Additive Fertigungsverfahren wie das Lasergenerieren bieten konstruktive Freiheiten für komplexe und konturnahe Kühlsysteme in Spritzgieß- und Druckgusswerkzeugen, wie sie mit konventionellen Methoden nicht erreichbar sind. Um aber Werkzeuge dennoch wirtschaftlich fertigen zu können, muss nicht die ganze Form lasergenerativ hergestellt werden. In der Kombination der generativen und konventionellen Fertigung liegt meist der Schlüssel für ein effizientes Werkzeugkonzept. Die LBC Engineering hat sich seit der Gründung 2002 auf solche technologieübergreifende Lösungen für konturnahe Kühlungen im Werkzeug- und Formenbau spezialisiert.

Konventionelle Bereiche eines Werkzeuges lassen sich mit konturnahen Temperierlösungen generativ hergestellter und/oder vakuumgelöteter Einsätze kombinieren. Der Einsatz des Vakuumlötens ist vor allem bei größeren Formeinsätzen sinnvoll, die mit dem Lasergenerieren nicht wirtschaftlich umsetzbar sind. Diese Kompetenzen wurden im Frühjahr in das Unternehmen Renishaw integriert. Diese kann nun auch Konstruktions- und Simulationsdienstleistungen sowie eine Lohnfertigung lasergenerierter Prototypen und Serienbauteile aus metallischen Pulverwerkstoffen anbieten. Das eigene Maschinenprogramm von Laserschmelzanlagen vervollständigt das Angebot.

Faktoren für wirtschaftliche Fertigung

Die Effektivität der Temperierung wird durch eine 3D-Simulation der Kühlkanäle gezielt verbessert. Damit werden etwa hocheffiziente variotherme Temperierlösungen realisierbar, die sowohl den Durchsatz, aber vor allem die Teilequalität für Spritzguss- und auch Druckgussanwendungen nachhaltig steigern. Um konturnah temperierte Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze generativ herstellen zu können, ist die individuelle Konstruktion und Simulation dieser Komponenten ein wesentlicher Faktor für deren Wirtschaftlichkeit. Mit der Firmenintegration kann jetzt auch die Erstellung der dafür grundlegenden 3D-CAD-Daten und deren Umrechnung in Querschnitte im Angebot. Daraus wird das Bauteil anschließend Schicht für Schicht aus dem Werkzeugstahl 1.2709 aufgebaut. Bei der Realisierung der Geometrien sind dem Konstrukteur nahezu keine Grenzen gesetzt.

Es sollen mit der Simulation alle Freiheitsgrade ausgeschöpft werden, die mit dem Fertgigungsverfahren möglich sind. Insbesondere in sonst unzugänglichen Bereichen unterhalb von Werkstückoberflächen können etwa Kühlkanäle optimal und konturnah platziert werden.

Durch den Zusammenschluss wird auch die Technologie der additiven Fertigung zielgerichtet weiter vorangetrieben, um so die steigenden Kundenanforderungen nach stabilen Prozessen und einem industrietauglichen Einsatz der Fertigungsanlagen zu befriedigen. Hinzu kommt die Unterstützung bei der Auslegung und Realisierung konturnah gekühlter Werkzeuge.Die Konstruktionsdaten in 3D werden vorab durch die Kunden freigegeben und dann in die Werkzeugauslegung übernommen. Die Simulation ist ein wesentlicher Entscheidungsfaktor für die Kunden, sich für wirtschaftlich lasergenerierte Einsätze als Dienstleistung oder die Anschaffung einer Laserschmelzanlage für den eigenen Werkzeugbau zu entscheiden.

Beispiele für Zeit- und Kostenersparnis

Wie vorteilhaft eine prozessgerechte Konstruktion für den Einsatz des Lasergenerierens ist, zeigt etwa der Blick in ein typisches Werkzeug mit zwei trichterförmigen Kavitäten. Mit einem entsprechend hohen Bauvolumen ergeben sich sowohl lange Maschinenlaufzeiten als auch hohe Kosten, obwohl der größte Teil dieses Volumens für die Temperierung nicht benötigt wird. Anders verhält es sich, wenn die beiden Kavitäten volumenoptimiert ausgeführt werden. Mit einem generativ gefertigten Anteil von rund 20 Prozent des Ausgangsvolumens kann ohne Qualitätsverluste bei der Temperierung erheblich zeit- und kostenoptimiert gearbeitet werden. Der Preisvorteil für den Anwender liegt in diesem Fall bei etwa 70 bis 80 Prozent.

Eine konturnahe Umsetzung von Kühlkanälen führt zu einer reibungslosen, hochwertigen Produktion mit teilweise drastischem Einsparpotenzial. Zwar steigt die Gesamtlänge der Kühlkanäle erheblich, allerdings können damit auch die Kühlzeiten bis zu 50 Prozent und mehr minimiert werden, womit sich die Kosten für eine konturnahe Temperierung schnell wieder amortisieren.
In einem anderen Beispiel wurde eine komplexe konturnahe Temperierung konstruiert, in der acht Abgänge mit 3 mm Durchmesser und nahezu identischen Strömungsbedingungen aus einem 10 mm Zugang verzweigt wurden. Dies stellt in jedem Kanal eine gleichmäßige, hoch turbulente Strömung des Kühlmediums und einen sehr effizienten Wärmetransport sicher. Die Einsätze wurden lasergenerativ mit 0,5 mm Aufmaß pro Wand gefertigt. So detailliert können konventionell gefertigte Einsätze vor dem Härten in der Regel nicht vorgearbeitet werden.

Das bedeutet einen geringeren Aufwand in der Hartbearbeitung, der die Kosten des Lasergenerierens wiederum teilweise kompensiert. Auch die Kombination zum Beispiel von variothermer und Impuls-Temperierung ist ohne weiteres möglich. Bei der variothermen Temperierung wird die Werkzeugwand bereits vor dem Einspritzen des Kunststoffs auf den Temperaturbereich der einströmenden Schmelze erwärmt und erst nach der kompletten Füllung der Werkzeugkavitäten mit der Kühlung begonnen. Dadurch lassen sich die mechanischen Eigenschaften von Spritzgießteilen steigern und optische Mängel vermindern. Auch bestimmte Oberflächeneffekte wie das Abformen von Mikrostrukturen wird bei gleichzeitiger Minimierung des Energiebedarfs umsetzbar. Zusammen mit der Impulskühlung entstehen optisch und konstruktiv einwandfreie Spritzteile hoher Qualität in Serie.

Hybridbauweise bietet wirtschaftliche Vorteile

Eine interessante, wirtschaftliche Alternative zur herkömmlichen Fertigung von Formeinsätzen ist die Hy-bridbauweise. Hier wird auf eine konventionell gefertigte Basis ein lasergenerierter Aufsatz aufgebracht. Klare definierte Fließwege und Strömungen können in diesem Fall für einen effizienten Übergang der Wärme bei sehr geringem Druckverlust sorgen. Ein konturnah gekühlter Werkzeugeinsatz auf einem Hybridrohling kann bis zu 50 Prozent den Herstellkosten sparen, obwohl jede Rippe der Kerne aktiv mit Wasser temperierbar bleibt.

Was schließlich die Kombination der Verfahren Lasergenerieren und Vakuumlöten bringen kann, zeigt die Gegenüberstellung eines konventionell temperierten düsenseitigen Formeinsatzes und des zugehörigen auswerferseitigen Formkerns mit einem vakuumgelöteten Formeinsatz (violette Kanäle) sowie einem lasergenerierten Formkern (gelbe Kanäle) mit konturnaher Kühlung. Das konventionelle Paar weist bei einem Einsatz von PBT 30 Prozent GF eine Zykluszeit von 32,8 s und eine Kühlzeit von 18 s auf. Demgegenüber kann das vakuumgelötete/lasergenerierte Paar aus Einsatz und Kern mit 24,3 s Zykluszeit bei einer Kühlzeit von 9,5 s glänzen. Das bedeutet 48 Prozent weniger Kühlzeit.

Das Lasergenerieren bietet also sehr breite Möglichkeiten, Temperierkanäle beliebig an die Kontur einer Kavität anzupassen. Somit ergeben sich völlig neue Alternativen für die optimale Temperierung eines Werkzeugs. Neben Zykluszeitreduzierungen von bis zu 60 Prozent profitieren Werkzeughersteller wie -anwender durch die wesentlich verbesserte Prozessregelfähigkeit der Werkzeuge.

 

Nachgehakt

Welche Chancen bietet das Lasergenerieren?

 

Komplexität ist ein wichtiger Grund für die lasergenerierte Werkzeugfertigung. Können Sie damit auch Produktentwickler unterstützen?

Ralph Mayer, Produktmanager LBC  Ja, können wir. Im Bereich Prototypen können wir metallische Bauteile in verschiedenen Varianten herstellen.
Dies beschleunigt die Entwicklung extrem. Im Werkzeug und Formenbau können bereits Versuchsformen mit konturnaher Temperierung versehen werden. In Einzelfällen bietet sich auch die generative Fertigung von Vorserienwerkzeugen mit komplexen Geometrien (Kavitäten) an. Der Werkzeugbauer muss die Oberflächen dann nochmals glätten. Dies spart im Einzelfall Kosten und Zeit.

Worin sehen Sie das größte Hindernis für die Anwendung der lasergenerierten Werkzeugfertigung?

Ralph Mayer, Produktmanager LBC Die Akzeptanz steigt nach neun Jahren Erfahrung stetig. Ein Grund ist das gewonnene Vertrauen in unsere
Temperierlösungen und die Qualität der von uns gelieferten Werkzeugeinsätze. Der Preis ist dann ein Problem, wenn beim Kunden der Einkauf für Werkzeuge eine separate Kostenstelle ist. Dann wird hauptsächlich über den Preis eingekauft. Die Ersparnisse in der Fertigung spielen dann keine Rolle, da dies eine andere Kostenstelle ist. Aber auch hier sehen wir ein wachsendes Umdenken! Die Bekanntheit und die aktuell zum Einsatz kommenden Werkstoffe spielen mittlerweile fast keine Rolle mehr.

Welche weitere Perspektiven sehen Sie für das Lasergenerieren?

Ralph Mayer, Produktmanager LBC LBC war und ist nicht nur im Werkzeugbau tätig. Circa fünf Prozent der Anwendungen liegen in der Fertigung komplexester Bauteile mittels AM. Durch die Zugehörigkeit zu Renishaw können nun einige Sonderlösungen weiter entwickelt werden. Diese
Entwicklungen werden somit jetzt langfristig in einige Produkte einfließen. Das bietet unseren Kunden sicherlich Vorteile, die die Akzeptanz der AM Technologie beeinflussen werden.

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Über den Autor

Dr. Etwina Gandert ist Redakteurin bei Plastverarbeiter. etwina.gandert@huethig.de