Forschung Mit 3D-Druck schneller zum Werkzeug

Autor / Redakteur: Heiko Blunk / Simone Käfer

Egal ob Spritzguss oder Zerspanung, ohne Werkzeuge geht gar nichts. Eine günstigere Herstellung und konturnahe Kühlung sind die Hauptargumente, um Werkzeuge per Additive Fertigung zu produzieren. Doch es gibt noch mehr.

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Der additiv hergestellte Werkzeugeinsatz zur Partikelschaumverarbeitung ist 95 % leichter und sein Dampfverbrauch um 97 % geringer.
Der additiv hergestellte Werkzeugeinsatz zur Partikelschaumverarbeitung ist 95 % leichter und sein Dampfverbrauch um 97 % geringer.
(Bild: Fraunhofer IAPT)

Werkzeuge sind eine kostspielige Sache und ihre Herstellung ist zeitaufwendig. Unflexibel sind sie zudem. Für Ersatzteile müssen die Werkzeuge auf Lager gehalten werden. Das ist ein zusätzlicher Kostenfaktor. Deswegen werden immer mehr Werkzeuge per Additive Fertigung hergestellt. Aber die neuen Verfahren bringen noch mehr Vorteile mit sich.

Diese Vorteile bietet die Additive Fertigung dem Werkzeugbau

Im Werkzeugbau wird die Additive Fertigung bereits vielfältig eingesetzt. Allen voran werden häufig die Strukturoptimierung und die Möglichkeit zur konturnahen Temperierung genutzt. Es lassen sich aber auch weitere Funktionen umsetzen, wie passive Schwingungsdämpfung, zielgerichtete Kühlschmierstoff-Zufuhr oder Kanäle zur Druckluftversorgung innerhalb des Werkzeugs. Neben der Optimierung bestimmter Funktionen werden auch komplett neue Werkzeugkonzepte entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist ein additiv gefertigter Werkzeugeinsatz zur Partikelschaumverarbeitung, mit dem sich die Produktivität signifikant steigern ließ. Erreicht wurde dies unter anderem durch oberflächennahe Kavitäten, die eine Dampfkammer überflüssig machten. Durch das Integrieren optimierter Düsenelemente konnten zudem die Formabdrücke auf dem Bauteil reduziert werden. Entstanden ist dieses Werkzeug im Rahmen des vom BMWi geförderten Projekts „LaEPPFo“ in Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer IAPT und den Unternehmen Werkzeugbau Siegfried Hofmann und WSVK Oederan.

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Allen Anwendungen gemein ist eine Steigerung der Produktivität oder auch der Bearbeitungsqualität. Beim Kunststoffspritzguss lässt sich durch eine optimierte Temperierung beispielsweise die Zykluszeit um 20 % und mehr reduzieren. In dem oben genannten Beispiel zur Partikelschaumverarbeitung konnte die Zykluszeit sogar um 45 % verringert werden. In verschiedenen Anwendungen stellten sich geringere Bauteilverzüge ein. Da mit der Additiven Fertigung Konstrukteure nicht mehr an die klassische Gestaltung von Kühlkanälen gebunden sind, können sie Toträume in den Werkzeugen vermeiden und durch die strömungsgerechte Gestaltung Druckverluste minimieren.

Ergänzend dazu können auch Druckluftkanäle in Werkzeugformen integriert werden und so eine Substitution klassischer Auswerfer ermöglichen. Die Kanäle können Durchmesser von ≤ 1 mm aufweisen und sind somit kleiner als bei konventioneller Bauweise. Allerdings gibt es bei derart feinen Kühlstrukturen auch Randbedingungen zu beachten. Ein Filtersystem für das Kühlmedium ist ratsam, um Verstopfungen durch Schwebstoffe zu vermeiden und die Formen vor dem Einlagern vollständig zu trocknen.

In der Zerspanung verbessern sich sowohl die Schnittwerte als auch die Standzeit von Werkzeugen durch eine zielgerichtete Zufuhr von Kühlschmiermitteln. Durch Integration von Kanälen in das Trägerwerkzeug kann auch bei mehrschneidigen Werkzeugen eine spanflächenseitige Zufuhr des Kühlschmiermittels umgesetzt werden. Darüber hinaus ermöglicht eine Strukturoptimierung bei dynamischen Prozessen wie dem Fräsen einen weiteren Produktivitätszuwachs, da die Gewichtsreduktion auch mit einer geringeren Massenträgheit einhergeht und Werkzeuge dadurch schneller beschleunigt und verzögert werden können.

Auf einen Blick

Die Vorteile für das Werkzeug

Die konstruktiven Vorteile sind:

  • Strukturoptimierung
  • konturnahe Kühlung
  • passive Schwingungsdämpfung
  • zielgerichtete Zufuhr von Kühlschmierstoff
  • Kanäle zur Druckluftversorgung innerhalb des Werkzeugs
  • neue Werkzeugkonzepte werden möglich

Daraus ergeben sich wirtschaftliche Vorteile wie eine bessere Produktivität und Bearbeitungsqualität:

  • Zykluszeiten verringern sich um mindestens 20 %
  • weniger Verzug bei Bauteilen
  • keine Toträume in den Werkzeugen
  • weniger Druckverlust
  • bessere Schnittwerte und Standzeiten
  • spanflächenseitige Zufuhr des Kühlschmiermittels bei mehrschneidigen Werkzeugen ist möglich
  • Werkzeuge können schneller beschleunigt und verzögert werden

Werkstoffe für 3D-gedruckte Werkzeuge

Das am häufigsten verwendete additive Verfahren ist das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM, selective laser melting oder laser powder bed fusion, L-PBF). Mit ihm können viele Metalle in Pulverform verarbeitet werden, von Aluminium über Titan bis hin zu Stählen und Nickelbasislegierungen. Obwohl alle schweißbaren Materialien im SLM-Verfahren verarbeitbar sind, ist die Materialauswahl noch nicht so umfangreich wie die der konventionellen Fertigungsverfahren. In einer Studie von 2020 fand das Fraunhofer IAPT heraus, dass von den mehr als 3.500 Stahllegierungen in der konventionellen Fertigung nur 12 Legierungen in der Additiven Fertigung angewendet werden. Diese unterscheiden sich zum Teil stark in ihren Eigenschaften und Anwendungsbereichen.

Weitere Werkstoffe befinden sich im Forschungs- und Entwicklungsstadium. Trotz der vergleichsweise geringen Zahl der additiv verarbeitbaren Werkstoffe ermöglicht die aktuelle Auswahl bereits in den meisten Fällen eine Substitution der konventionell eingesetzten Materialien. Bestehen darüber hinaus spezielle Werkstoffanforderungen, die nicht durch die bisher verfügbaren Werkstoffe abgedeckt sind, ist es möglich, neue Materialien für die Additive Fertigung zu qualifizieren.

Konstruktionsprozess additiv zu fertigender Werkzeuge

In der Regel beginnt der Entwicklungsprozess mit der Identifikation eines Bauteils unter Berücksichtigung der Randbedingungen, wie Bauteilgröße, auftretenden Belastungen oder Einsatzbereich. Daraufhin werden ein geeigneter Werkstoff und Fertigungsprozess ausgewählt. Anschließend erfolgt das initiale Design oder ein Redesign. Auch in der Additiven Fertigung sind nicht alle Geometrien herstellbar, jedes Verfahren hat entsprechende Konstruktionsrichtlinien. Solche Richtlinien enthalten Empfehlungen für ein fertigungsgerechtes Design wie minimale Wandstärken und Bohrungsdurchmesser. Unterstützt wird der Designprozess durch Softwareprogramme zur Topologieoptimierung. Diese geben Anwendern Designvorschläge für ein strukturoptimiertes Bauteil, basierend auf den angegebenen Belastungen. Das finale Design gilt es dann durch eine anschließende FEM-Simulation entsprechend abzusichern.

Im Falle einer konturnahen Temperierung bleibt der Entwicklungsprozess zunächst unverändert, da die Kühlkanäle häufig erst am Ende des Werkzeugdesigns hinzugefügt werden. Dazu gehören unter anderem die Identifikation der zu kühlenden Bereiche, die Bestimmung der erforderlichen Querschnitte und der Anzahl der erforderlichen Kanäle sowie die Balancierung einer Parallelschaltung von Kanälen. Für einen zuverlässigen Betrieb sowie eine gute Wartbarkeit und Pulverentfernung sollten parallele Abzweigungen nur an den Ein- und Ausgangsbohrungen vorgesehen werden. Ist das Design festgelegt, so kann eine ergänzende Strukturoptimierung des Werkzeugs durchgeführt werden, um das Gewicht sowie die Fertigungskosten zu reduzieren. Anschließend erfolgt die Additive Fertigung mit dem zuvor gewählten Werkstoff und, sofern erforderlich, einer nachgelagerten Wärmebehandlung zum Abbau von Eigenspannungen. Schlussendlich wird das Werkzeug an den erforderlichen Stellen nachbearbeitet.

Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Werkzeugen

Da additiv hergestellte Bauteile eine raue Oberfläche aufweisen, müssen sie in der Regel nachbearbeitet werden. Eine Ausnahme sind Kühlkanäle, bei denen die Oberflächenrauheit von Vorteil ist. Denn sie vergrößert die zur Wärmeübertragung verfügbare Fläche und ermöglicht selbst bei kleinem Durchmesser die nötige Wärmeabfuhr. Additiv gefertigte Funktionsflächen hingegen müssen nachträglich zerspant werden. Durch die Designfreiheit additiver Fertigungsverfahren entstehen aber häufig Strukturen, die sich mit herkömmlichen Methoden nicht effizient nachbearbeiten lassen. Hierfür existieren mechanisch-abrasive, (elektro-)chemische und verfestigende Verfahren sowie Kombinationen dieser. Die Verfahrenstypen unterscheiden sich teils stark hinsichtlich Materialkompatibilität, Kosten, Prozesszeiten, Marktverfügbarkeit sowie technischem Reifegrad. In ersten Studien des Fraunhofer IAPT konnte bereits die generelle Anwendbarkeit einzelner Verfahren zur Oberflächennachbearbeitung und der verfahrensspezifische Einfluss auf die Eigenschaften komplexer Bauteile nachgewiesen werden. Nach dem Postprocessing kann das Werkzeug eingesetzt werden.

* Heiko Blunk ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT in 21029 Hamburg

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