkennzeichen 02P14Z040 - 02P14Z049) arbeiteten 12 Industrieunternehmen und 2 Forschungsinstitute zusammen. Die beteiligten Projektpartner bildeten die Prozesskette von der Faser über die Halbzeugherstellung, Preforming und Konsolidierung des Hohlprofils bis hin zum Spritzguss ab. Kernelement eines Teilprojektes des Forschungsvorhabens war ein variothermes Werkzeug mit bedruckten Formeinsätzen, das den hohen Anforderungen an automobile Anwendungen standhält. „Mit 550 x 200 mm wurde die größte Beilage, die wir bisher gedruckt haben, in dieses Tool integriert“, berichtet Beck. Die oben beschriebenen Prozessschritte – Einlegen, Erwärmen, Umformen, Abkühlen, Entformen – konnten durch das Know-how der beteiligten Unternehmen im Hinblick auf die Großserienfertigung optimiert werden, sodass am Ende innerhalb von Minuten eine hochkomplexe Lehnenstruktur hergestellt werden konnte .

Parallelkühlung kommt immer dann zum Einsatz, wenn viele parallele Stege oder Rippen gekühlt werden müssen. Würde nur eine konventionell gefertigte Kühlbohrung verwendet, müsste das Wasser mit hoher Geschwindigkeit/Druck durch den Kanal geleitet werden, um eine ausreichende Kühlleistung zu erreichen.

Durch gedruckte Kanäle kann jedoch nicht nur Temperierflüssigkeit geleitet werden, sondern auch Luft. „Über ein zusätzliches Kanalsystem können Luftejektoren betrieben werden oder bei Verwendung von Vakuum beispielsweise eine Folie in bestimmten Bereichen gehalten werden“, sagt Beck. „Weitere Überlegungen und Versuchsreihen zielen darauf ab, das Kanalsystem zur Werkzeugbelüftung einzusetzen. Die Fertigungstechnologie ermöglicht es, eine Art Membran zu drucken, durch die die Luft entweichen kann, die Schmelze aber zurückgehalten wird. „Elastische Einsätze wurden ebenfalls getestet. Diese verhindern beispielsweise das Überspritzen und damit die Gratbildung an kritischen Konturpunkten.

„Wir fertigen aus wirtschaftlichen Gründen nur solche Teile additiv, die sich konventionell nicht durch Fräsen und Bohren herstellen lassen“, berichtet Bastian Wild, Leiter Marketing und Kommunikation.

Bei den Inserts handelt es sich meist um Hybridbauteile mit einer bearbeiteten Unterkonstruktion, auf die dann die additiven Strukturen gedruckt werden. „Wir fertigen aus wirtschaftlichen Gründen nur solche Teile additiv, die sich konventionell nicht durch Fräsen und Bohren herstellen lassen“, berichtet Bastian Wild, Leiter Marketing und Kommunikation. „Die Oberfläche der Unterkonstruktion, auf die die Struktur gedruckt wird, muss absolut eben sein, um die geforderte Genauigkeit zu erreichen.“

Formeinsatz eines im Laser-Cusing-Verfahren hergestellten Partikelschaumformteils. (Bild: Hofmann)

Ein weiteres Verfahren der Kunststoffverarbeitung, bei dem die additive Fertigung von Kavitäten Fahrt aufnimmt, ist das Partikelschäumen. Dieser Herstellungsprozess erfordert große Mengen Dampf zum Verschweißen der Schaumperlen und Wasser zum Abkühlen der Form auf Entformungstemperatur. Die Standardwerkzeuge sind aus Aluminium und das Arbeitsmedium Dampf wird über Düsen aus der Dampfkammer in die Kavität gepresst. Durch die Kavitätenwandstärke von bis zu 20 mm und die damit verbundene große zu erwärmende Werkzeugmasse gehen ca. 90 % der Energie in der Werkzeug- und Anlagenperipherie verloren und nur vergleichsweise wenig Dampf gelangt in der Kavität zum Bauteil und sorgt dafür, dass die Perlen miteinander verschweißt werden.

Versuche haben gezeigt, dass durch Dreiecksdüsen 65 % mehr Dampf in die Kavität geleitet werden kann, ohne dass die Düsen stärker auf das Bauteil zeigen. (Bild: Hofmann)

Die erforderliche Anzahl an herkömmlichen Dampfdüsen wird über das Bauteil verteilt, damit die Raupen gleichmäßig verschweißt werden. In jedem Fall heben sich die Durchgangsbohrungen auf der Werkstückoberfläche ab, was je nach Verwendung des Bauteils unerwünscht ist. Hier kann der 3D-Druck seine Vorteile voll ausspielen. Beim Bedrucken der Formeinsätze sind Position, Anzahl und Geometrie der Dampfdüsen frei wählbar. Dadurch kann der Dampf bedarfsgerecht in das Bauteil eingebracht werden und Strömungsverluste werden vermieden. „Versuche mit einem Prozessor zur Ermittlung der optimalen Dampfdüsengeometrie haben gezeigt, dass beispielsweise mit einer dreieckigen Geometrie mehr Dampf eingebracht werden kann als mit einer runden“, erklärt Jonas Beck. „Die Düsen können auch als Gestaltungselemente verwendet werden, da sie überall platziert werden können.“ Wichtige Erkenntnisse hierzu wurden aus dem vom BMWi geförderten Forschungsprojekt „LaEPPFo“ (EPP-Formwerkzeug mit Laseradditiven) gewonnen. 

Das selektive Lasersintern ermöglicht es, die Dampfdüsen in Position und Form frei in der Kavität zu platzieren und die gewünschte Oberflächenstruktur im gleichen Fertigungsschritt zu erzeugen. (Bild: WSVK)

Da die Produkte aus expandierbarem Polypropylen (EPP) ihr Schatten- und Nischendasein hinter sich gelassen haben und beispielsweise in Form von Blendenrollen, Kühlboxen und Verkleidungselementen zunehmend in die Hände der Verbraucher gelangen, hat ihre Oberfläche wichtiger werden. „Bisher werden Oberflächenstrukturen in einem Nachbearbeitungsschritt in die Oberflächen der Aluminiumwerkzeuge eingebracht, zum Beispiel durch Lasertexturieren“, sagt Beck. „Mit dem 3D-Druck ist es nun möglich, die Strukturen beim Erstellen der Kavität zu erstellen und die Dampfaustrittsöffnungen darin zu integrieren.“

Diese Formeinsätze werden aus Edelstahl gedruckt, da diese Pulver in feineren Körnungen als Aluminiumpulver erhältlich sind. Dadurch lassen sich die filigranen Strukturen herstellen. Zudem ist die erreichte Festigkeit höher als bei Aluminium, so dass Wandstärken von 1 bis 1,5 mm möglich sind. Der Markt hat die Vorteile der bedruckten Beilagen erkannt und nutzt sie immer mehr, obwohl sie deutlich teurer sind als konventionell gefertigte. Denn die Hersteller von Partikelschaumprodukten wollen ihre Bauteile durch Optik und Haptik differenzieren und die Oberfläche des Leichtbaumaterials attraktiver gestalten.

Partikelschäumwerkzeug hergestellt mit selektivem Laserschmelzen. (Bild: Hofmann)

Der Werkzeugmacher war mit dem additiven Formeinsatz jedoch nicht zufrieden und ging den nächsten Schritt: den Druck der dazugehörigen Dampfkammer. „Das Werkzeug für einen Griff mit den Maßen 120 mm x 50 mm x 45 mm wiegt nur rund 6 kg und hat Abmessungen von 300 x 120 x 120 mm. Die innere Gitterstruktur der Werkzeuge ist strukturmechanisch sowie strömungs- und dampfströmungstechnisch optimal ausgelegt“, beschreibt Beck. „Durch diese interne Medienführung sinkt das dynamisch beheizte Werkzeuggewicht um rund 95 % und der theoretisch benötigte Energiebedarf des Werkzeugs um rund 97 %. Darüber hinaus haben die Tests mit unserem Partner gezeigt, dass die Zykluszeit um 45 % kürzer ist. „Die Dampfkammer folgt der Geometrie des Bauteils und ist in diesem Beispiel rund 20 mm dick. Zwischen der Kavität und der Außenfläche befindet sich eine speziell konstruierte Stützstruktur, die einerseits die Flüssigkeiten gleichmäßig in alle Richtungen verteilt und andererseits die mechanischen Eigenschaften besitzt, um die Kavität zu stützen.

Jonas Beck erklärt, dass die Tests gezeigt haben, dass die bestehenden Schäummaschinen eine Untergrenze haben. Denn der Partikelschaumverarbeiter konnte die Ventile für die Dampf- und Wasserversorgung bisher nicht schließen, um die tatsächlich benötigten Mindestmengen zu liefern. Damit gehen die Entwicklungen zur nachhaltigen Partikelschaumverarbeitung weiter.

Zum Jahreswechsel bezog der Werkzeugmacher ein neues Verwaltungs- und Produktionsgebäude. Auf dem Dach der ca. 10.000 m² großen Fabrikhalle befindet sich eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 257,6 kWp bzw. einer PV-Erzeugung von ca. 230.000 kWh pro Jahr. Der Strom wird für den Eigenbedarf produziert. Die anderen benötigten Strommengen werden als Industriestrom bezogen. Das Unternehmen verfügt über ein Umweltmanagementsystem nach DIN ISO 14001 und ein Energiemanagementsystem nach DIN ISO 50001.

Die Erweiterung der Produktionsfläche war aufgrund des gestiegenen Produktionsvolumens und des Wachstums in den Bereichen Automatisierung und Maschinenbau notwendig geworden. „Im Bereich Spritzguss produzieren wir zwischen 150 und 200 Werkzeuge pro Jahr. Mit Gewichten von wenigen Kilogramm für Sonderwerkzeuge bis 40 t für Spritzgussanwendungen“, berichtet Bastian Wild. Die gebauten Formen werden von Kunden branchenübergreifend für die Serienfertigung von Bauteilen eingesetzt. Die Werkzeuge kommen unter anderem in der Automobilindustrie, aber auch in den Bereichen Haushalt, Medizintechnik und Verpackung zum Einsatz.

ist Redakteur für Kunststoffverarbeitung. simone.fischer@huethig.de

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