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Über mehr als 70 Werkzeuge, die mit generativ hergestellten Werkzeugeinsätzen ausgestattet sind, verfügt der Haushaltsgerätehersteller im Werk Warendorf; dort werden thermoplastische Spritzgießformteile unter anderem für Staubsauger, Waschautomaten, Trockner und Geschirrspüler hergestellt. Eingesetzt werden die generativ hergestellten Werkzeugeinsätze überwiegend für Hochglanzteile aus ABS. Und auch bei den neuen Werkzeugen setzt Miele solche Werkzeugeinsätze mit konturnaher Kühlung weiterhin ein, um die Zykluszeiten und die Ausschussproduktion effektiv zu vermindern. Mittlerweile geht damit eine zehnjährige Partnerschaft von Miele und der Werkzeugbau Siegfried Hofmann einher. Der Werkzeugbauer fertigt solche Einsätze mit konturnaher Kühlung auf Basis der so genannten LaserCusing-Technik von Concept Laser, einem eigenständigen Unternehmen im Verbund der Hofmann Innovation-Gruppe. Der Vorserienanlauf einer neuen Gerätegeneration bei Miele, für die Hofmann erneut drei Werkzeuge mit konturnaher Kühlung lieferte, war für den Haushaltsgerätehersteller eine Gelegenheit, die bisherigen Ergebnisse und Erfahrungen zu bewerten.

Verschleissfreie Produktion für lange Laufzeit bei günstigen Stückkosten

Den nunmehr zehnjährigen Einsatz dieser Technik bei Miele nutzte Dr. Jürgen Jahn, Miele-Werksleiter in Warendorf, zu einem Resümee der Langzeiterfahrungen. Auf den ersten Blick könnte man vermuten, dass sich das Material dieser mittels LaserCusing gefertigen Einsätze bei hohen Werkzeugbelastungen schneller abnutzt. Dies ist in der Praxis allerdings nicht der Fall, da bei dem Metall-Laserschmelzprozess der Einsatz nahezu ideale Materialeigenschaften erhält. Auch das Zusetzen der oft sehr dünnen Kanalquerschnitte sei, so Jahn, nicht erkennbar: „Ein spezielles, korrosionsgeschütztes Kühlmedium zirkuliert dazu im geschlossenen System – wir nennen das geimpftes Wasser – so dass auch nach vielen Jahren die Kühlleistung erhalten bleibt.“ Beispiele dafür sind „Langläufer“ unter den Werkzeugen bei Miele, mit denen seit Herbst 2004 beispielsweise die stark verrippten Komponenten des Staubsau-geroberteiledeckels der S5-Serie gefertigt werden. Jahn dazu: „Pro Tag wurden seitdem auf drei Werkzeugen mit solchen Einsätzen im Durchschnitt 4.000 Teile produziert. Etwa 880.000 Teile wurden so pro Jahr gefertigt. Bei bislang rund sieben aktiven Jahren wurden mit diesen drei Werkzeugen insgesamt etwa 6 Mio. Teile produziert. Das bedeutet 2 Mio. Teile je Werkzeug. Außer der üblichen Wartung und Prävention ist die Funktion der konturnahen Kühlung immer noch voll gewährleistet.“ Daneben ergeben sich Vorteile durch Verzugsfreiheit, weniger Einfallstellen und damit auch tendenziell weniger Ausschuss. Dieser liegt bei nur noch 3 bis 4?%, was, so Jahn „für ABS-Hochglanzteile ein ordentlicher Wert ist“. Bleibt noch die Zykluszeitreduktion als Motiv. Jahn und sein Team in Warendorf schätzen den Effekt der Zykluszeitreduktion auf 10 bis 30?% je nach Geometrie und Komplexität der flächigen 3D-Teile.

Konturnahe Kühlung wird dort eingesetzt, wo die Kühlung schwach wäre

Die Basis der von Hofmann favorisierten Lösung zur Herstellung solcher Werkzeugeinsätze ist die Möglichkeit, mit konturnah verlaufenden Kühlkanälen, die ungefähr 2-3?mm Distanz zur Oberfläche der Kavität haben, zu kühlen. Dabei werden in das konventionelle Werkzeug generativ gefertigte Einsätze genau dort integriert, wo Materialanhäufungen in der Geometrie eine Zykluszeit negativ beeinflussen können. Die Kühlfunktion erfolgt mit einem speziellen Kühlmedium im geschlossenen Kreislauf bei etwa 15?°C. Sofern es sich um Hochglanzoberflächen aus ABS bei Miele handelt, werden auf der Oberseite der Teile weitere Elemente eingesetzt, die auf die Kontur mit rund 50?°C einwirken. Jahn nennt dies »Thermische Differenzierung«. „Die Temperierung an Problemstellen durch konturnah ausgelegte Kanäle“, so Jahn weiter, „kann dem Teil genau dort die Wärme entziehen, wo es nötig ist.“

Werkzeugeinsätze mit Parallelkühlung bringen noch höhere Leistung

Abhängig von der Geometrie bietet Hofmann solche konturnah kühlbaren Einsätze mit Parallelkühlung oder Oberflächenkühlung an. Bei einer Parallelkühlung beispielsweise wird mehr Kühlmittel an die Kavität oder die Formteiloberfläche gebracht, als bei einer einfachen konturnahen Kühlung mit einem langen Kühlkanal. Bei einem langen Kühlkanal nimmt die Kühlleistung kontinuierlich mit der Strecke ab. Weiterhin wird bei der Parallelkühlung jede Kühlschleife mit frischem Kühlmedium versorgt, was eine gezieltere Kühlung zur Folge hat. Ergebnis ist daher eine dynamische und gleichmäßige Kühlung. Der gewünschte Effekt wird dadurch gesteigert – im Sinne der Teilequalität und der Zykluszeitreduktion.

Funktionssicherheit der Werkzeugeinsätze wird zweifelsfrei nachgewiesen

Bei Werkzeugentwicklungen von Hofmann wird die Funktionssicherheit bei Werkzeugauslieferungen überprüft. Drei Methoden werden angewandt: Zum einen eine Strömungssimulation für sehr komplexe Geometrien, daneben eine Testsimulation, bei der am fertigen Werkzeug der Mediendurchfluss überprüft und gemessen wird. Schließlich eine Funktionskontrolle mit Wärmebildern. Eine Thermokamera gibt dabei Aufschluss, wie die Temperatur sich verändert beim Durchfluss des kühlenden Mediums beziehungsweise eines wärmenden Mediums. Diese Methoden wählt der Werkzeugbauer bewusst, um bei Auslieferung des Werkzeugs die Temperiereffekte zweifelsfrei nachweisen zu können.

Was ist LaserCusing?
Das LaserCusing ist ein generatives Verfahren zur Herstellung individuell geformter metallischer Bauteile, die auch Hohlräume aufweisen können. Dazu wird ein feines pulverförmiges Metall durch einen hochenergetischen Faserlaser lokal aufgeschmolzen. Nach dem Erkalten verfestigt sich das Material. Die Bauteilkontur wird durch Ablenkung des Laserstrahls mittels einer Spiegelablenkeinheit (Scanner) erzeugt. Der Aufbau des Bauteils erfolgt Schicht für Schicht (mit einer Schichtstärke von 20 bis 50??m) unter Verwendung von 3D CAD Daten durch Absenkung des Bauraumbodens, Neuauftrag von Pulver und erneutem Schmelzen.
Die Besonderheit der Anlagen von Concept Laser ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands“ genannt), die sukzessive abgearbeitet werden. Das patentierte Verfahren sorgt für eine signifikante Reduktion von Spannungen im Bauteil, was ein verzugarmes Generieren von massiven und großvolumigen Bauteilen ermöglicht. Für eine einteilige Herstellung steht ein maximaler Bauraum von 300 x 350 x 300?mm zur Verfügung.

Kosteneffizienz
Langzeiterfahrungen mit konturnah gekühlten Werkzeugeinsätzen

Der Haushaltgerätehersteller Miele verfügt über mehr als 70 Werkzeuge mit konturnah gekühlten Werkzeugeinsätzen, die mittels des LaserCusing-Verfahrens der Hofmann Innovation-Gruppe hergestellt wurden. Einige dieser Werkzeuge sind seit sieben Jahren in Einsatz und haben seither rund 2 Mio. Bauteile hergestellt. Die wesentlichen Erfahrungen dabei sind, dass diese Werkzeugeinsätze auch bei hoher Belastung nicht schneller abnutzen als das übrige Werkzeug. Die Gefahr des Zusetzens der oft sehr dünnen Kühlkanäle wird durch ein korrosiongeschütztes Kühlmedium im geschlossenen System gebannt. Miele schätzt den Effekt der Zykluszeitreduktion durch konturnah gekühlte Werkzeugeinsätze auf 10 bis 30 % je nach Geometrie und Komplexität der flächigen 3D-Teile. Weitere Vorteile sind laut Miele weniger Verzug, weniger Einfallstellen und somit weniger Ausschuss.

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Guido Radig