Rapid Tooling Zwei Projekte des additiven Werkzeugbaus

Additive Fertigung wird für die Serienfertigung immer relevanter. Viele denken an das Drucken von Prototypen. Doch es gibt noch eine weitere Möglichkeit: Werkzeuge aus dem 3D-Drucker. Welche Vorteile diese haben, zeigen wir ihnen mit zwei spannenden Use-Cases.

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EOS GmbH Electro Optical Systems

MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG

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Werkzeugbau ist oft komplex, zeitintensiv und teuer. Durch die enormen Freiheiten in der Konstruktion sowie die schnellen Entwicklungs- und Fertigungsprozesse, kann additive Fertigung den Werkzeugbau verbessern. Schnellere Produktionszeiten, kürzere Prozessketten und ein geringerer Materialverbrauch verringern in der Regel spürbar Kosten. Aber auch der 3D-Druck kann nicht zaubern, die Herstellung von präzisen Tools bleibt eine anspruchsvolle Aufgabe.

1. Kühlwerkzeuge für Serienfertigung

Für Autobauer ist Taktzeit (also die durchschnittliche Zeit, in der eine Mengeneinheit ein Produktionssystem verlässt) bares Geld. Daher suchen alle Hersteller stetig nach Möglichkeiten, ihre Fertigungsstraßen effizienter und damit schneller zu gestalten. Ein Zeitfresser jeder Automobilfertigung sind Kühlzeiten, in denen Metall- bzw. Kunststoffteile ruhen müssen. Additiv gefertigte Werkzeuge können dabei helfen diese Kühlzeiten zu verkürzen.

Der Zulieferer Magna stellt Armlehnen traditionell mit dem Spritzgussverfahren her. Angesichts der großen Stückzahlen und der nicht vorhandenen Individualisierung des Bauteils, würde sich hierfür kein 3D-Druck anbieten. Innomia hat jedoch ein Kühlwerkzeug aus dem 3D-Drucker entwickelt, mit dem die Taktzeit einer Armlehne um 17 % verringert werden kann.

Um dies zu erreichen, begannen die Designer damit, ein effizientes Kühlsystem für den Werkzeugeinsatz zu entwickeln. Dieses konturnahe Kühlsystem ist so ausgelegt, dass sich die Kühlkanäle über beinahe die gesamte 3D-gedruckte Werkzeugoberfläche erstrecken. Mit dem DMLS-Verfahren (Direktes Metall-Laser-Sintern) konnten die feinen Kanäle am besten umgesetzt werden. Hergestellt wurden die Werkzeuge aus dem 3D-Drucker auf Maschinen von EOS. Laut den Konstrukteuren trägt das verwendete Verfahren auch dazu bei, die Langlebigkeit sowie die Qualität des Werkzeugs zu verbessern.

Im Endeffekt konnte die Wärmeableitung wesentlich homogener und damit effizienter gestaltet werden. Die Kühlkanäle des Werkzeugs aus dem 3D-Drucker führten dazu, dass die Zeit für einen Produktionszyklus um 17 % niedriger ist, als beim herkömmlichen Werkzeug. Zudem verformen sich die Bauteile durch die gleichmäßige Wärmeableitung deutlich weniger. Die Ergebnisse beruhen auf Werten, die Magna nach etwa 370.000 gefertigten Armlehnen gemessen hat. In diesem Zeitraum lagen die kompletten Einsparungen bei etwa 20.000 Euro.

2. Präzisionsbohrer aus dem Drucker

3D-Drucker sind mittlerweile in der Lage Werkzeugstahl zu verarbeiten, der für die Bearbeitung von äußerst widerstandsfähigen Materialien geeignet ist. Der Werkzeughersteller Mapal setzt auf additive Fertigung, um Schneidplattenbohrer herzustellen. Dafür nutzen sie das Selektive Laserschmelzen (SLM) von Concept Laser. Eingesetzt wird Edelstahl 1.2709.

Lange wurde AM bei Zerspanungswerkzeugen nur für Prototypen benutzt, weil die benötigte Qualität oder Wirtschaftlichkeit mit additiven Verfahren nicht erreichbar waren. Wie der Bohrer von Mapal beweist, ist es jedoch mittlerweile auch möglich, hochpräzise Werkzeuge auf dem 3D-Drucker zu fertigen, die im Punkto Funktionalität ihre konventionell gefertigte Konkurrenz sogar in den Schatten stellen.

Mapal gibt an, dass der Bohrer durch eine gute Spanverformung und einen sicheren Spänetransport überzeugt. Außerdem ist es ihnen nun möglich Bohrer im Durchmesserbereich von 8 bis 12 mm zu bauen. Bisher war 13 mm der kleinste Durchmesser. Die Verkleinerung ist durch das gewendelte Kühlsystem möglich. Dieses Kühlsystem beruht auf einer völlig neuen Geometrie und erlaubt einen um 100 % gesteigerten Kühlmitteldurchfluss. Mit herkömmlichen Verfahren wäre die Konstruktion laut dem Hersteller nicht möglich gewesen.

Werden bald alle Werkzeuge 3D-gedruckt?

Obwohl die Möglichkeiten scheinbar unbegrenzt sind und trotz der serienreifen Technologie (wie in diesem Artikel beschrieben) – die additive Werkzeugfertigung hat auch Grenzen. Sicherlich schrecken viele Betriebe vor den zusätzlichen Investitionen zurück oder haben schlichtweg (noch) nicht das richtige Knowhow, um die neue Technologie umzusetzen. Die genannten Beispiele führen zwar zu messbaren Verbesserungen, bei der Umsetzung sind aber noch etliche weitere Faktoren zu beachten.

Bei komplexen und genau aufeinander abgestimmten Fertigungsstraßen reicht es nicht, ein Werkzeug auszutauschen. Um wirklich effektiver zu arbeiten, müssten vor- und nachgelagerte Fertigungsschritte ebenfalls angepasst werden. Oft ist dies aber nicht möglich, da zum Beispiel materialbedingte Abkühlzeiten nicht unterschritten werden dürfen. Wird zu schnell gekühlt, wird das Werkstück spröde oder es kommt zu Verformungen.

Auch der oben genannte Bohrer kommt nicht ganz ohne herkömmliche Verfahren aus. Jeder Bohrer muss nach abgeschlossenem Druck nochmals spanend nachbearbeitet werden, um Genauigkeiten im Tausendstelbereich zu entsprechen.

Doch keine Revolution im Werkzeugbau?

Zum einen können additive Verfahren zu erheblichen Verbesserungen in der Funktionalität der Werkzeuge aus dem 3D-Drucker führen zum Anderen sind viele Hersteller noch nicht bereit, auf 3D-Druck zu vertrauen. Verständlich, denn herkömmliche Verfahren sind meist ausgereifter und liefern erwartbare Ergebnisse. Beispielsweise im Vergleich zu fräsenden Verfahren, steht AM noch in den Kinderschuhen. Wer die neue Technologie nutzen möchte, muss eine offene Fehlerkultur im Unternehmen pflegen. Das Prinzip Trial and Error ist ein wichtiger Bestandteil des additiven Fertigungsprozesses.

Der Faktor Mensch und dessen Qualifikation ist auch nicht zu unterschätzen. Da die Ausbildung von Konstrukteuren heute noch auf konventionelle Fertigung ausgerichtet ist, fehlt einigen Unternehmen das richtige Knowhow. Aber Vorsicht: Wer zu lange schläft kann den Rückstand bald nicht mehr aufholen. Wie unsere Beispiele zeigen, ist es absolut möglich AM im industriellen Werkzeugbau einzusetzen und das volle Potenzial ist noch längst nicht erschlossen.

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