Metall und Kunststoff formen Kunststoff

Als im vergangenen Jahr fünf Würzburger Techniker ihre gemeinsame Abschlussarbeit zum Thermoformen elektrisch leitfähiger Folien am SKZ absolvierten, haben sie die additive Fertigung der Metallform mittels Cold Metal Fusion (CMF) mit größter Selbstverständlichkeit akzeptiert und angewendet. Die Lieferzeit tauchte nicht einmal als „kritischer Pfad“ in der Projektplanung auf. Dass ihnen der aus dem SKZ ausgegründete Partner „Headmade Materials“ jede beliebige Geometrie in der gewünschten Festigkeit und mit den nötigen Funktionen aufbauen konnte, überraschte sie gar nicht. Mit großem Enthusiasmus haben sie gleich mehrere Generationen der klassischen Stahl- und Aluminiumbearbeitung der letzten Jahre und Jahrzehnte übersprungen. Um den Verarbeitern heute Serienteile, Ersatzteile, Neuschöpfungen, limitierte Sammlereditionen oder Ausstattungen im Rahmen einer „individualisierten Serie“ anbieten zu können, besteht weiterhin der Megatrend in Richtung additiv gefertigter Werkzeugeinsätze. Gegenüber der konventionellen Werkzeugherstellung ermöglichen diese in der Kleinserienproduktion ein erhebliches Reduzieren der Vorlaufzeit um bis zu 60 %. Die Werkzeugkosten können bis um Faktor 4 gesenkt werden und den Designern stehen alle Türen offen, um komplexe Geometrien, Texturierungen oder formnahe Kühlkanäle bei der Konstruktion ohne zusätzlichen Kosten- und Zeitaufwand mit zu berücksichtigen.

Neben Metallen werden für gedruckte Werkzeugeinsätze oft auch Photopolymere verarbeitet, beispielsweise mit Stereolithografie (SLA) oder Digital Light Processing (DLP). Das Verwenden von Kunststoff erfordert hierbei ein Umdenken in der Prozessführung. So bestimmen die Wärmeübertragungseigenschaften der Form maßgeblich den Kristallisationsgrad und das Schwindungsverhalten. Längere Kühl- und somit Zykluszeiten sollten bereits beim Bauteilauslegen und in der Produktionsplanung mit einkalkuliert und gegebenenfalls optimiert werden. Darüber hinaus führen die hohen Kräfte beim Kunststoffverarbeiten zu einem schnelleren Versagen der Werkzeugform. Im Rahmen zahlreicher Untersuchungen und industriebegleitender Forschungsvorhaben arbeiten Mitarbeiter des SKZ entlang der gesamten Wertschöpfungskette, von der Fertigung der Einsätze aus metallischen und polymeren Werkstoffen, über die notwendigen Nachbehandlungsschritte bis hin zum Fertigen von Bauteilen und deren anschließender Charakterisierung. Im Forschungsvorhaben „ADDfoam“ (Projektförderung 21792 N des BmWK) wird der Einsatz additiv gefertigter Werkzeugeinsätze für das Thermoplastschaumspritzgießen untersucht. Hierbei wird ein kosten- und energieeffizienter Ansatz zur Erzeugung geschäumter Bauteile mit hoher Oberflächengüte durch genaue Regulierung der Abkühlrate der gasbeladenen Polymerschmelze im Werkzeug verfolgt. Die für den Werkzeugdruck eingesetzten Materialien sind optimiert für das SLA- und das DLP-Verfahren. Zum Erhöhen der Festigkeit enthalten sie unter anderem Füllstoffe wie Glas, wobei eine Balance zwischen mechanischer und thermischer Stabilität auf der einen und unerwünschter Entmischung der gefüllten Materialien – insbesondere im Hinblick auf im Werkzeug integrierte, filigrane Oberflächenstrukturierungen – auf der anderen Seite gefunden werden soll.

Quelle: SKZ